GNSS 驗潮在海上石油物探測量中的應用探討

張延同，王洪強

（中國石油化工集團勝利石油管理局地球物理勘探開發公司，山東東營257086）

一、引 言

在目前的海上石油物探測量施工中，物理點的高程測量一般采用對水深測量數據進行潮汐改正的方法實現。由于缺乏必要的驗潮手段，往往從附近的驗潮站搜集精度較低的潮汐表數據進行插值計算，由此獲得的高程精度比較低，而且有時驗潮站距離施工區域較遠，潮時差過大，精確校正又比較困難，導致數據不準確，精度無法保證。

隨著GNSS定位技術的不斷發展，星站差分不斷得到應用，使用GNSS設備結合水深測量直接測定物理點高程的辦法將比以往方法更加準確。但星站差分儀器使用費用極其昂貴，極大地制約了該種方法的普及應用。

GNSS驗潮技術在近年來的海洋測繪中取得了驚人的成就，并以其獨特的優勢在眾多領域中獲得了成功應用。它不僅可以提供高精度的潮汐數據，而且能夠與測船走航同時進行，大大簡化了驗潮程序，節省了人力。本文試圖從海上石油物探測量生產的角度，探討GNSS驗潮應用于物探物理點高程測量的方法。

二、GNSS驗潮的原理

GNSS驗潮是使用GNSS設備實時測量GNSS設備所在點的GNSS設備天線的大地高，可進一步改換為該點實時的水面潮高。通過高程異常計算和水深測量的方法，最終獲得海底的海拔高。

如圖1所示，架設在船上的GNSS定位儀可以直接測得GNSS天線位置的大地高H;天線位置至水面的高度h1可以使用測高尺量取;橢球面至大地水準面的差距ξ(即高程異常值)可以使用大地水準面模型獲取，目前有國家測繪局發布的CQG2000以及美國的EGM2008，這些模型在我國測繪領域都獲得了很好的應用。

則根據式(1)可以計算出水面的海拔高程h水面

圖1 GNSS驗潮原理示意圖

水面的海拔高度值即該點以大地水準面為基準的潮汐測量值。

隨著時間的推移，由于受潮汐影響，水面的高度也隨著改變，測量船也會隨著水面的起伏一起浮動。如果使用GNSS定位儀進行連續測量，即可獲得一組隨時間變化的水面高程值，將這些高程值按時間順序連接成線，就形成潮時圖。

三、海上石油物探中GNSS驗潮的應用方法

由于海上物探測量中采用潮汐改正方法測量物理點高程，因此需要知道水深測量時刻對應的水面高程?？梢圆捎蒙鲜鲵灣痹磉B續測定水面高程，然后根據時間匹配確定水深測量或氣槍激發時刻的水面高程，即可推算水深測量處的海底高程或氣槍激發點的高程。

在海上物探施工中，同時有多艘測量船展開作業，每艘測量船都進行驗潮需要的設備較多，費用較大，由于一般物探施工中，施工面積較小，因此可選定在一艘船上驗潮，全部測量船共享驗潮數據的模式，也就是將整個施工過程分為驗潮與測量兩部分。

1.驗 潮

在物探施工使用的所有船只中，選擇一艘船體較重，盡可能處于拋錨狀態，所處位置在其他作業船中央，這樣船體平衡及吃水比較穩定的船作為驗潮船，可考慮生活母船或者儀器船。在驗潮船上使用GNSS設備實施驗潮，可以很好地獲取整個施工區域的實時驗潮數據。

驗潮船在整個測量過程中一般處于拋錨狀態，屬于靜態吃水，吃水深度變化很小，可通過測量天線高度予以抵消，此時只受浪涌及姿態變化的影響，連續測得的水面高程值連線呈鋸齒狀［1］，可通過濾波方法加以平滑過濾，常用的濾波方法有門限濾波法、低通濾波發及小波濾波法等［1-2］。

圖2為某地區根據使用星站差分設備測得的瞬時海面高程與搜集獲得的潮汐表數據情況繪制的潮時圖，圖中的光滑曲線為潮汐表數據。不難看出，GNSS驗潮數據與潮汐表數據在波動趨勢與周期是一致的，這其中顯然存在著時差與深度基準不一致的影響。因物探物理點測量需要的是海拔高程，可不考慮深度基準造成的影響，潮時差的影響可通過時差校正部分消除，如果沒有實時驗潮，要完全消除非常困難。另外，從圖中還可看出，在高潮與低潮階段，兩類數據存在一定的差異，這一差異便是潮汐表數據無法克服的誤差，通過GNSS實時驗潮，便可達到消除誤差的目的。

圖2 GNSS實時測高與潮汐表數據比較

2.測量施工

測量施工可以使用一般的信標差分或SBAS差分衛星定位儀，目前我國沿海已經建立了數個信標差分站，覆蓋沿海400 km左右的海域，日本的MASAS衛星也可覆蓋我國大部分海域，而且這些信號可以完全免費使用，平面測量精度可以達到米級，可以滿足海上石油物探施工要求，但高程精度較差，無法用于實際測量。

接收點的海拔高程h海底求取過程一般是在船行駛到該點上方，同時測得該點的水面海拔高以及該點的水深，水面海拔高h水面的獲取可通過式(1)求取，水深h水深可以通過測深儀直接獲得該點海底到水面的高度值，該點的水面的海拔高減去實時該點的水深值即為該點的海底海拔高，見式(2)

激發點的測量與氣槍激發是同步進行的，測量位置為氣槍沉放的位置，如圖3所示。A點為氣槍沉放位置;h沉為氣槍沉放深度;t時刻氣槍船到達指定位置并激發，對應的水面高程為h水面;h氣槍即為所測激發點高程;則

圖3 激發點高程測量示意圖

測量船是在行進中測量的，其動態吃水對測深數據的影響可利用GNSS測量方法測出。對于浪涌及姿態的影響，要想消除存在一定困難，但在風浪不大時這一影響較小，一般達到5 cm［2］，因為物探施工一般要求在風力較小時進行，測高精度達到米級即可，此時的浪涌及姿態對測量結果的影響在石油物探測量中基本可以忽略不計。

四、驗潮誤差及精度估算

GNSS驗潮的精度取決于GNSS定位儀的精度、測深儀精度、高程異常值精度以及浪涌和測量船吃水的影響等。

如果是近海施工，距離海岸20 km以內，可以使用GNSS RTK測量，GNSS定位精度達到厘米級;遠海施工可以使用GNSS事后相位差分(PPK)測量，在距離海岸80 km范圍內可以獲得5 cm平面精度和10 cm高程精度［2］;星站差分測量實現了全球覆蓋范圍的10 cm平面精度和20 cm高程精度，如果使用星站差分測量系統，無需考慮施工區域與海岸的遠近。

CQG2000大地水準面模型可以獲取分米級精度的高程異常值，EGM2008在我國應用也可以達到分米級甚至厘米級精度。

綜上所述，并考慮到浪涌及測量船吃水等的影響誤差也可達到分米級［3］，利用GNSS驗潮可以獲取亞米級的潮高精度，完全可以滿足海上物探測量施工。

五、結束語

GNSS驗潮簡便易行，不受水深限制，在近海施工可以使用RTK或PPK測量技術，在遠海施工無法實施RTK或PPK測量時，可以僅使用一至兩臺星站差分設備，避免或大大減少了因使用星站差分設備而付出的昂貴的信號費用。GNSS驗潮占用儀器少，大大降低施工作業成本，是目前海上施工比較理想的方法。

［1］ 趙建虎.現代海洋測繪(上冊)［M］.武漢:武漢大學出版社，2008:56-61.

［2］ 李杰.GPS潮汐測量及應用［D］.青島:國家海洋局第一海洋研究所，2009.

［3］ 歐陽永忠，陸秀平，孫繼章，等.GPS測高技術在無驗潮水深測量中的應用［J］.海洋測繪，2005(1):6-9.

［4］ 馮義楷，李杰，楊龍，等.遠程GPS驗潮方法研究［J］.海洋測繪，2010(1):4-6.