GNSS 驗潮在海上石油物探測量中的應(yīng)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(fā)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(shù)據(jù)進行潮汐改正的方法實現(xiàn)。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(shù)據(jù)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(qū)域較遠，潮時差過大，精確校正又比較困難，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準確，精度無法保證。

隨著GNSS定位技術(shù)的不斷發(fā)展，星站差分不斷得到應(yīng)用，使用GNSS設(shè)備結(jié)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(yīng)用。

GNSS驗潮技術(shù)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(yōu)勢在眾多領(lǐng)域中獲得了成功應(yīng)用。它不僅可以提供高精度的潮汐數(shù)據(jù)，而且能夠與測船走航同時進行，大大簡化了驗潮程序，節(jié)省了人力。本文試圖從海上石油物探測量生產(chǎn)的角度，探討GNSS驗潮應(yīng)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(shè)備實時測量GNSS設(shè)備所在點的GNSS設(shè)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(shè)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(fā)布的CQG2000以及美國的EGM2008，這些模型在我國測繪領(lǐng)域都獲得了很好的應(yīng)用。

則根據(jù)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(xù)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(yīng)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(yīng)的水面高程?？梢圆捎蒙鲜鲵灣痹磉B續(xù)測定水面高程，然后根據(jù)時間匹配確定水深測量或氣槍激發(fā)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(fā)點的高程。

在海上物探施工中，同時有多艘測量船展開作業(yè)，每艘測量船都進行驗潮需要的設(shè)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(shù)據(jù)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(tài)，所處位置在其他作業(yè)船中央，這樣船體平衡及吃水比較穩(wěn)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(shè)備實施驗潮，可以很好地獲取整個施工區(qū)域的實時驗潮數(shù)據(jù)。

驗潮船在整個測量過程中一般處于拋錨狀態(tài)，屬于靜態(tài)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(tài)變化的影響，連續(xù)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(fā)及小波濾波法等［1-2］。

圖2為某地區(qū)根據(jù)使用星站差分設(shè)備測得的瞬時海面高程與搜集獲得的潮汐表數(shù)據(jù)情況繪制的潮時圖，圖中的光滑曲線為潮汐表數(shù)據(jù)。不難看出，GNSS驗潮數(shù)據(jù)與潮汐表數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存在一定的差異，這一差異便是潮汐表數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(wèi)星定位儀，目前我國沿海已經(jīng)建立了數(shù)個信標差分站，覆蓋沿海400 km左右的海域，日本的MASAS衛(wèi)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(fā)點的測量與氣槍激發(fā)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(fā)，對應(yīng)的水面高程為h水面;h氣槍即為所測激發(fā)點高程;則

圖3 激發(fā)點高程測量示意圖

測量船是在行進中測量的，其動態(tài)吃水對測深數(shù)據(jù)的影響可利用GNSS測量方法測出。對于浪涌及姿態(tài)的影響，要想消除存在一定困難，但在風(fēng)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(fēng)力較小時進行，測高精度達到米級即可，此時的浪涌及姿態(tài)對測量結(jié)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(nèi)，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(nèi)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(xiàn)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(tǒng)，無需考慮施工區(qū)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(yīng)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(jié)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(shù)，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(shè)備，避免或大大減少了因使用星站差分設(shè)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(yè)成本，是目前海上施工比較理想的方法。

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

［2］ 李杰.GPS潮汐測量及應(yīng)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(shù)在無驗潮水深測量中的應(yīng)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.