申海鵬，李娟娟，姚旭升，陳 亮

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

基于精密單點定位技術(shù)的海上浮標(biāo)定位系統(tǒng)方案設(shè)計

申海鵬，李娟娟，姚旭升，陳 亮

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

為了擺脫我國在海洋石油高精度勘探領(lǐng)域?qū)饧夹g(shù)的依賴，減少海洋石油開采的成本，分析了目前我國海洋石油地震勘探領(lǐng)域主要采用的高精度定位技術(shù)和石油勘探的現(xiàn)狀，提出了一種利用精密單點定位技術(shù)（PPP）進行高精度定位解算的方法，設(shè)計了海洋浮標(biāo)高精度定位系統(tǒng)方案。模擬了靜態(tài)和動態(tài)2種工作環(huán)境，在湖上對系統(tǒng)進行了性能仿真，仿真結(jié)果表明，利用精密單點定位方法可以提高海洋石油勘探探測精度。

精密單點定位；GPS接收機；觀測量；數(shù)傳電臺

0 引言

根據(jù)國際能源署（IEA）發(fā)布的世界能源展望預(yù)測，2000～2030年，世界石油需求預(yù)計年均增長1.6%。海洋石油資源占全球石油資源總量的34%，全球海洋石油蘊藏量約1 000多億噸，進一步加快海洋石油的勘探和開發(fā)有助于緩解石油供需矛盾［1］。地震數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)是海洋石油勘探的主要核心設(shè)備之一，而具有高精度定位系統(tǒng)的地震數(shù)據(jù)采集設(shè)備能夠有效地提高海洋石油的勘探能力。由于地震數(shù)據(jù)獲取設(shè)備涉及到許多尖端技術(shù)，在引進先進的地震采集設(shè)備時，受到主要西方國家的出口限制，嚴(yán)重制約了我國地震物探事業(yè)的發(fā)展［2］。因此，成功地研發(fā)一套海洋地震勘探定位系統(tǒng)必將促進我國海上地震勘探裝備的發(fā)展。

我國地震物探引進的高精度定位系統(tǒng)，主要采用差分定位的模式獲取高精度位置，但需要額外支付差分信息服務(wù)費用或基準(zhǔn)站使用費用等。而作為目前乃至未來實時高精度動態(tài)定位主要技術(shù)手段之一的精密單點定位技術(shù)，已成為衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域所關(guān)注的熱點。本文將探討設(shè)計基于精密單點定位技術(shù)的海洋地震勘探方案。

1 精密單點定位技術(shù)

GPS精密單點定位是利用GPS衛(wèi)星的精密星歷和精密衛(wèi)星鐘差，以GPS接收機采集的觀測數(shù)據(jù)在全球范圍內(nèi)獲得實時或事后高精度定位的方法［3］。

精密單點定位技術(shù)（PPP）關(guān)鍵是得到GPS衛(wèi)星的精密星歷和精密衛(wèi)星鐘差，星歷分為廣播星歷和精密星歷［4］。International GPS Service（IGS）主要包括廣播星歷、最終精密星歷和快速精密星歷3種不同精度的星歷，可以滿足不用類型用戶的需求，其中廣播星歷可實時獲得、精度最低，一般用于低精度定位；而要高精度定位，則應(yīng)用精密星歷［5］。IGS提供的精密星歷存在時延性，快速精密星歷更新周期短，適合進行實時的位置解算；最終精密星歷更新周期略長，適合進行事后的高精度位置解算［6］。本方案通過在船上安裝互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)下載精密星歷。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 整體系統(tǒng)方案設(shè)計

整套系統(tǒng)運作圖如圖1所示。圖1直觀表現(xiàn)了維持整套系統(tǒng)運作的各個子系統(tǒng)，浮標(biāo)系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)及船上數(shù)據(jù)采集運算系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的運作流程如下：浮標(biāo)接收衛(wèi)星信號，通過無線電臺發(fā)送數(shù)據(jù)，船上的數(shù)據(jù)接收電臺收到信息后，通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C上，另外計算機通過互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信天線下載衛(wèi)星精密星歷，綜合二者，最終利用高精度定位算法軟件實時解算浮標(biāo)和船體天線的位置［7］。

圖1 整套系統(tǒng)運作

2.2 分系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 船上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

船上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由GPS接收機、無線數(shù)傳電臺、互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備和電源模塊單元組成。各部分的主要功能為：①GPS接收機接受衛(wèi)星觀測信息；②觀測數(shù)據(jù)存儲；③通過無線數(shù)傳電臺接收浮標(biāo)流動站的數(shù)據(jù)并上傳至GPS數(shù)據(jù)接收處理中心和監(jiān)控指控中心；④互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備實時下載衛(wèi)星精密星歷，并將數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)接收處理中心；⑤船上輸出直流電，通過電源轉(zhuǎn)換模塊后，分別輸出電壓供給GPS接收機、電臺模塊和GPS接收機天線。

2.2.2 浮標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計

浮標(biāo)實現(xiàn)浮標(biāo)航跡測量、提供時間統(tǒng)一信號等功能。整個系統(tǒng)由GPS天線、GPS接收機、無線數(shù)傳電臺、電臺天線以及電源變換器等組成，系統(tǒng)集成在一個封裝內(nèi)。浮標(biāo)封裝設(shè)備需要進行加固和減振設(shè)計，符合過載和沖擊振動的要求。浮標(biāo)工作原理如圖2所示。

圖2 浮標(biāo)原理

2.2.3 監(jiān)控與數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計

為了實現(xiàn)船載接收機和浮標(biāo)接收機的高精度位置實時解算，考慮到差分定位方式需要獲取差分信息，產(chǎn)生額外的費用以及后期維護，設(shè)計了精密單點定位軟件。其優(yōu)勢是不需要多個站之間的數(shù)據(jù)交互處理，單個接收機數(shù)據(jù)進行解算便可以得到厘米級的精度，但是軟件設(shè)計難度也大大提高。

2.2.4 軟件工作原理

GPS精密單點定位使用非差觀測值，沒有組成差分觀測值，定位中的所有誤差都需要考慮：①對于能精確模型化的誤差采用模型改正，這類誤差有衛(wèi)星天線相位中心的改正，各種潮汐的影響，相對論效應(yīng)等，均可以采用現(xiàn)有的模型精確改正［8］；②對于不能精確模型化的誤差加參數(shù)進行估計或使用組合觀測值。比如對流層天頂濕延遲，目前還難以用模型精確模擬，則加參數(shù)對其進行估計；而電離層延遲誤差可采用雙頻組合觀測值來消除低階項［9］。

監(jiān)控與數(shù)據(jù)處理軟件主要實現(xiàn)對多個海洋浮標(biāo)和船體位置的實時監(jiān)控，并對所有目標(biāo)的運動數(shù)據(jù)采用圖形化與數(shù)字化相結(jié)合的形式在電腦上呈現(xiàn)、保存以及事后分析。主要功能如下：①接收并解析浮標(biāo)數(shù)據(jù)；②用數(shù)字和圖形結(jié)合方式顯示接收數(shù)據(jù)；③計算浮標(biāo)距離主站的距離和方位；④保存所有接收數(shù)據(jù)；⑤能夠計算地圖中任何兩點間的距離和浮標(biāo)的航程；⑥放大／縮?。揭频貓D；⑦設(shè)置浮標(biāo)的名稱、航跡的顏色，樣式、寬度以及重點關(guān)注的參數(shù)。

3 方案應(yīng)用驗證

系統(tǒng)設(shè)計的設(shè)備最終是在海上進行作業(yè)，由于工程測試條件有限，目前只在湖面做系統(tǒng)模擬測試驗證。

3.1 電臺發(fā)送數(shù)據(jù)可用率驗證

電臺的發(fā)射功率5 W，電壓13.8 V，模擬實際使用時數(shù)據(jù)傳輸量，以及多對一的傳輸模式，按照1 s的發(fā)射時間間隔，每次傳輸數(shù)據(jù)量為0.5 kbyte。測試情況如表1所示。

表1 電臺數(shù)據(jù)測試表

為了在湖面上最大程度地模擬電臺在海上工作環(huán)境，試驗分別在靜態(tài)和動態(tài)狀態(tài)下對電臺的通信性能進行充分驗證，通過上表可以發(fā)現(xiàn)，電臺傳輸距離在6 km內(nèi)，數(shù)據(jù)可用率大于98%，工作性能穩(wěn)定。

3.2 軟件解算精度驗證

軟件驗證分2部分：快速精密星歷解算精度和最終精密解算精度的驗證。

3.2.1 快速精密星歷解算結(jié)果

軟件解算實時的定位結(jié)果用的是快速精密星歷，如圖3和圖4所示?？焖倬苄菤v的解算精度：水平精度：＜2 m（95%）；高程精度：＜3 m（95%）。

圖3 水平精度

圖4 高程精度

3.2.2 最終精密星歷解算結(jié)果

軟件解算事后的定位結(jié)果用的是最終精密星歷，如圖5和圖6所示。最終精密星歷的解算精度：水平精度：＜10 cm（95%）；高程精度：＜15 cm（95%）。

圖5 水平精度

圖6 高程精度

3.3 整套系統(tǒng)驗證

由于監(jiān)控與數(shù)據(jù)處理軟件需要實時向船載勘探設(shè)備提供定位數(shù)據(jù)，因此整套系統(tǒng)采用快速精密星歷進行位置結(jié)算。

3.3.1 整套系統(tǒng)數(shù)據(jù)可用率測試

對整套系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)可用率驗證，驗證結(jié)果如表2所示。

表2 整套系統(tǒng)（含軟件在內(nèi)）測試表

目前國內(nèi)海洋石油勘探領(lǐng)域每條連接浮標(biāo)拖纜的長度為6 km［10］，通過多次試驗，整套系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸鏈路在傳輸距離6 km內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸性能穩(wěn)定，即試驗達到了海上數(shù)據(jù)傳輸距離的要求；同時，數(shù)據(jù)可用率基本在98%以上，滿足了軟件解算定位數(shù)據(jù)時對數(shù)據(jù)可用率的要求。整套系統(tǒng)在湖面的模擬測試已經(jīng)達到要求，傳輸性能有待在海上進一步驗證。

3.3.2 整套系統(tǒng)實時定位精度測試

對整套系統(tǒng)實時定位的數(shù)據(jù)運算能力進行驗證，驗證結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 緯度精度

圖8 點位精度

整套系統(tǒng)運用快速精密星歷實時解算的精度：水平精度：＜2 m（95%）；高程精度：＜3 m（95%）。整套系統(tǒng)實時定位精度達到了海洋地震勘探采集設(shè)備對定位精度的要求。

4 結(jié)束語

根據(jù)精密單點定位技術(shù)設(shè)計的海洋石油高精度勘探方案較目前采用的差分定位模式有獨特的優(yōu)勢，該種方案不用建設(shè)基站，只需利用船上安裝的互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備下載免費的高精度精密星歷就可以實現(xiàn)高精度的定位結(jié)果，可以實現(xiàn)實時和事后2種定位結(jié)果，海上浮標(biāo)定位系統(tǒng)方案采用實時的定位結(jié)果。由于現(xiàn)實測試環(huán)境有限，系統(tǒng)在湖上對性能進行了仿真測試，并模擬了靜態(tài)和動態(tài)兩種工作環(huán)境，仿真結(jié)果表明基于精密單點定位技術(shù)可以實現(xiàn)海洋領(lǐng)域的高精度勘探。

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Design on Marine Buoy Positioning System Scheme Based on PPP

SHEN Hai-peng，LI Juan-juan，YAO Xu-sheng，CHEN Liang
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

In order to break away from the dependence on foreign technology in the field of offshore oil high-precision exploration and reduce the cost of offshore oil exploration，this paper analyzes the current situation of high-precision positioning technology and oil exploration used in the field of offshore oil earthquake exploration of China，and presents a method which uses precise point positioning to perform high-precise positioning resolution.Based on this method，this paper designs a marine buoy high-precise positioning system scheme，and simulates statistic and dynamic operating environments for system performance simulation at lake.The simulation results show that the high-precision single-point positioning method can improve the precision of marine oil exploration.

precise point positioning（PPP）；GPS receiver；observed quantity；data radio station

TP391.4

A

1003－3106（2015）10－0041－03

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.10.11

申海鵬，李娟娟，姚旭升，等.基于精密單點定位技術(shù)的海上浮標(biāo)定位系統(tǒng)方案設(shè)計［J］.無線電工程，2015，45（10）：41－43.

申海鵬男，（1987—），碩士研究生，助理工程師。主要研究方向：系統(tǒng)集成。

2015-07-05

國家部委基金資助項目。

李娟娟女，（1984—），碩士研究生，工程師。主要研究方向：導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理。