精密單點(diǎn)定位技術(shù)在長輸管線控制測量中的應(yīng)用

黃寶偉 宋杰 龔正選 閆國峰

1青島中油巖土工程有限公司

2中國石油青海油田采油一廠

隨著我國BeiDou 衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展，多頻多系統(tǒng)（GPS+GLONASS+BeiDou+Galileo）融合全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）精密單點(diǎn)定位已成為GNSS 精密定位的發(fā)展趨勢，它集成了GNSS 標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位和相對定位的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，克服了各自的缺點(diǎn)，已發(fā)展成為一種新的GNSS 定位方法[1]，給精密單點(diǎn)定位（PPP，Precise Point Positioning）技術(shù)的研究帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[2]。

精密單點(diǎn)定位這一概念最初是由JPL 的ZUMBEGER 等人提出并在他們開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件GIPSY 上實(shí)現(xiàn)[3]，它是利用載波相位觀測值以及IGS等組織提供的高精度的衛(wèi)星星歷及衛(wèi)星鐘差來進(jìn)行高精度單點(diǎn)定位的方法。它以單臺雙頻GPS接收機(jī)采集的非差相位數(shù)據(jù)作為主要觀測值來進(jìn)行單點(diǎn)定位計(jì)算，其精度可達(dá)分米級甚至厘米級[4]。隨著國際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提高到目前的厘米級甚至毫米級[5]。

目前PPP技術(shù)主要圍繞PPP定位模型、數(shù)據(jù)預(yù)處理、誤差精細(xì)建模、模糊度固定和快速初始化等五大主題展開研究，主要解決PPP的精度、時(shí)效和可靠性三大問題，其核心是PPP模糊度固定和快速初始化。PPP技術(shù)在大范圍移動(dòng)測量、低軌衛(wèi)星定軌、精密授時(shí)、大氣科學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)等諸多方面具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。

在目前的長輸管線控制測量中，地形復(fù)雜、找點(diǎn)困難、聯(lián)測不便等問題比較嚴(yán)重，長輸管線具有鋪設(shè)距離長、覆蓋廣、地形復(fù)雜、工期緊等特點(diǎn)[6-8]。常規(guī)的控制測量工作需采用多臺GPS接收機(jī)進(jìn)行同步觀測并聯(lián)測已知控制點(diǎn)來傳遞坐標(biāo)系的方法進(jìn)行，作業(yè)成本高、測量周期長。而PPP技術(shù)無需用戶自己設(shè)置地面基準(zhǔn)站，單機(jī)作業(yè)，定位不受作業(yè)距離的限制，作業(yè)機(jī)動(dòng)靈活，成本低，可直接確定測站在國際地球參考框架（ITRF）下的高精度位置坐標(biāo)，理論上采用1臺雙頻GPS接收機(jī)就能完成相關(guān)的控制測量工作，為作業(yè)困難地區(qū)的控制測量提供了便捷的方法，同時(shí)也可以節(jié)省人力、物力，縮短作業(yè)周期，極大地提高作業(yè)效率[9-10]。因此，采用PPP 技術(shù)進(jìn)行控制測量來滿足長輸管線時(shí)間緊、任務(wù)重、質(zhì)量高的需要顯得極為迫切。

1 研究區(qū)概況

以非洲某油田為研究區(qū)，該油田擬建設(shè)由計(jì)量站OGM（Oil Gathering Manifold）經(jīng)過轉(zhuǎn)接站FPF（Field Production Facility）至集中處理站CPF（Central Processing Facility）的原油管線，管線長度約70 km。該地區(qū)為灌木覆蓋的原始森林，植被茂密，氣溫較高，通視和行走條件極差，給外業(yè)控制測量帶來了極大困難。

2 控制網(wǎng)布設(shè)和觀測

經(jīng)過對已有控制點(diǎn)的收集和現(xiàn)場踏勘，選取4個(gè)C 級已有控制點(diǎn)（GPS0806、WG41、MLE39 和WG54）進(jìn)行聯(lián)測，新布設(shè)首級控制點(diǎn)10 個(gè)（ZDC01～ZDC10），根據(jù)管線路由走向布設(shè)GPS 控制網(wǎng)（圖1）。控制網(wǎng)觀測采用4 臺Trimble R8 雙頻GPS 接收機(jī)，該GPS 接收機(jī)標(biāo)稱精度滿足規(guī)范要求。按照D級網(wǎng)技術(shù)要求進(jìn)行同步觀測，本次觀測一個(gè)時(shí)段60 min。

圖1 GPS控制網(wǎng)分布圖Fig.1 Distribution map of GPS control network

3 數(shù)據(jù)解算與結(jié)果分析

3.1 PPP解算

使用Convert to Rinex 軟件將Trimble R8 雙頻GPS 接收機(jī)獲得的T02 格式靜態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Rinex格式數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入PPP 解算軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解算。數(shù)據(jù)解算過程中，下載并使用精密衛(wèi)星星歷、潮汐數(shù)據(jù)等[11-12]，解算后得到ITRF框架下地心地固空間直角坐標(biāo)系坐標(biāo)，如表1所示。

利用已有4 個(gè)控制點(diǎn)，計(jì)算出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，將ITRF 框架下地心地固空間直角坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為該油田所使用的WGS-84 橢球系UTM 投影下的坐標(biāo)，以及基于EGM2008 重力場模型獲得擬合的正常高程，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果如表2所示。

表1 ITRF框架下地心地固空間直角坐標(biāo)系坐標(biāo)Tab.1 Coordinates of ECEF space rectangular coordinate system under ITRF frame

表2 PPP解算WGS-84橢球系UTM投影坐標(biāo)Tab.2 UTM projection coordinates of WGS-84 ellipsoid system by PPP calculation

3.2 TBC解算

為了檢驗(yàn)PPP 解算結(jié)果的可靠性，采用Trimble GPS 隨機(jī)解算軟件TBC 進(jìn)行基線解算，并采用EGM2008重力場模型進(jìn)行高程擬合，得到WGS-84橢球系UTM投影下各點(diǎn)坐標(biāo)，如表3所示。

3.3 結(jié)果分析

將PPP 軟件解算獲得的WGS-84 橢球系UTM投影下坐標(biāo)與TBC 基線解算獲得的同一橢球同一投影下的坐標(biāo)進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表4所示。

表4 中，已有4 個(gè)控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)較差ΔxΔy為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差，高程較差Δh為采用EGM2008 重力場模型進(jìn)行高程擬合的擬合誤差。根據(jù)表4中解算結(jié)果的對比分析，假設(shè)TBC軟件結(jié)算結(jié)果為真值，PPP技術(shù)解算結(jié)果的平面坐標(biāo)精度優(yōu)于2 cm，高程精度優(yōu)于5 cm，精度指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

表3 TBC解算WGS-84橢球系UTM投影坐標(biāo)Tab.3 UTM projection coordinates of WGS-84 ellipsoid system by TBC calculation

表4 PPP解算結(jié)果與TBC解算結(jié)果對比Tab.4 Comparison of PPP calculation results and TBC calculation results

4 結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和國家“一帶一路”政策的實(shí)施，我國油氣管道建設(shè)發(fā)展迅速，越來越多的長輸管線項(xiàng)目將遍布海內(nèi)外，精密單點(diǎn)定位技術(shù)在長輸管線控制測量中的作用也越來越大，為地形地貌復(fù)雜地區(qū)控制測量提供了便捷的方法，可減少設(shè)備投入，降低生產(chǎn)成本，縮短作業(yè)周期，極大地提高作業(yè)效率。該技術(shù)可逐步推廣應(yīng)用到國內(nèi)外油氣田長輸管線控制測量工作中。