萬(wàn)仕平 張建國(guó) 賀 偉 楊汝芬

中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

二十一世紀(jì)以來，基于國(guó)際導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)（International GNSSService，簡(jiǎn)稱 IGS）的精密單點(diǎn)定位技術(shù)（PPP技術(shù)），在各行業(yè)中得到了長(zhǎng)足的發(fā)展和應(yīng)用。隨著國(guó)際IGS參考站的增多，以及Gamit、Bernese等軟件解算能力的提高，PPP技術(shù)的精度從過去的分米級(jí)，提高到目前的厘米級(jí)甚至毫米級(jí)。PPP技術(shù)觀測(cè)簡(jiǎn)單便利，無(wú)需考慮接收機(jī)數(shù)量、網(wǎng)形、邊長(zhǎng)和同步時(shí)間。因此，可考慮在油氣田及管道控制測(cè)量中通過PPP技術(shù)，快速解算各控制點(diǎn)的坐標(biāo)和高程，在精度滿足要求的條件下降低成本、提高效率。

1 PPP技術(shù)概念

IGS服務(wù)包括衛(wèi)星跟蹤站、數(shù)據(jù)中心、分析中心和數(shù)據(jù)產(chǎn)品發(fā)布等。PPP技術(shù)利用IGS發(fā)布的精密星歷和衛(wèi)星鐘差，通過單臺(tái)雙頻衛(wèi)星接收機(jī)偽距觀測(cè)和載波相位觀測(cè)，在專業(yè)計(jì)算軟件中，對(duì)天線相位中心、地球潮汐、相對(duì)論及多路徑效應(yīng)等誤差進(jìn)行改正，采用最小二乘或Kalman濾波估算對(duì)流層、接收機(jī)位置和鐘差，進(jìn)行高精度定位［1］。

其中，GPS偽距與載波相位的觀測(cè)方程式為［2］：

式中：Pi為偽距觀測(cè)值；Φi為載波相位觀測(cè)值；ρ為衛(wèi)星與接收機(jī)的幾何距離；c為真空中的光速；dt為接收機(jī)鐘差；dT為GPS衛(wèi)星鐘差；dorb為GPS衛(wèi)星軌道誤差；dtrop為對(duì)流層延遲； dion/i為 Li頻率（i=1，2）上電離層延遲；λi為 Li載波波長(zhǎng)；Ni為整周模糊度；ε（Pi）為偽距觀測(cè)噪聲與多路徑誤差；ε（Φi）為載波相位觀測(cè)噪聲和多路徑誤差。

2 PPP技術(shù)的應(yīng)用

2.1 控制網(wǎng)布設(shè)

在某氣田的控制測(cè)量中，收集了C級(jí)GPS點(diǎn)2個(gè)（ZT、ZJ），檢查點(diǎn) 1 個(gè)（氣田原有首級(jí)控制點(diǎn) DP3），新埋設(shè)了首級(jí)控制點(diǎn) 4 個(gè)（DP5、DP6、DP7、DP8）。 其中，ZT與ZJ相距約80 km，網(wǎng)內(nèi)相鄰點(diǎn)平均距離約20 km。采用6臺(tái)Trimble R8雙頻GNSS接收機(jī)，分2 d（2011年12月6、7日）按照C級(jí)網(wǎng)的技術(shù)要求同步觀測(cè)［3-5］，完成了網(wǎng)內(nèi)共 7個(gè)點(diǎn)的外業(yè)觀測(cè)，其中 DP3、DP5、DP6、DP7、DP8有重復(fù)觀測(cè)值。 GPS控制網(wǎng)示意圖見圖1。

圖1 某氣田GPS控制網(wǎng)示意圖

2.2 精密單點(diǎn)定位

2.2.1 Bernese解算

外業(yè)觀測(cè)結(jié)束后，選取時(shí)間2011年12月6日的6個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)和12月7日Z(yǔ)J的觀測(cè)數(shù)據(jù)。將T01格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Rinex格式，導(dǎo)入Bernese。以就近的BJFS、COAL、DSMG、KUNM、LHAZ、SHAO、TCMS、TWTF、ULAB、URUM共10個(gè)IGS跟蹤站的位置，精密星歷和鐘差等數(shù)據(jù)作為起算依據(jù)。計(jì)算得ITRF2008框架下大地坐標(biāo)、大地高及基于EGM2008重力場(chǎng)模型擬合的正常高，結(jié)果見表1。

表1 ITRF2008坐標(biāo)及高程

2.2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

計(jì)算表1中各點(diǎn)在UTM投影下的平面直角坐標(biāo)，結(jié)果見表2。

表2 UTM平面直角坐標(biāo)及高程

收集ZT、ZJ、DP3的高斯平面直角坐標(biāo)及高程見表3。

表3 ZT、ZJ、DP3高斯平面直角坐標(biāo)及高程

因基于不同橢球、不同投影方式計(jì)算所得，表2～3為兩個(gè)不同的平面直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。故可通過公共點(diǎn)ZT、ZJ、DP3建立兩個(gè)不同的二維平面直角坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，計(jì)算得4參數(shù)為：dx=12.527547m，dy=-312.291461m，t=0.000 000 741 3°，k=1.000394205478。

利用上述4參數(shù)及PPP技術(shù)計(jì)算各點(diǎn)的高斯平面直角坐標(biāo)及高程，結(jié)果見表4。

表4 PPP技術(shù)計(jì)算得各點(diǎn)高斯平面直角坐標(biāo)及高程

2.3 TBC解算

為驗(yàn)證PPP技術(shù)解算結(jié)果的可靠性，采用Trimble隨機(jī)軟件TBC計(jì)算網(wǎng)內(nèi)各控制點(diǎn)成果。經(jīng)各項(xiàng)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核，不合格數(shù)據(jù)剔除，無(wú)約束平差，約束ZT、ZJ、DP3這3點(diǎn)平差，待各項(xiàng)限差滿足要求后，計(jì)算得網(wǎng)內(nèi)其余4點(diǎn)的坐標(biāo)值，并采用EMG2008重力場(chǎng)模型進(jìn)行高程擬合，獲得網(wǎng)內(nèi)其余4點(diǎn)的高程，見表5。

表5 TBC計(jì)算得各點(diǎn)高斯平面直角坐標(biāo)及高程

2.4 分析

2.4.1 精度

PPP技術(shù)計(jì)算得各點(diǎn)高斯平面直角坐標(biāo)及高程（見表4），與TBC計(jì)算得各點(diǎn)高斯平面直角坐標(biāo)及高程（見表5）進(jìn)行比較，計(jì)算得坐標(biāo)和高程較差，見表6。

表6 PPP技術(shù)計(jì)算結(jié)果與TBC計(jì)算結(jié)果較差

其中，公共點(diǎn)ZT、ZJ、DP3的坐標(biāo)較差為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差，其高程較差應(yīng)視為因選取不同的擬合點(diǎn)引起的計(jì)算誤差。由表6可見，設(shè)TBC計(jì)算結(jié)果為真值，PPP技術(shù)解算的坐標(biāo)精度優(yōu)于0.02m，高程中誤差小于0.05m；坐標(biāo)達(dá)到D級(jí)首級(jí)控制網(wǎng)精度，高程滿足四等電磁波測(cè)距三角高程精度要求［6］。

2.4.2 成本

從儀器設(shè)備和人力資源的投入情況來看，利用PPP技術(shù)需要少量的儀器（或1套GPS-RTK（1+2）的雙頻機(jī)）、車輛和人員，即可完成觀測(cè)。為了在短時(shí)間內(nèi)完成外業(yè)聯(lián)測(cè)工作，較PPP技術(shù)而言，傳統(tǒng)的聯(lián)測(cè)方法需要多出1倍以上的儀器、車輛和人員。

在觀測(cè)時(shí)間方面，理論上PPP技術(shù)單點(diǎn)觀測(cè)2 h以上，即可獲得高精度的位置信息，而傳統(tǒng)C級(jí)網(wǎng)的觀測(cè)要求每個(gè)觀測(cè)時(shí)段不應(yīng)低于4 h。在上述驗(yàn)算案例中，PPP技術(shù)僅采用了7個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù) （時(shí)間為12月6日的6個(gè)和12月7日的1個(gè)）進(jìn)行計(jì)算，TBC采用了2d所有的共12個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)（含重復(fù)觀測(cè)），解算結(jié)果均能滿足要求。

3 結(jié)論

在目前的油氣田控制測(cè)量工作中，找點(diǎn)困難、聯(lián)測(cè)不便是較常見的問題，長(zhǎng)基線PPP技術(shù)是解決這類問題的關(guān)鍵。PPP技術(shù)受限條件少、精度高，理論上采用1臺(tái)雙頻衛(wèi)星接收機(jī)，即能完成相關(guān)的控制測(cè)量工作。通過本文的應(yīng)用實(shí)踐不難發(fā)現(xiàn)，在特定的地區(qū)，PPP技術(shù)解算的坐標(biāo)和高程符合情況較好。因此，可將這一技術(shù)逐步應(yīng)用到油氣田及線路控制測(cè)量中來，并采取一定的檢核措施，不僅能在精度上滿足要求，還能縮短工期、節(jié)約成本。

［1］Ebner R，F(xiàn)eatherstoneW E.How W ell can Online GPSPPP Post-Processing Servicesbe Used to Establish Geodetic Survey Control Networks［J］.Journal of Applied Geodesy，2008（2）：149-157.

［2］杜玉祥.精密單點(diǎn)定位精度分析 ［J］.礦山測(cè)量，2010，（1）：27-29.Du Yuxiang.Analysisof Accuracy of Precise Point Positioning［J］.M ine Surveying，2010，（1）：27-29.

［3］GB/T 18314-2009，全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范［S］.GB/T 18314-2009，Specification forGlobalPositioning System（GPS） Surveys［S］.

［4］李 瑋，萬(wàn)仕平.淺析GPS在龍崗凈化廠控制測(cè)量中的應(yīng)用［J］.天然氣與石油，2010，28（1）：41-43.LiWei，Wan Shiping.Application ofGPS to Control Survey in Longgang Purification Plant［J］.NaturalGasand Oil，2010，28（1）：41-43.

［5］萬(wàn)仕平，肖德仁，張 勇.GPS在油氣田及管道工程測(cè)量中的應(yīng)用現(xiàn)狀及需求［J］.天然氣與石油，2012，30（4）：84-86.Wan Shiping，Xiao Deren，Zhang Yong.Application of GPS to Engineering Survey in Oil and Gas Field Development and Pipeline Projects［J］.NaturalGasand Oil，2012，30（4）：84-86.

［6］GB/T 50539-2009，油氣輸送管道工程測(cè)量規(guī)范［S］.GB/T 50539-2009，Specifications of Survey for Oil and Gas Transportation Pipeline Engineering［S］.