伍習軍，趙戌未，王樹林

用DGPS雙天線系統(tǒng)校驗定位輔助設(shè)備的方法探討

伍習軍，趙戌未，王樹林

（中國石化集團上海海洋石油局第一海洋地質(zhì)調(diào)查大隊，上海 201208）

隨著GPS技術(shù)的快速發(fā)展，使用DGPS定位的精度越來越高，這就為物探船上定位輔助設(shè)備的精確校準與校驗提供了可能。通過對發(fā)現(xiàn)六號物探船定位輔助設(shè)備的校準與校驗，初步形成了一套比較可行的作業(yè)方法。此文結(jié)合校驗方法及其可行有效性分析，詳細闡述了校驗方法，并試圖對校驗誤差來源進行探討，以期提高對定位輔助設(shè)備校準與校驗的精確度。

GPS；校驗；物探船；定位輔助設(shè)備

由于多纜物探船拖帶的電纜長（8至10千米甚至更長）、電纜數(shù)多（12纜、16纜甚至更多），為了確保物探作業(yè)所獲資料的精度與可靠性，必須有效地獲取地震電纜與震源點的位置，而這些位置的獲取及其精度與可靠性的保證，離不開物探船上滿足精度要求的電羅經(jīng)、RGPS等定位輔助設(shè)備的連續(xù)正常工作，所以定期對這些定位輔助設(shè)備進行校驗是很有必要的。根據(jù)相關(guān)國家（行業(yè)）標準與規(guī)范，按以往的慣例，對物探船上的電羅經(jīng)、RGPS等定位輔助設(shè)備的校驗常采用先建立校驗場（測定基線與基準點3個）再用光電測距與測方位的方法。這也是一種常規(guī)通用的方法，但該方法要求校驗場的基點與物探船的船首與船尾中心點通視，特別是當多纜物探船在茫茫大海上施工作業(yè)時尤顯無能為力。由于發(fā)現(xiàn)六號船尚處于整船建造完工收尾階段，船體較高，所?？康拇a頭周邊沒有合適的位置用于建立校驗場的基點。在此條件下，考慮采用DGPS雙天線來校驗該船的電羅經(jīng)、RGPS等定位輔助設(shè)備，其方法就是通過同時觀測安裝在船頭與船尾中心的DGPS天線位置坐標，通過一系列的運算求解出兩個天線點的距離與方位，以這兩組數(shù)據(jù)為參考，對同時觀測的電羅經(jīng)數(shù)據(jù)和RGPS尾標的數(shù)據(jù)進行比較與評判，而完成對電羅經(jīng)與RGPS尾標的校驗，簡稱為DGPS雙天線校驗法。

1 方法的可行性分析

從數(shù)學與測量學的角度來說，只要知道兩個點的坐標，通過簡單的計算與收斂角的改正，就可以求解出該兩點連線的方位角度；獲取未知點的坐標，不外乎兩種方法，其一是利用已知的控制點（兩個或兩個以上的點）通過測距與測量方位來解算得出所觀測點的坐標（未知點的坐標），這也就是常規(guī)的光電測距與測方位校驗法的理論基礎(chǔ)；其二就是目前用得非常廣泛的直接采用DGPS來給未知點定位（觀測坐標）的方法，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)如今，差分GPS普遍采用了相位差分的模式，比較以往的偽距差分GPS在定位的精度與解算的速度以及數(shù)據(jù)的可靠性方面均得到了很大的改善，有關(guān)GPS及DGPS的原理與運用[1]，很多書籍均有介紹，這里不再累牘?，F(xiàn)在，用于工程施工的DGPS儀器，其單點動態(tài)定位精度已經(jīng)能達到厘米級，如圖1所示，當相距50 m的兩天線位置，相互偏離0.2 m時，兩天線所在位置點的方位角度偏差為0.229 2 °；當相距50 m的兩天線位置相互偏離0.1 m時，兩天線所在位置點的方位角度偏差為0.114 6 °。可見，采用高精度（厘米級）DGPS的雙天線法來校驗電羅經(jīng)、RGPS等定位輔助設(shè)備 （定向精度一般為0.5 °、0.2 °）是可行的。

圖1 角度偏差比對

2 方法的實施細則

2.1準備工作

（1）DGPS儀器選用：選用兩套高精度的DGPS儀器，其單點動態(tài)定位精度盡可能達到厘米級，當然是精度越高越好、性能越穩(wěn)定越好，并做好相應(yīng)的檢驗與檢定。

（2）DGPS天線的安裝：其中一臺DGPS天線（主DGPS天線）安裝在船舶駕駛臺的桅桿上或船頭的前甲板中部，在后甲板上層的尾部中間附近位置安裝另一臺DGPS天線（輔DGPS天線），安裝時應(yīng)確保兩臺DGPS天線的連線方向與船舶龍骨線即船艏向保持平行，亦即主、輔DGPS天線的位置應(yīng)在船舶龍骨線的同一側(cè)且偏離船舶龍骨線的距離相等（圖2）。

（3）精確測量出RGPS主臺位置相對于主DGPS天線位置的橫偏距X與縱偏距Y。在校驗RGPS時，其尾標應(yīng)放在輔DGPS天線的正下方并量取兩者的高度差值，同時，量取出RGPS的主臺處位置與尾標處位置間的高度差值。

（4）電羅經(jīng)至少運轉(zhuǎn)24 h、船體穩(wěn)定地靠在碼頭至少2 h后，才能開始校準；校準時應(yīng)確保各時間（測量時鐘、導航系統(tǒng)時鐘，與GPS時鐘）同步，并將數(shù)據(jù)記錄齊全。

本次發(fā)現(xiàn)六號物探船定位用的DGPS為C-NAV 3050G定位設(shè)備，該設(shè)備是目前精度最高的一種相位差分GPS，其標稱精度為：水平位置＜15 cm，垂直位置＜30 cm；船上擁有的兩臺C-NAV 3050G定位設(shè)備已通過上海權(quán)威計量校準部門檢驗。

2.2校準

2.2.1 電羅經(jīng)的校準

（1）啟動運行導航系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的羅經(jīng)校正值設(shè)置為0，電羅經(jīng)的緯度補償設(shè)置為基準點的緯度，速度補償設(shè)置為0，用導航系統(tǒng)實時記錄電羅經(jīng)的讀數(shù)和時間。

（2）與此同時，用導航系統(tǒng)實時記錄主、輔DGPS輸出的坐標數(shù)據(jù)，根據(jù)船舶所停靠的位置,選用合適的坐標系（如WGS-84）、中央經(jīng)線（如123 °）、平面坐標的投影方式（如高斯投影）等。

（3）在60 ～ 90 min內(nèi)采集測量值。

（4）按目前規(guī)范，應(yīng)將船調(diào)向180 °、穩(wěn)定2 h后，重復采集60 ～ 90 min的測量值。

（5）從導航系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)文件中提取出有用的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括時間、電羅經(jīng)讀數(shù)、主DGPS天線點處的平面坐標、輔DGPS天線點處的平面坐標。

（6）對完整的記錄結(jié)果進行計算處理，并做出統(tǒng)計分析，做出電羅經(jīng)的穩(wěn)定性評價。

2.2.2 RGPS的準靜態(tài)校準

（1）啟動RGPS系統(tǒng)、電羅經(jīng)、主輔DGPS、綜合導航系統(tǒng)，各系統(tǒng)內(nèi)的校正值均設(shè)置為0。

（2）檢查RGPS輸出類型。

（3）當儀器均工作正常了后，導航系統(tǒng)同時記錄電羅經(jīng)和RGPS數(shù)據(jù)以及主、輔DGPS輸出的坐標數(shù)據(jù)，每個尾標觀測時間不少于15 min。

（4）從導航系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)文件中提取出有用的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括：時間、RGPS數(shù)據(jù)（距離d與方位角α）、電羅經(jīng)讀數(shù)、主DGPS天線點處的平面坐標、輔DGPS天線點處的平面坐標，對采集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及DGPS系統(tǒng)的、電羅經(jīng)的校正值。

（5）使用記錄的數(shù)據(jù)計算RGPS的測量誤差。

（6）編寫校正報告，所有的原始記錄數(shù)據(jù)應(yīng)作為報告的基礎(chǔ)部分。

圖2 地震采集定位輔助設(shè)備校準示意圖

3 方法的實證分析

根據(jù)以上的分析論證，同時也為了盡快有效地完成對發(fā)現(xiàn)六號物探船的電羅經(jīng)、RGPS等定位輔助設(shè)備的校驗，本單位組織相關(guān)人員于2013年9月22日上午開始對該船的定位輔助設(shè)備進行校驗，當天就對該船上的兩套電羅經(jīng)（單個方向）及部分RGPS尾標完成了校驗，如圖3所示，為兩臺C-NAV 3050G現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)所獲得的離散圖。

從離散圖可以看出，兩臺DGPS離散性非常好，位置也比較穩(wěn)定，為高精度地校驗電羅經(jīng)與RGPS提供了技術(shù)支撐。表1為主、輔電羅經(jīng)校驗成果表（一部分），從表中可以看出，主、輔電羅經(jīng)存在一個偏差，這應(yīng)該是羅經(jīng)安裝固定時產(chǎn)生的。

圖3 主（左圖）、輔（右圖）

由于系首次采用該方法，于2013年10月24日至25日在崇明上海船廠碼頭，再次對發(fā)現(xiàn)六號的電羅經(jīng)（兩個相反方向）進行了校準和檢查，結(jié)果見表1和表2。

根據(jù)測得的結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

（1）主、輔電羅經(jīng)工作性能穩(wěn)定可靠（雖然船體牢牢地固定在碼頭邊，但隨著潮水的波動，會有輕微的擺動，電羅經(jīng)的讀數(shù)也跟隨有很小的變化，三套系統(tǒng)所測得的船艏向通過連續(xù)觀測也沒有出現(xiàn)大的跳變值）。

（2）本次測定的羅經(jīng)偏差值為：主羅經(jīng)為0.065 °（羅經(jīng)東偏），輔羅經(jīng)為-0.055 °（羅經(jīng)西偏）；考慮到通過DGPS雙天線得出的船艏向也有一定的誤差，而羅經(jīng)偏差值又比較小，所以，可以對電羅經(jīng)測定的船艏向不做補償。

（3）綜合分析差值的均方根和所有校準值的標準偏差（＜0.1°）可以得出，采用DGPS雙天線法來校驗羅經(jīng)是完全有效可行的；同樣用于校驗RGPS尾標也是可行有效的。

表1 電羅經(jīng)校驗成果

表2 電羅經(jīng)校驗成果

4 方法評價

常規(guī)通用的用光電測距與測方位的方法來校驗電羅經(jīng)與RGPS尾標，誤差的主要來源是光電測量（距離與方位角）系統(tǒng)本身的測量誤差以及觀測置于船頭與船尾中點上的激光棱鏡的時間有一個間隔，而且該方法還受到作用距離短、氣候干擾、校驗場選址與建立困難等諸多局限性，特別是觀測置于船頭與船尾中點上的激光棱鏡的非同時性無法避免，使得在用常規(guī)方法校驗時船必須穩(wěn)定地固靠在碼頭邊，?？吭诤＿叴a頭的物探船總會受海水潮漲潮落的影響有些擺動，這一因素給用常規(guī)方法對物探船定位輔助設(shè)備的校驗帶來一定的誤差。而采用DGPS雙天線校驗法，由于兩天線點的距離與方位角求解用的坐標數(shù)據(jù)是根據(jù)GPS時間來同步的，同步的精度達到1 s以內(nèi)，這樣，一方面有效避免了常規(guī)校驗方法在觀測兩目標點時的不同步性，提高了校驗的精度，另一方面擴大了該方法的使用范圍，因為只要有兩套已經(jīng)校驗的高精度DGPS（單點定位精度達到厘米級），從理論的角度來說，就可以在任何時候任何海域?qū)Υ系亩ㄎ惠o助設(shè)備進行校驗[2]，即使在物探船正常作業(yè)時亦可以進行，這對多纜物探船來說是非常有實用價值的，一方面，可以提高工作效率，另一方面，可以極大地降低成本?？紤]到電羅經(jīng)方向跟蹤的滯后性與DGPS點位坐標解算的時效性，在進行校驗時，物探船舶還是應(yīng)處于錨泊狀態(tài)，狀態(tài)越穩(wěn)定越好，當然，用于校驗的兩DGPS天線安裝位置在保證兩天線點的連線與船艏向一致的前提下間距越遠越好。

[1] 王廣運，郭秉義，等．差分GPS定位技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，1996．

[2] 伍習軍，童辛濤，方志遠．GPS在海域鉆井平臺拖航就位中的應(yīng)用[J]．海洋石油，2004，24（2）：113-116．

Discussion of the DGPS Dual Antenna System Method for Checking the Auxiliary Positioning Devices

WU Xijun, ZHAO Xuwei, WANG Shuling
（No.1Marine Geological Investigation Party of Shanghai Offshore Petroleum Bureau,SINOPEC,Shanghai201208,China）

with the rapid development of GPS technology, the accuracy of DGPS positioning becomes higher and higher, which makes it possible for precise calibration and verification of positioning auxiliary device in geophysical prospecting ship. Through calibration and verification of the auxiliary equipment of the Discoverer Six, a set of feasible operation method for calibration and verification of the auxiliary equipment have been developed. In this paper, calibration method and feasibility of calibration and verification have been described in detail, and error sources during calibration and verification are discussed in order to improve the calibration and verification accuracy of positioning auxiliary equipment.

GPS; check; geophysical vessel; positioning auxiliary devices

P715.4+1

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2014.03.109

1008-2336（2014）03-0109-06

2013-12-12；改回日期：2014-02-17

伍習軍，男，1968年生，高級工程師，1992年畢業(yè)于武漢大學電儀專業(yè)，從事海洋物探工作。

E-mail：wuxijun@sopgc.com。