大地测量技术

第五节　大地测量技术

大地测量工作贯穿于石油勘探开发的全过程，是一种广义的计量技术，包括大地测量基准、卫星导航技术、物探测量技术、大地测量仪器校准四个方面作一介绍。

一、大地测量基准的建立与维持

（一）国际地球参考框架与世界大地坐标系统的建立与维持

国际地球参考框架（ITRF），是由国际地球自转服务局（IERS）按一定要求建立地面观测台站进行空间大地测量，并根据协议地球参考系的定义，采用一组国际推荐的模型和常数系统对观测数据进行处理，解算出各观测台站在某一历元的坐标和速度场，由此建立的一个协议地球参考框架。是高准确度大地控制网所必须依附的坐标体系。

理论上，ITRF的原点位于整个地球（包括海洋和大气）的质量中心，而实际上ITRF原点与地球质心两者很难完全重合。但是，随着空间大地测量技术的进步，ITRF原点与地球质心之间的偏差变得越来越小。

GPS测量依据的坐标系统是世界大地坐标系统（WGS－84）。它与ITRF2000的符合程度在±1cm。

（二）国家大地坐标基准的建立与更新

平面基准方面，中国的国家坐标先后采用过两个系统，即1954年北京坐标系统和1980年国家大地坐标系统，并分别建立了两个坐标系统下的全国平面控制网，目前这两个系统及平面控制网还处于同时并存阶段。1990年，国家测绘局组织建立了中国国家A级和B级GPS大地控制网。2000年以后，我国进行了2000国家GPS大地控制网的布设，2000国家GPS大地控制网是在国家GPSA、B级网，全国GPS一、二级网，全国GPS地壳运动监测网和中国地壳运动观测网的基础上，进行联测及整体平差，建成的全国统一的、高准确度的国家GPS大地控制网。包括1300余个A、B级、一、二级GPS网点。自此，我国建立了新一代毫米量级准确度的大地坐标框架，标志着我国在空间大地测量领域达到了世界先进水平。

高程基准方面，“九五”期间，开展了研究和建立完整覆盖我国国土（包含海洋专属经济区）的并能直接用于测绘生产的高准确度高分辨率新一代中国似大地水准面CQG2000的工作。“十五”初期（2001年），2000国家大地水准面（CQG2000）建成并正式提供使用，CQG2000的参考椭球为GRS80，覆盖范围为我国大陆和海岸线以外400km，其准确度可以满足石油勘探施工的需要。

到目前为止，新一代的国家空间大地定位基准框架已经初步形成。

二、卫星导航定位技术的发展

（一）GPS新政策与现代化

GPS是美国国防部为军事目的而研制组建的卫星导航系统。近年中，美国政府鉴于其他卫星定位系统的挑战，提出了GPS新政策与现代化计划。2000年5月1日，美国停止对GPS实施SA政策，致使广大民间用户能够获得±23m（95%置信度）的二维位置准确度、33m（95%置信度）的高程准确度和200ns（95%置信度）的时间准确度，这标志着GPS现代化的开始。GPS的现代化主要包括：2000年至2008年，改善地面监控系统；2003年至2006年，给GPSⅡR－M卫星增设L2－C码、L1－ME码和L2－ME码；2005年至2010年，给GPSⅡF卫星增设L2－C码、L1－ME码和L2－ME码以及L5导航定位信号等；2005年至2010年，开始第四代GPS卫星的研制并计划于2010年开始发射，第四代GPS卫星全部投入运行后，GPS星座将成为由33颗卫星组成的高椭圆轨道和地球静止轨道相结合的混合星座，以增强全球连续导航定位的可靠性和稳定性。据分析，2008年前后，GPS伪距测量解的单点定位准确度可望达到±5m，而载波相位测量将使动态用户获得厘米级准确度的实时点位。

（二）其他卫星导航系统的现代化

GLONASS是苏联从20世纪80年代初开始建设的卫星导航系统，于1995年完成卫星组网，卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，GLONASS的应用普及情况远不及GPS，GLONASS的导航定位准确度也逊于GPS，单点定位准确度水平方向为16m，垂直方向为25m。

Galileo卫星导航系统是欧盟自发研制的卫星定位系统，这个庞大空间项目由欧盟主导，中国、印度、以色列和乌克兰等国也参与其中。可望于2008年投入运营。该系统由30颗卫星组成，定位准确度在1m以内，Galileo系统考虑将与GPS、GLONASS的导航信号一起组成复合型卫星导航系统，因此用户接收机将是多用途、兼容性接收机。Galilean计划以民用为目的、由民间企业运营，能向客户保证24小时信号通畅。它不仅将结束美俄的垄断，而且还将为世界各国提供质量更高的服务。

我国的北斗双星导航定位系统，近年来，中国的卫星导航应用发展迅速，2000年10月和12月，我国成功发射两颗“北斗一号”工作卫星，2003年5月，又发射第三颗“北斗一号”备用卫星。这标志着我国已经拥有了完全自主的卫星导航系统，计划中的我国第二代卫星导航系统，将于2008年建成为一个区域性系统，将于2010年后建成为一个全球性的系统。北斗系统主要有三大功能：快速定位，定位准确度与GPS相当；精密授时，准确度达20ns；短报文通信，一次可传送多达120个汉字的信息。

美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo系统以及我国的北斗导航定位系统等都在不断地发展和完善中，逐步形成了多元化的空间定位环境，使得能同时接收多系统信号的定位技术已成为未来的发展方向。

三、石油物探中的大地测量技术

（一）石油物探中的大地测量基准建设

近几年，我国石油系统根据石油勘探开发的需要，分别在塔里木盆地、吐鲁番哈密盆地、柴达木盆地、鄂尔多斯盆地建立了几个区域性的高准确度GPS控制网和似大地水准面模型。这些大地测量基准的建立为物探施工、井位测定、油田建设、管线铺设等方面得到广泛应用，对“数字油田”建设具有重要的科学意义、社会效益和经济效益。

（二）石油物探中的大地测量技术的进步

1．陆上石油物探中的大地测量技术。改革开放以前，石油物探测量工作设备简陋、技术落后，一直采用的是一台经纬仪、一根测绳、两根花杆的手工作业模式。在这种模式下，测量作业效率低、准确度差，导线的准确度只有几百分之一，物理点的位置误差可达几十米。1980年初，引进了多普勒卫星定位仪MX1502、光电测距仪HP3810A、K＋E和DI4L等，测量作业的效率和准确度显著提高，导线的准确度可以达到几千分之一，物理点的位置误差提高到数米级。1990年起，引进了GPS接收机、电子全站仪等，特别是具有RTK（实时动态）功能的GPS接收机的广泛应用，使石油物探测量技术发生了一次技术革命。

（1）石油物探中的控制测量。20世纪90年代起，随着GPS卫星定位技术的逐渐成熟和石油物探行业GPS接收机的大量引进，GPS逐渐成为建立石油物探测量控制网的首选方式。2003年颁布的《SY/T5171石油物探测量规范》规定，石油物探GPS网Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级的相对准确度分别为3×10^－6、5×10^－6、10×10^－6，GPS静态相对定位技术可以很轻松地达到准确度要求，而以前普遍采用的石油物探控制导线全长相对准确度要求仅为几千分之一，可以说，GPS卫星定位技术使石油物探控制测量的准确度提高了至少两个量级。

近年来，随着物探对测量要求的提高和GPS卫星定位技术的日益完善，石油物探GPS控制网的建立可以考虑采用精密相对定位的方法。即通过与IGS跟踪站联测，采用精密星历作为起算数据，利用专业数据处理软件进行数据处理等措施，以获取长基线的高质量解，从而建立规模更大、准确度更高的石油物探GPS控制网。这种精密相对定位方法已经在国内、外的石油物探测量中得到应用。

（2）石油物探中的物理点放样。随着智能型电子全站仪和具有RTK功能的GPS接收机的广泛应用，石油物探中的物理点放样方法变得灵活多样，但基本方法是全站仪极坐标法和GPS实时动态定位法（RTK）。

从20世纪90年代中期，石油系统陆续引进了Leica TPS1000、1100等智能型电子全站仪，其测角准确度1″～3″，测距准确度2mm＋2ppm，完全能够满足物探对测量的准确度要求，丰富的应用模块可以完成灵活多样的测量、放样工作。全站仪坐标法在丛林密集区、城市建筑密集区等GPS信号不良地区几乎是一种不可替代的作业方式。

与此同时，石油系统陆续引进了TrimbleGPS4000SSE、4700、5700等具有RTK功能的GPS接收机，不仅可完成大地测量工作，而且更胜任地形测量、物探放样等工作。对于石油勘探来说，无论是物探测线设计、放样，还是成果处理，系统都提供了完整、多样、强大的功能。平面准确度10mm＋1×10^－6，高程准确度在20mm＋1×10^－6，能实时提供测站点在指定坐标系中的厘米级三维定位结果，远远高于物探对测量的准确度要求。

当今的RTK定位技术，其发展方向是网络RTK。2000年Trimble公司推出的VRS（virtual reference station）是网络RTK技术的代表。它的出现结束了以前GPS作业单打独斗的局面，使测区内每个测量员只需几秒钟就能获得厘米级准确度。同时，它将进一步提高RTK的作业范围、准确度、效率和可靠性。

（3）地震测量数据处理与质量监控软件。几年来，地震测量数据处理软件的发展迅速，1991年原物探局地调二处开发出SAAS，1997年原物探局地调四处开发出国内第一个基于WINDOWS平台的SSPS，目前国内和国际通用的软件主要有SSOffice和GPSeismic。

近年来，由东方地球物理公司自主开发的地震测量数据处理与质量监控软件“SSOffice”已经成为国内地震测量领域占主导地位的数据处理与质量控制平台。SSOffice软件自2003年6月推出测试版，目前已推出1．62中、英文版，广泛应用于国内、国际石油地震勘探测量作业。SSOffice软件操作简单、功能强大，集测线设计、原始数据处理、成果数据处理、成果格式输出等为一体。能够进行复杂的观测系统和测量标准定义，能够根据所定义的观测系统自动进行成果数据提取，根据所定义的测量标准对原始数据和成果数据进行严密的质量控制，支持全球多种参考椭球和大地水准面模型，支持多种GPS接收机和全站仪数据记录格式。

2．海上地震勘探中的导航与定位技术。海上地震勘探与陆上地震勘探相比在作业环境、技术要求、质量控制、施工方法、生产组织等都有很大的不同，需要利用信标差分技术、广域差分技术或多种差分技术相结合的方法进行导航定位并采用适当的质量控制措施，以保证导航定位的准确性和可靠性。

（1）信标差分技术。近年来，由于海洋测绘、海洋石油、海洋渔业、海上交通等行业的不断发展，作业范围越来越大，信标差分技术得到了广泛应用。

国家交通部海监局在我国沿海从南到北沿海岸线建立了20个信标台站，这些信标站24小时免费发送RTCM差分校正信息，其覆盖范围内陆是300km，在海上是400km。提供米级准确度的导航定位服务。

GPS/信标二合一接收机是将GPS接收机和信标接收机集成为一体的接收机，GPS信标机的工作模式为实时伪距差分定位。信标差分定位与RTK定位的主要区别有两个：第一，采用已有的信标台站，不需要自己的基准站；第二，采用码（伪距）观测值，定位准确度为米级。

（2）广域差分技术。海上勘探的作业区域一般离岸边的距离往往都是几十千米甚至几百千米，局域差分定位技术的作业范围是不能满足海上勘探要求的，同时利用陆上基准站进行远距离差分定位的准确度也是不能满足海上勘探要求的。

广域差分技术是在一个广大的区域范围内，建立若干GPS跟踪站组成差分GPS基准网，通过对GPS观测量的误差源加以区分，并分别对每一种误差源加以模型化，然后将计算出的每一种误差源的数值并通过无线电通信数据链传输给用户，以对用户GPS观测量加以改正，达到削弱误差源，改善定位准确度的目的。目前国外已有一些提供广域差分GPS信号服务的系统，如LandStar、OmniStar和StarFire信号服务系统。各种广域差分GPS信号服务系统由于自身的组网方案、核心算法的差别和覆盖范围的区域性，提供给用户的准确度和作业距离是不同的。

广域差分技术与现有自建基准站的差分作业相比，省去了基准站和中继站，减少了差分信号的盲区，提高了野外的作业效率。因此，广域差分技术在未来石油勘探（特别是复杂地区和远海海域）中，必将拥有广阔的应用前景。

（3）海上综合导航技术与二次定位技术。石油勘探中的海上综合导航技术是集GPS定位、声波定位、罗盘定位，水深测量、自动控制等技术于一体的实时自动控制系统。它通过获取各种不同类型传感器测出的环境状况，如风速、风向、浪高、波涌等数据和工作状况，帮助做出推理、判断与选择，并提供船舶航线、航向、航速、纵倾、舵角、发动机转数等数据。可以完成各种复杂石油地球物理勘探任务，并结合船舶自动控制技术不断地实现自动化数字勘探作业。

二次定位技术是对某一物体进行一次又一次的定位以确定其实际位置的技术手段。实际上这门技术是近几年海上石油地震勘探中，针对OBC（海底电缆地震作业）中专门提出来的一个概念。目前海上石油地震勘探中广泛采用的二次定位技术是声波二次定位技术。它可以准确有效地测出海底电缆每一检波器组的二维或三维坐标。有资料证实，在水深10m、潮流2节时，海底电缆检波器组位移误差会达到20m以上。因此，声波二次定位技术对已经沉入海底相对稳定下来的海底电缆检波器组进行二次定位测量以提供真实可靠的电缆位置是非常必要的。

目前，利用海上综合导航技术与二次定位技术基本上可以满足海上石油地震勘探5～10m的准确度要求。在未来的发展中，海上综合导航技术与二次定位技术必将随同自动控制化等其他学科技术的进一步发展而改进和完善，从而不断提高浅海过渡带地区的地震采集施工的效率和质量。

（4）海上地震勘探导航与质量监控软件。海上地震导航系统除了用于导航定位的GPS、测深仪等硬件设备外，还必须有一套相应的海上综合导航软件。导航软件在海上地震勘探中的作用是为震源船、放缆船以及其他测量船提供实时的导航定位信息，确保物理点位的准确性和整个海上地震勘探工作的顺利进行。目前，海上地震勘探所使用的导航定位软件，主要有国外的HYDRO、QINCY、GATOR等，这些导航软件各有其特色。

近年来，东方公司一直致力于开发具有自主知识产权的海上地震勘探导航定位软件，2003年，在消化吸收美国TRIMBLE公司海上导航软件HYDRO及国内外各种导航测量软件优点的基础上，开发了一套能满足浅海过渡带地震勘探施工的海上综合导航软件SShydro并得到应用。目前，正在开发功能更强大的海上地震勘探导航定位系统OBCNav和数据处理与质量监控系统OBCOffice，系统具有远程控制指挥、船只跟踪、数据实时传输、数据管理和质量控制等功能；支持多种类型的GPS接收机、测深仪、验潮仪、声学定位系统等外部设备和多种数据格式。

四、石油物探中大地测量仪器的校准

（一）大地测量仪器校准技术的进步

近年来，随着大地测量仪器的不断发展，大地测量仪器的校准技术也在不断发展和完善之中。

1．全站仪校准技术的进步。全站仪是在20世纪80年代末问世的一种测量仪器，它集成了经纬仪的测角和光电测距仪的测距功能，在此基础上，有些全站仪还增加了自动照准、激光对中等功能。并结合现代计算机的计算与存储能力，发展成为光、机、电于一体的全能型测量仪器。各种型号全站仪的测角准确度从0．5″～6″不等；测距准确度从1～3mm不等。

全站仪的校准分别执行国家颁布的《全站型电子速测仪检定规范》和《光电测距仪鉴定规范》两个检定规程，规程经多次修订，内容以日趋完善，对检定条件的要求也越来越高。检定内容主要由测角、测距两部分构成。测角检定是在经纬仪检定仪上进行的，主要检定项目有：一测回水平方向标准偏差，一测回竖直角标准偏差、视准轴误差、竖盘指标差、补偿器补偿范围、补偿器补偿准确度、横轴与竖轴的垂直度、测距轴与视准轴的重合度、对点器检校、水准器检校等。测距检定分别在长度基线场、频率室、周期误差检定平台上进行，主要检定项目有：加、乘常数检定、周期误差检定以及仪器测距的固定误差、比例误差、测距综合准确度等。

2．GPS接收机校准技术的进步。GPS接收机是GPS全球定位系统的用户部分，主要分为导航型和测地型两种，导航型接收机的准确度一般为米级，测地型GPS接收机静态相对定位的准确度可达毫米级，实时差分定位的准确度为厘米级。

我国在1995年，国家测绘局制定并颁布了测绘行业GPS检定规范，2003年修订校准规范成为国家标准。标准要求GPS接收机的校准在GPS基线网上进行，主要校准项目有天线相位中心测试、短基线测试、中长基线测试、实时差分准确度测试等。

随着电子技术的发展，大地测量仪器的功能更加强大，目前已经出现了全站仪与GPS接收机取长补短、合二为一的新机型，这为大地测量仪器的校准提出了新的课题和提高了校准难度。

近年来，中国石油集团的大地测量仪器校准技术有了长足的发展，建立于东方地球物理公司石油物探专用计量检定中心的智能全站仪检定装置和GPS定位仪检定装置标准均通过了科技成果鉴定和国家质检总局的计量标准考核，其成果属国内领先水平，其中GPS定位仪检定装置属国内首创，利用该装置可对各种类型GPS接收机进行校准。在我国测量仪器供应商和广大用户中具有较高的声誉。

（二）大地测量仪器在国外施工中的溯源

随着我国石油工业海外战略的延伸，海外勘探市场份额不断增长。为了保证勘探质量，维护企业信誉，保证国外测量仪器的准确度，按国际惯例进行溯源的问题不可避免地摆在了面前。实现对境外施工作业在用计量器具溯源问题也是中国石油集团公司近期计量工作攻关的重点课题。

有关测量仪器检定规范规定：测量仪器的校准必须在稳定可靠的基线场上进行。按照相关要求，建立一个标准基线场至少需3年时间，而设备每年从国外带回检测又有许多困难，如费用高，进出海关困难等。为加强这一工作，降低由于仪器原因造成的质量风险，确保施工质量，经过充分的调研论证，依据ISO1002《测量管理体系测量过程和测量设备的要求》国际标准对测量设备的质量控制原理，决定对大地测量仪器采用核查的办法进行溯源。核查是比检定相对低一级的计量溯源方法，对校准场地和操作的要求也略有降低，但核查场的准确度必须高于测量仪器的准确度或完全满足工程的要求，这个核查标准的建立既解决了仪器的溯源问题，又避免了仪器的搬迁和进出境困难的问题。

具体做法是：用经检定的高准确度全站仪作为传递标准代替铟瓦基线尺进行基线场的长度测量，再用经检定的高准确度的GPS接收机测定点位坐标，采用此种方法，准确度虽然比标准基线网有所降低，但仍高于施工中大地测量仪器精度。建立的核查基线场应具备的功能：全站仪加、乘常数测试；全站仪内符合准确度测试；GPS天线相位中心测试；GPS短基线准确度测试以及GPS实时动态准确度测试。对全站仪的角度测试可建立多个固定目标，依据核查规范进行。

2002年，东方地球物理公司在苏丹成功建立了第一个测量仪器核查基线场，同时还采取了一系列的配套措施，制定和颁布实施了《GPS核查规范》《全站仪核查规范》两个企业标准，培训了一批从事测量仪器核查的人员，形成了一整套国外大地测量仪器计量溯源方法。经过两次复测证明核查基线场稳定可靠，稳定性、准确度符合设计要求，得到甲方认可，已经在该地区得到应用。该方法得到了中国计量院专家认可，与国际其他著名石油公司对大地测量仪器质量控制方法类似，符合国际标准和国际惯例，具有推广价值。