王柏楊,秦軻,單瑞,吳會勝,王振杰,曹鳳海

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266580;2. 中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所,山東 青島 266071;3.東方地球物理公司,河北 涿州 070751)

0 引 言

目前,我國資源勘探的重心正逐步向海洋轉(zhuǎn)移,用于海洋石油勘探的深海拖纜導(dǎo)航技術(shù)以及淺海海底電纜(OBC)正逐步推廣[1-2].無論是深海拖纜或淺海OBC,國內(nèi)多采用國外星站差分產(chǎn)品(OmniStar、StarFire和Veripos等)實(shí)現(xiàn)海平面高精度實(shí)時動態(tài)(RTK)定位,船載星站差分系統(tǒng)可測量和記錄任意時刻高精度的位置信息,可提供約20 cm的水平精度和30 cm垂直精度. 隨著人們對拖纜導(dǎo)航技術(shù)精度要求的逐步提高,提高海洋石油勘探拖纜技術(shù)中槍陣中心和電纜尾標(biāo)的定位精度逐漸成為了一個重要的研究課題[3].隨著RTK定位應(yīng)用的拓展,尾標(biāo)定位系統(tǒng)也隨之快速發(fā)展. 其基本原理是利用基準(zhǔn)站發(fā)來的差分信息及其位置信息,在尾標(biāo)端實(shí)時解算流動站自身的坐標(biāo),實(shí)現(xiàn)尾標(biāo)的實(shí)時高精度定位,然后再通過數(shù)據(jù)傳輸，由船基的主機(jī)接收來自副機(jī)的位置、高程和時間信息,實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)定位端的坐標(biāo)高程及時間信息的實(shí)時獲取[4].目前國內(nèi)對尾標(biāo)定位系統(tǒng)研究較少,王厚基[5-6]對尾標(biāo)定位系統(tǒng)的工作原理及其定位精度進(jìn)行了分析. 何水原[7]以Seamap公司的BUOYLINK EX尾標(biāo)定位系統(tǒng)為研究對象對其在長排列地震調(diào)查中的應(yīng)用進(jìn)行了探討. 高佩蘭等[8]對相對全球定位系統(tǒng)(RGPS)的幾種精度校檢方法進(jìn)行了探討. 但國內(nèi)鮮有學(xué)者對尾標(biāo)定位系統(tǒng)的詳細(xì)性能及核心設(shè)計進(jìn)行分析.

尾標(biāo)定位系統(tǒng)的核心是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)動對動相對定位算法,是確定待定點(diǎn)接收機(jī)相對于基準(zhǔn)站的相對位置的一種定位方式. GNSS動態(tài)相對定位是指待定點(diǎn)接收機(jī)處于運(yùn)動狀態(tài)的相對定位,即待定點(diǎn)的位置在不斷變化,典型代表有普通RTK[9-10]和網(wǎng)絡(luò)RTK[11-12]. GNSS定位中的流動站接收機(jī)和基準(zhǔn)站都處于運(yùn)動狀態(tài)時,稱為動對動定位模式. 該模式源于 Lu 等[13-14]于1994年進(jìn)行的全球定位系統(tǒng)(GPS)載體姿態(tài)測量試驗(yàn),許多學(xué)者之后對此模式進(jìn)行了深入研究[15-18],引入動力學(xué)模型并對航天器編隊(duì)飛行任務(wù)的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了計算[19]. Hermann 等[20]研究了一般形式的GPS動對動定位,得到厘米級的定位結(jié)果. 國內(nèi)喻國榮[21]深入研究了基于移動參考站的GPS動態(tài)相對定位算法. 雖然動對動定位技術(shù)已發(fā)展多年,但針對海洋石油勘探中的動對動導(dǎo)航定位研究較少.

本文在介紹基于GNSS動對動定位原理研發(fā)的尾標(biāo)定位系統(tǒng)的設(shè)計流程后,對其在海洋拖纜中的應(yīng)用過程及其定位精度進(jìn)行分析并進(jìn)行了陸上模擬測試. 測試結(jié)果表明自主研發(fā)的尾標(biāo)定位系統(tǒng)能夠達(dá)到厘米級的定位精度, 該系統(tǒng)核心GNSS板卡均為國產(chǎn),打破了國外尾標(biāo)定位系統(tǒng)設(shè)備對我國海洋石油勘探領(lǐng)域的技術(shù)壟斷.

1 尾標(biāo)定位系統(tǒng)的工作原理

1.1 GNSS動對動定位數(shù)學(xué)模型

GNSS 動對動定位本質(zhì)上是相對定位,GNSS相對定位采用數(shù)據(jù)差分技術(shù)確定待定點(diǎn)相對于參考點(diǎn)的基線向量,在動對動定位里主要采用雙差觀測值,其偽距及載波相位雙差觀測方程為

(1)

(2)

通過偽距和載波相位雙差觀測方程解算基線浮點(diǎn)解并采用MLAMBDA算法固定模糊度回帶,進(jìn)而得到高精度的基線信息.

1.2 系統(tǒng)的軟硬件組成及功能

尾標(biāo)定位系統(tǒng)是一套針對海洋尾標(biāo)高精度實(shí)時定位需求而研制的設(shè)備,由基準(zhǔn)站部分與移動定位端的流動站兩部分組成.基準(zhǔn)站部分包括動態(tài)差分信號控制板及軟件、基準(zhǔn)站處理軟件、基準(zhǔn)站通訊模塊及控制軟件.基準(zhǔn)站控制板外殼如圖1所示.

基準(zhǔn)站可與5臺或5臺以下流動站組成移動基準(zhǔn)站定位系統(tǒng),其主要功能包括:接收和解析外部定位數(shù)據(jù),將可靠的定位結(jié)果傳送給移動差分定位模塊;接收多星座(GPS/GLONASS/BDS)GNSS衛(wèi)星數(shù)據(jù),根據(jù)RTK位置產(chǎn)生差分?jǐn)?shù)據(jù),并通過電臺分時播發(fā);接收和解析流動站回傳數(shù)據(jù);與上位機(jī)連接,將自身定位數(shù)據(jù)和流動站回傳數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī);通過串口為其它設(shè)備提供定位數(shù)據(jù)服務(wù);文件傳輸協(xié)議(FTP)服務(wù)等.

基準(zhǔn)站處理軟件具有設(shè)備連接、定位數(shù)據(jù)記錄、位置展示、定位數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控、設(shè)備遠(yuǎn)程控制等功能.

流動站部分包括動態(tài)差分信號控制板及軟件、流動站通訊模塊及控制軟件.其安裝支架及外觀如圖2所示.

流動站是一套按設(shè)定參數(shù)全自動進(jìn)行RTK定位和數(shù)據(jù)回傳的設(shè)備,主要功能包括:接收多星座GNSS衛(wèi)星數(shù)據(jù);接收基準(zhǔn)站播發(fā)的移動參考差分?jǐn)?shù)據(jù),進(jìn)行高精度RTK定位解算;與上位機(jī)連接,將定位數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī);FTP服務(wù)等.

1.3 系統(tǒng)的工作原理

尾標(biāo)定位系統(tǒng)中的動態(tài)基準(zhǔn)站架設(shè)于母船之上,移動定位端安裝于尾標(biāo)浮體之上,系統(tǒng)運(yùn)行時兩端同時接收衛(wèi)星信號.基準(zhǔn)站通過端口接收由星站差分獲得的高精度位置數(shù)據(jù),同時接收GNSS原始數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)同步后,可生成RTCM 3.X格式的差分?jǐn)?shù)據(jù),同時基準(zhǔn)站能夠與尾標(biāo)移動定位端之間進(jìn)行實(shí)時通訊,將差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)至尾標(biāo)接收機(jī),尾標(biāo)接收到差分?jǐn)?shù)據(jù),通過RTK解算方式獲取實(shí)時差分位置,解算完成后,尾標(biāo)各移動定位端將定位及狀態(tài)等數(shù)據(jù)回傳到基準(zhǔn)站. 其間的數(shù)據(jù)傳輸均通過高效、低功率電臺實(shí)現(xiàn). 所得數(shù)據(jù)由基準(zhǔn)站處理軟件進(jìn)行實(shí)時地監(jiān)控與儲存. 該系統(tǒng)的工作原理如圖3所示.

圖3 尾標(biāo)定位系統(tǒng)工作原理圖

2 尾標(biāo)定位系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

在對尾標(biāo)定位系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計之后,詳細(xì)介紹各部分的設(shè)計流程并以系統(tǒng)在海洋拖纜作業(yè)中的應(yīng)用為例介紹尾標(biāo)定位系統(tǒng)的基本應(yīng)用流程.

2.1 尾標(biāo)定位系統(tǒng)的設(shè)計

系統(tǒng)研制之前,需結(jié)合海洋石油勘探的實(shí)際特點(diǎn),設(shè)計定位方案:在母船上放置一臺動態(tài)基準(zhǔn)站,移動定位端(拖纜尾標(biāo))放置兩臺GNSS流動站,與母船上的基準(zhǔn)站進(jìn)行實(shí)時差分作業(yè),整體設(shè)計方式如圖4所示.

圖4 尾標(biāo)定位系統(tǒng)整體設(shè)計圖

系統(tǒng)設(shè)計主要包括基準(zhǔn)站設(shè)計與流動站設(shè)計兩大部分.

2.1.1 基準(zhǔn)站設(shè)計

基準(zhǔn)站主要包括:動態(tài)差分信號控制板及控制軟件、基準(zhǔn)站處理軟件、基準(zhǔn)站通訊模塊及控制軟件等部分.

1)動態(tài)差分信號控制板及控制軟件

動態(tài)差分信號控制板由兩塊板卡組成:GNSS差分板和控制底板,本系統(tǒng)選用國產(chǎn)高精度GNSS板卡,為保證動態(tài)基準(zhǔn)站參考位置的精度,提供精確位置的接收機(jī)和GNSS差分板共用一個GNSS天線. 自行設(shè)計控制底板并編寫嵌入式控制軟件.

控制軟件實(shí)時緩存GNSS板卡獲取的衛(wèi)星原始觀測數(shù)據(jù),通過端口得到高精度坐標(biāo)和時間戳后,根據(jù)時間戳與原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行時間對齊,按照標(biāo)準(zhǔn)編碼格式生成差分?jǐn)?shù)據(jù),并將此差分?jǐn)?shù)據(jù)通過通訊鏈路發(fā)送至周圍流動站接收機(jī)群,流動站接收機(jī)群接收到差分?jǐn)?shù)據(jù)后實(shí)時獲取高精度定位坐標(biāo)并評估定位質(zhì)量.

2)基準(zhǔn)站處理軟件

基準(zhǔn)站處理軟件基于Windows操作系統(tǒng)設(shè)計,主要負(fù)責(zé)對移動基準(zhǔn)站進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、設(shè)備連接、定位數(shù)據(jù)接收與記錄、位置展示、定位數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控、設(shè)備遠(yuǎn)程控制等工作.

3)基準(zhǔn)站通訊模塊及控制軟件

基準(zhǔn)站電臺通訊模塊選用為定位數(shù)據(jù)傳輸專門設(shè)計的高性能數(shù)據(jù)鏈,發(fā)射功率選擇2 W,保證海上無干擾情況下傳輸距離大于2 km,通過設(shè)置使基準(zhǔn)站通訊單模塊利用時分多址方式進(jìn)行作業(yè),以便在單一電臺模塊故障情況下能保障臨時工作.

控制軟件基于Linux進(jìn)行嵌入式設(shè)計,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送、時分多址定時、數(shù)據(jù)接收與處理、指令發(fā)送、接收和解析與執(zhí)行等工作.

動態(tài)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)接收及處理過程如圖5所示.

圖5 動態(tài)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)接收及處理流程圖

2.1.2 流動站設(shè)計

流動站主要包括:動態(tài)差分信號控制板及軟件、流動站通訊模塊及控制軟件.

1)動態(tài)差分信號控制板及軟件

與基準(zhǔn)站相似,動態(tài)差分信號控制板由GNSS差分板和控制底板兩塊板卡組成. GNSS板卡依然選用國產(chǎn)GNSS高精度板卡,自行設(shè)計控制底板并編寫嵌入式控制軟件.

控制軟件能夠完成電源和信號管理、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲、指令接收與分發(fā)、電臺數(shù)據(jù)分時控制和動態(tài)差分?jǐn)?shù)據(jù)接收及處理、GNSS差分板數(shù)據(jù)接收和解析等工作. 控制軟件可通過電臺獲取差分?jǐn)?shù)據(jù).

將完整的差分?jǐn)?shù)據(jù)包傳送給差分板,接收差分板定位成果數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析,提取有效定位結(jié)果和質(zhì)量信息,進(jìn)行本地存儲并通過控制實(shí)時發(fā)送給母船.控制軟件還需實(shí)時接收并執(zhí)行本地(通過端口)或遠(yuǎn)程發(fā)送的指令,進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)上傳、下載等.

2)流動站通訊模塊及控制軟件

流動站通訊模塊類似于基準(zhǔn)站通訊模塊,采用時分多址方式進(jìn)行作業(yè). 控制軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送、時分多址定時、數(shù)據(jù)接收與處理、指令發(fā)送、接收和解析與執(zhí)行等工作.

流動站尾標(biāo)數(shù)據(jù)處理技術(shù)路線圖如圖6所示.

圖6 流動站數(shù)據(jù)處理技術(shù)路線圖

2.2 尾標(biāo)定位系統(tǒng)在海洋拖纜作業(yè)中的應(yīng)用

2.2.1 尾標(biāo)定位系統(tǒng)的安裝

首先將基準(zhǔn)站處理軟件安裝至母船操作站并進(jìn)行調(diào)試,安裝調(diào)試完成后將GNSS天線與基準(zhǔn)站高增益天線在遠(yuǎn)離金屬無遮擋物的地方固定好,并通過GNSS饋線將兩天線連接至基準(zhǔn)站. 母船啟航前在港口內(nèi)進(jìn)行連續(xù)開機(jī)測試,觀察靜止?fàn)顟B(tài)下設(shè)備和軟件的工作狀態(tài),確保正常運(yùn)行后將流動站安裝于尾標(biāo)浮體之上,安裝完成后即可自動通電運(yùn)行. 流動站架設(shè)如圖7所示.

圖7 流動站架設(shè)

2.2.2 尾標(biāo)定位系統(tǒng)的運(yùn)行

各設(shè)備安裝完成并進(jìn)行供電后,通過基準(zhǔn)站處理軟件執(zhí)行設(shè)備連接命令,輸入相應(yīng)的接口參數(shù)即可連接成功,隨后利用該軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控. 母船到達(dá)施工海域后,將攜帶流動站的尾標(biāo)浮體隨拖纜放入海中,基準(zhǔn)站在動態(tài)狀況下接收外部高精度坐標(biāo)并實(shí)時產(chǎn)生差分?jǐn)?shù)據(jù),通過電臺進(jìn)行播發(fā),同時接收流動站回傳數(shù)據(jù)并通過自主開發(fā)的基準(zhǔn)站處理軟件進(jìn)行監(jiān)控. 處理軟件可獲得相對位置等信息,輸出并保存.RGPS格式的文件,這些數(shù)據(jù)最終將為綜合導(dǎo)航系統(tǒng)所用.

3 實(shí)驗(yàn)測試與分析

為確保系統(tǒng)能夠滿足尾標(biāo)高精度實(shí)時定位的需要,有必要在出廠前進(jìn)行一系列測試.測試項(xiàng)目主要包括測試尾標(biāo)定位系統(tǒng)所用電臺模塊的傳輸距離及穩(wěn)定性、尾標(biāo)定位系統(tǒng)的定位精度等.

3.1 尾標(biāo)定位系統(tǒng)電臺模塊的傳輸距離及穩(wěn)定性分析

3.1.1 電臺傳輸距離及穩(wěn)定性測試方案

架設(shè)一套RTK系統(tǒng)用來模擬星站差分系統(tǒng),為尾標(biāo)定位系統(tǒng)的基準(zhǔn)站提供高精度的外部坐標(biāo),如圖8所示.

圖8 架設(shè)RTK系統(tǒng)

將流動站架設(shè)在轎車車頂,模擬尾標(biāo)浮體的運(yùn)動,如圖9所示,基準(zhǔn)站放置于SUV車上,模擬船舶的行駛,如圖10所示. 在動態(tài)狀況(40 km/h)下基準(zhǔn)站接收外部高精度坐標(biāo),實(shí)時產(chǎn)生差分?jǐn)?shù)據(jù)并通過電臺進(jìn)行播發(fā),接收流動站回傳數(shù)據(jù)并通過基準(zhǔn)站處理軟件進(jìn)行監(jiān)控,以不同行駛速度、不同加速度測試電臺傳輸距離及穩(wěn)定性.

圖9 架設(shè)流動站

圖10 架設(shè)基準(zhǔn)站

3.1.2 電臺傳輸距離及穩(wěn)定性分析

經(jīng)過測試,基準(zhǔn)站設(shè)備連續(xù)運(yùn)動狀態(tài)下(40 km/h),電臺在2 km距離范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定地完成雙向數(shù)據(jù)傳輸功能,其中最大的距離可達(dá)2 047 m. 2 km范圍內(nèi)的解狀態(tài)如表1所示.極限測試結(jié)果表明在3.6 km距離處,基準(zhǔn)站和流動站之間還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊,同時流動站獲得部分固定解,基準(zhǔn)站獲得返回的部分坐標(biāo)成果如表2所示.

表2 極限條件下的解狀態(tài)

由測試結(jié)果可知,在2 km范圍內(nèi)基準(zhǔn)站能夠獲得連續(xù)穩(wěn)定的固定解,所采用的電臺模塊傳輸距離及穩(wěn)定性可以滿足海上導(dǎo)航定位的需求.

3.2 尾標(biāo)定位系統(tǒng)的定位精度分析

3.2.1 尾標(biāo)定位系統(tǒng)的定位精度測試方案

將流動站架設(shè)在檢定場檢定位置上并進(jìn)行連續(xù)坐標(biāo)采集;在另一已知點(diǎn)上架設(shè)一套RTK系統(tǒng),作為外部坐標(biāo)提供源,為尾標(biāo)流動站提供高精度的外部坐標(biāo);尾標(biāo)定位系統(tǒng)的基準(zhǔn)站跟隨運(yùn)動載體進(jìn)行不規(guī)則的運(yùn)動,同時播發(fā)差分?jǐn)?shù)據(jù),記錄流動站回傳的實(shí)時坐標(biāo). 對尾標(biāo)定位系統(tǒng)的精度測試分兩部分,第一部分測試為靜態(tài)測試,尾標(biāo)定位系統(tǒng)的基準(zhǔn)站處于靜止?fàn)顟B(tài),對流動站數(shù)據(jù)進(jìn)行長時間連續(xù)記錄和采集;第二部分為動態(tài)測試,基準(zhǔn)站無規(guī)律運(yùn)動,對流動站數(shù)據(jù)進(jìn)行長時間連續(xù)記錄和采集.

3.2.2 尾標(biāo)定位系統(tǒng)的定位精度分析

由于流動站所在檢定位置的精確坐標(biāo)已知,便于進(jìn)行精度評價. 分別對靜態(tài)測試與動態(tài)測試的結(jié)果進(jìn)行精度統(tǒng)計,記錄不同范圍均方根值(RMS) 的歷元數(shù)及占總歷元百分比,如表3所示.

表3 精度統(tǒng)計表

通過表3可以看出,基準(zhǔn)站靜止時,平面位置精度在5 cm以內(nèi)的歷元數(shù)能夠達(dá)到總歷元的96.3%;在10 cm以內(nèi)的能夠達(dá)到99.5%.高程位置精度在5 cm以內(nèi)的,能夠達(dá)到93.2%;在10 cm以內(nèi)的能夠達(dá)到99.1%.

在基準(zhǔn)站運(yùn)動時,平面位置精度在5 cm以內(nèi)的歷元數(shù),能夠達(dá)到總歷元的99.2%;在10 cm以內(nèi)的,能夠達(dá)到99.97%.高程位置精度在5 cm以內(nèi)的,能夠達(dá)到98.7%;在10 cm以內(nèi)的能夠達(dá)到99.8%.

由以上結(jié)果可以看出,該尾標(biāo)定位系統(tǒng)能夠基本實(shí)現(xiàn)厘米級別的相對定位精度,其定位效果可以滿足實(shí)際生產(chǎn)中海上對于導(dǎo)航定位的需求.

4 結(jié)束語

本文針對自主研發(fā)的尾標(biāo)定位系統(tǒng)詳細(xì)闡述了設(shè)計流程并進(jìn)行了性能分析. 測試結(jié)果表明自主研發(fā)的尾標(biāo)定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定且能夠達(dá)到厘米級的定位精度,流動站實(shí)時相對定位精度不大于0.1 m,其定位效果可滿足實(shí)際生產(chǎn)中對于導(dǎo)航定位的需求. 對于尾標(biāo)定位系統(tǒng)應(yīng)用時的特殊情況,如氣候條件惡劣或母船轉(zhuǎn)彎時衛(wèi)星信號出現(xiàn)中斷、產(chǎn)生浮動解等,在保障定位精度的情況下,研究平滑算法,預(yù)計能達(dá)到更好的應(yīng)用效果.

本文研發(fā)的基于動對動定位技術(shù)的尾標(biāo)定位系統(tǒng),其基準(zhǔn)站發(fā)送的差分信號不僅限于應(yīng)用于尾標(biāo)定位系統(tǒng)流動站,還可應(yīng)用于有效范圍內(nèi)所有的定位設(shè)備,均可達(dá)到厘米級的定位效果,可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行擴(kuò)展. 由于此系統(tǒng)為國產(chǎn)設(shè)備,既能打破國外設(shè)備商的壟斷,同時大大降低了初始投資成本，可提高后期維護(hù)效率,有廣闊的應(yīng)用前景.