长距离GPS RTK测量的精度检核方法与实例

胡涛

(中国石化西北油田分公司油田特种工程管理中心,新疆 轮台 841600)

0 引 言

位于中国新疆塔里木盆地的塔克拉玛干沙漠,是中国最大的沙漠,也是世界第二大沙漠。整个沙漠东西长约1000 km,南北宽约400 km,面积达33万km2,沙漠里人烟极其稀少,被称为“死亡之海”[1]。中国石化、中国石油在这样广袤的地区进行的石油勘探开发工作,已有40年的历史了,先后发现了塔河油田、塔里木油田、顺北油田等一些大油田,为中国石油石化事业做出了重要贡献。在石油勘探开发工作中,测量确定井口的位置,是整个石油勘探开发工作的基础和前提,由于这里地处沙漠,测量控制点极其稀少,且大多分布在道路两侧,而勘探区域多位于沙漠腹地的无人区,如果用常规的工程测量方法测定井位,其施工难度、施工成本都将非常巨大。随着卫星定位技术的发展,尤其是GPS及GPS RTK技术的发展成熟,极大地降低了测绘工作的施工成本,提高了工作效率,这也为井位勘定工作的高效率开展奠定了基础。

GPS RTK技术具有使用灵活性好、定位精准度高、施工成本低、作业效率高等优点。在人烟稀少、地势平坦、遮挡物少、电磁干扰小的沙漠区域,GPS RTK测量的这一优点更加明显。然而根据GBT 50537-2009 油气田工程测量规范[2]和实际作业要求,GPS RTK技术定位的距离是有严格的限制的,一般情况下,不超过10 km,特殊情况下可延长至15 km.那么,对于15 km以上的距离,GPS RTK技术定位的精度到底如何,是一个值得研究探讨的问题。

中石化西北油田分公司在塔克拉玛干沙漠的多个区域均部署有勘探开发井位,这些井位的测定全部采用的是GPS RTK技术,本文在该地区采用实际验证的办法,测试验证了在沙漠地区长距离GPS RTK作业的精度。

1 GPS RTK技术的测量原理

GPS RTK技术即实时动态测量技术,是全球卫星导航定位技术与数据通信技术相结合的载波相位实时动态差分定位技术[3],它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果。该技术采用实时处理两个测量站载波相位差分观测量的方法,通过将基准站采集的载波相位及基准站坐标等信息,利用数据链发给流动站接收机,实时进行求差解算坐标,能够在施工现场快速得到厘米级的定位精度。该技术的出现为工程测量、地形测图及各种控制测量带来了变革,极大地提高了外业测量的作业效率。

GPS RTK作业的流动站既可处于静止状态,也可处于运动状态。在整周未知数解固定后,只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形,即可进行每个历元的实时处理,从而可随时给出厘米级的定位结果[4]。GPS RTK技术的关键在于利用了基准站和流动站之间观测误差的空间相关性,通过对GPS载波相位观测量求差,消除了流动站观测数据中的绝大部分误差,从而实现分米级甚至厘米级精度的定位。

GPS RTK技术在应用中遇到的最大问题,就是基准站校正数据的有效改正距离问题。GPS误差的空间相关性随着基准站和流动站距离的增加而逐渐失去线性,经过差分处理后的流动站数据仍然含有较大的误差,从而导致定位精度的降低和载波相位整周未知数[5]的无法固定或解算。可见长距离GPS RTK定位的精度和可靠性较短距离差。

2 长距离GPS RTK测量精度检核方法

中国石化西北油田分公司曾经在塔里木盆地塔克拉玛干沙漠中,部署了中良1井,该井位于沙漠腹地,东面距离轮台至民丰沙漠公路约100 km2,井位测定采用了GPS RTK技术直接放样井位,由于该井距离测量控制点约22 km,为保证信号接收,中间架设有一个中继站。作业距离大于GPS RTK一般15 km的作业半径,属于长距离GPS RTK施工,但满足井位勘定规程里在一个中继站的情况下不超过25 km作业半径的规定。

尽管井口放样精度严格控制在井位勘定规程规定的水平精度0.015 m,高程精度0.020 m的范围内,但针对大于15 km小于25 km的长距离GPS RTK施工,仍缺少有效的外部检核。为验证长距离GPS RTK施工作业的精度和可靠性,我们采用同等作业条件下引入外部控制点检核的方式,进行了检核验证。

检核采用Trimble R7、Trimble R8型卫星定位仪各1台,并配有全套GPS RTK作业所需的数据传输电台、脚架、线缆、电瓶等附件,准备车辆两辆,参与测绘技术人员3人。为保证检核条件与施工条件尽可能相同,检核使用的仪器均为测定井位使用的仪器。

检核方法与步骤如下:

1) 选取了塔河油田测量控制点成果中的“TP7”和“S86”两个测量控制点作为外部检核依据,坐标成果为同一GPS控制网观测平差后的成果,控制网等级为C级网,两点距离为23.768 km,与中良1井GPS RTK施工距离相当,且周围环境也以沙漠戈壁地形为主,具有可参照性。

2) 首先在“TP7”测量控制点上架设GPS RTK测量基准站,启动基准站后,先用流动站在控制点“TP7”上进行RTK检查,检查数据合格后,再进行放样检核。

3) 在距离“TP7”测量控制点约15 km处,“S86”测量控制点约9 km处,架设中继站电台,中继站电台信号传输正常。

4) 在“S86”测量控制点上对中整平流动站GPS接收机,启动流动站,接收基准站电台信号,待初始化完成、整周未知数固定后,开始测量采集数据,严格控制采集坐标数据的精度,在水平精度小于0.015 m,高程精度小于0.020 m的范围内,采集有效数据10组。

5) 最后将GPS RTK采集的坐标与“S86”测量控制点已知坐标进行比对,计算坐标较差,分析测量的精度,形成结论和技术报告。

3 长距离GPS RTK测量精度分析

首先将检核采集的数据,导入到TGO软件中,正确设置工程项目参数,检查外业观测记录和仪器的各项设置是否正确,准确无误后,进行数据处理,计算GPS RTK测量定位实际偏差、相对误差,形成相关技术报告。GPS RTK测量定位实际偏差、相对误差如表1所示。

可见,随着GPS RTK流动站与基准站距离的增加,GPS误差的空间相关性逐渐失去线性,经过差分处理后的流动站数据仍含有较大的误差,即使在载波相位整周未知数已经固定的情况下,定位误差仍然达到了分米级。与短距离GPS RTK厘米级的定位精度相比,存在较大差距。

表1 GPS RTK系统S86测量控制点检核计算表

4 结束语

通过检核可知,在沙漠戈壁地形中,进行大于15 km小于25 km的长距离GPS RTK施工中,在水平精度严格控制在0.015 m内、高程精度严格控制在0.020 m内的情况下,GPS RTK定位实际偏差在0.15 m左右,相对定位精度达1/162794,能满足精度要求不高的一般作业,例如油田井位勘测、道路路线测绘、井位导航、距离量算等。