韓 菲， 黃洪波， 繆佳佳， 許春鳳

(1.中國(guó)地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100102； 2.中地裝〈北京〉科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100120)

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，地質(zhì)勘探裝備信息化需求是必然的發(fā)展趨勢(shì)。本文介紹了基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，綜合集成移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)、寬帶衛(wèi)星通信、智能傳感和移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)，構(gòu)建地勘裝備信息化的總體思路和方案框架，實(shí)現(xiàn)地勘裝備的定位、授時(shí)、監(jiān)控和管理，搭建地勘裝備北斗監(jiān)控與信息服務(wù)平臺(tái)，解決野外地質(zhì)勘探急需的多層次、多手段應(yīng)急通信保障、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息一體化采集與處理、集群作業(yè)調(diào)度與管理等需求，加強(qiáng)對(duì)野外地質(zhì)勘探隊(duì)伍的高效安全監(jiān)控、對(duì)同地質(zhì)隊(duì)或同礦區(qū)設(shè)備的便捷協(xié)同指揮、對(duì)野外施工地質(zhì)裝備設(shè)備的快速故障診斷、運(yùn)行狀態(tài)分析及售后服務(wù)保障能力，提供優(yōu)質(zhì)、高效的裝備支撐與信息服務(wù)，提升我國(guó)地勘裝備整體現(xiàn)代化和信息化服務(wù)水平。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)介

北斗系統(tǒng)是我國(guó)自主研制、分步建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行，并與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容共用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，目前可為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的快速定位導(dǎo)航和精密授時(shí)服務(wù)，并兼具獨(dú)特的短報(bào)文通信功能。

1.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展歷程

1994年北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)啟動(dòng)建設(shè)，中國(guó)開(kāi)始試驗(yàn)從覆蓋本土、到亞太地區(qū)、再為全球提供服務(wù)的“三步走”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)之路。2000年發(fā)射的兩顆“北斗一號(hào)”衛(wèi)星組成的“北斗一號(hào)”系統(tǒng)使中國(guó)成為世界上除美俄之外第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家[1]，但“北斗一號(hào)”系統(tǒng)與美俄衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比缺陷明顯：系統(tǒng)覆蓋范圍較窄，僅可以為本土提供區(qū)域有源定位服務(wù)；定位精度較低、定位時(shí)間較長(zhǎng)；用戶容量有限等[2]。2012年年底，“北斗二號(hào)”系統(tǒng)構(gòu)建了實(shí)時(shí)連續(xù)導(dǎo)航與定位相融合的北斗技術(shù)體制[3]，可以向亞太地區(qū)提供無(wú)源定位、測(cè)速、授時(shí)及短報(bào)文通信服務(wù)。目前，我國(guó)正在實(shí)施“北斗三號(hào)”系統(tǒng)建設(shè)，2018年底已完成基本系統(tǒng)建設(shè)，正式向全球提供服務(wù)。預(yù)計(jì)于2020年將全面建成“北斗三號(hào)”系統(tǒng)，全方位提升系統(tǒng)服務(wù)性能，為全球提供更優(yōu)質(zhì)服務(wù)，2035年前還將建設(shè)完善更加泛在、更加融合、更加智能的綜合定位導(dǎo)航授時(shí)(PNT)體系[4]。

1.2 北斗系統(tǒng)的性能特點(diǎn)

北斗系統(tǒng)目前提供的定位、授時(shí)、短報(bào)文通信服務(wù)性能如下：水平、高程的定位精度均優(yōu)于10 m(95%置信度)，測(cè)速精度優(yōu)于0.2 m/s(95%置信度)，授時(shí)精度優(yōu)于20 ns(95%置信度)，其中在亞太大部分地區(qū)的水平、高程的定位精度均優(yōu)于5 m(95%置信度)，授時(shí)精度優(yōu)于10 ns[5]。北斗短報(bào)文通信功能理論上的傳輸能力達(dá)1680 bit(約120個(gè)漢字)/次[6]。

北斗系統(tǒng)雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，具有獨(dú)特的后發(fā)優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)[7]：

一是北斗系統(tǒng)的安全可控性，具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，擺脫了對(duì)國(guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的依賴。

二是北斗系統(tǒng)獨(dú)特融合了導(dǎo)航定位與短報(bào)文通信功能，在公共通信網(wǎng)絡(luò)中斷或無(wú)通信網(wǎng)絡(luò)地區(qū)，也可實(shí)現(xiàn)雙向通信。

三是北斗系統(tǒng)空間段采用傾斜地球同步軌道衛(wèi)星(IGSO)、中圓地球軌道衛(wèi)星(MEO)、地球同步軌道衛(wèi)星(GEO)三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強(qiáng)，區(qū)域性能增強(qiáng)，尤其在東盟國(guó)家等低緯度地區(qū)性能更為優(yōu)良。

四是北斗系統(tǒng)是全球第一個(gè)具備三頻完整服務(wù)能力的導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠通過(guò)多頻信號(hào)組合使用等方式提高定位精度和可靠性[8]。

1.3 北斗系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，北斗產(chǎn)業(yè)已經(jīng)基本形成從芯片、終端到系統(tǒng)集成應(yīng)用和運(yùn)營(yíng)的完整產(chǎn)業(yè)鏈?！吨袊?guó)衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(2019)》顯示，2018年我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)值達(dá)3016億元，產(chǎn)業(yè)核心產(chǎn)值達(dá)1069億元，北斗對(duì)產(chǎn)業(yè)的核心產(chǎn)值貢獻(xiàn)率達(dá)80%。北斗產(chǎn)品已從軍工國(guó)防應(yīng)用擴(kuò)展到交通運(yùn)輸、救災(zāi)減災(zāi)、精細(xì)農(nóng)業(yè)、海洋漁業(yè)、氣象預(yù)報(bào)、林業(yè)監(jiān)管等民用領(lǐng)域的行業(yè)應(yīng)用，并逐步向人民日常生活方面滲透。

在軍工國(guó)防領(lǐng)域，北斗系統(tǒng)產(chǎn)品在部隊(duì)已大范圍普及，主要用于部隊(duì)執(zhí)行任務(wù)時(shí)的精確導(dǎo)航和定位、武器的精確制導(dǎo)、異常情況下的通信等[9]。在民用領(lǐng)域，目前國(guó)家在大力推進(jìn)北斗深度軍民融合，推動(dòng)北斗系統(tǒng)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用。在交通運(yùn)輸行業(yè)，交通運(yùn)輸部獲批啟動(dòng)北斗應(yīng)用首個(gè)示范項(xiàng)目，目前在公路、水路、鐵路、郵政等方面應(yīng)用效果良好。據(jù)中國(guó)交通運(yùn)輸部報(bào)道，全國(guó)已有超過(guò)617萬(wàn)輛道路營(yíng)運(yùn)車輛、3.5萬(wàn)輛郵政和快遞運(yùn)輸車輛、36個(gè)中心城市約8萬(wàn)輛公交車、370艘交通運(yùn)輸公務(wù)船舶使用或兼容北斗系統(tǒng)，提升了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，降低了資源消耗、運(yùn)輸成本，保障了交通及道路運(yùn)輸?shù)陌踩Ｔ诰葹?zāi)減災(zāi)方面，北斗系統(tǒng)首次應(yīng)用于2008年汶川大地震的應(yīng)急救援，救援部隊(duì)在公共通信設(shè)施已癱瘓的情況下通過(guò)北斗短報(bào)文通信報(bào)告了災(zāi)情及受災(zāi)準(zhǔn)確位置。民政部的北斗減災(zāi)應(yīng)用平臺(tái)應(yīng)用于全國(guó)31個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)，覆蓋從部到村(社區(qū))六級(jí)層級(jí)，研制部署了5萬(wàn)余臺(tái)災(zāi)情直報(bào)型、車輛監(jiān)控型及應(yīng)急救援型三類終端，持續(xù)推進(jìn)提升重大災(zāi)情應(yīng)急救助的信息保障能力。在精細(xì)農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面，北斗農(nóng)業(yè)已在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)與黑龍江農(nóng)墾大量應(yīng)用，并逐步向北京、遼寧、湖北等十余省拓展。無(wú)人駕駛、精細(xì)插秧收割、變量播種、土地整理等前沿技術(shù)已引領(lǐng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。近年來(lái)共享單車、網(wǎng)約車、智能手機(jī)、北斗穿戴式設(shè)備等一系列北斗應(yīng)用產(chǎn)品也不斷在人們?nèi)粘Ｉ钪杏楷F(xiàn)。北斗系統(tǒng)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師楊長(zhǎng)風(fēng)多次提出：“2035年前，我國(guó)將以北斗系統(tǒng)為核心構(gòu)建起覆蓋空天地海、高精度安全可靠、萬(wàn)物互聯(lián)萬(wàn)物智能的新時(shí)空體系。”隨著北斗系統(tǒng)的完善和服務(wù)能力的不斷提升，以北斗系統(tǒng)的定位、授時(shí)、短報(bào)文通信技術(shù)服務(wù)為核心，基于5G技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、智能化等新興技術(shù)的不斷發(fā)展，北斗產(chǎn)業(yè)與各行業(yè)的應(yīng)用模式創(chuàng)新及高度融合將引領(lǐng)北斗全產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，迎來(lái)北斗更加高速的發(fā)展時(shí)期。

2 勘探裝備的北斗系統(tǒng)應(yīng)用需求

相對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械、交通運(yùn)輸工具等行業(yè)，地質(zhì)勘探裝備規(guī)模較小，發(fā)展相對(duì)較慢，但是因其顯著的野外作業(yè)工作特點(diǎn)、礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)安全、地質(zhì)勘探隊(duì)伍管理水平的提升以及信息化智能化等新技術(shù)的高速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，近年來(lái)，地質(zhì)勘探裝備的智能化、信息化需求日益強(qiáng)烈，北斗系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用為滿足上述需求提供了一條可行的道路。

2.1 地勘裝備高質(zhì)量發(fā)展的需求

地勘裝備的高質(zhì)量發(fā)展主要源于行業(yè)發(fā)展的3個(gè)重點(diǎn)變化：一是勘探作業(yè)新的趨勢(shì)。全球地質(zhì)勘探正在逐步從淺層到深部、從簡(jiǎn)單地質(zhì)條件到復(fù)雜地質(zhì)條件、從陸地到海域、從淺水區(qū)到深水區(qū)發(fā)展。二是勘探技術(shù)快速發(fā)展。鉆探技術(shù)向大深度、復(fù)雜地層探索，物探技術(shù)和方法呈現(xiàn)高密度、網(wǎng)絡(luò)化、分布式、節(jié)點(diǎn)式等發(fā)展特點(diǎn)。三是施工單位快速發(fā)展。地質(zhì)勘探單位基于成本、效率和競(jìng)爭(zhēng)力考慮，對(duì)地勘裝備的水平和性能提升提出了更高的要求。地勘裝備的高質(zhì)量發(fā)展對(duì)于全天候、全天時(shí)的定位、授時(shí)、同步和通信具有較高要求。

2.2 地勘裝備運(yùn)維管理的需求

隨著深部找礦戰(zhàn)略的實(shí)施，地質(zhì)勘查重點(diǎn)由淺表向深部、隱伏和難采區(qū)域拓展，地勘裝備作業(yè)環(huán)境惡劣、偏遠(yuǎn)、信息阻斷嚴(yán)重，運(yùn)維管理成本高、難度大，充分利用北斗系統(tǒng)集定位、授時(shí)、短報(bào)文通信于一體的優(yōu)勢(shì)，可以使地質(zhì)裝備野外工作的運(yùn)維管理更加高效、快捷和方便，提高效率、降低成本。使用基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的授時(shí)、定位、短報(bào)文等服務(wù)，對(duì)裝備制造企業(yè)而言，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備故障提前預(yù)報(bào)、全生命周期售后服務(wù)、市場(chǎng)分析預(yù)測(cè)和大數(shù)據(jù)增值應(yīng)用服務(wù)成為可能；對(duì)裝備使用單位而言，可有效降低管理成本、實(shí)現(xiàn)高效的生產(chǎn)調(diào)度、完善設(shè)備維護(hù)計(jì)劃、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)便捷處理。同時(shí)，基于同一數(shù)據(jù)來(lái)源的線上數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，可實(shí)現(xiàn)裝備制造企業(yè)與使用單位的零距離接觸，實(shí)現(xiàn)快速處理事故、提高服務(wù)質(zhì)量和響應(yīng)速度。

2.3 保障國(guó)家信息安全、保障國(guó)家戰(zhàn)略安全的需求

目前地勘裝備領(lǐng)域，尤其是物探儀器，大多使用基于GPS系統(tǒng)的產(chǎn)品，從國(guó)家戰(zhàn)略角度考慮，尤其是當(dāng)前中美貿(mào)易沖突的大環(huán)境下，作為國(guó)家重要的細(xì)分行業(yè)，存在極大的安全隱患。使用基于國(guó)產(chǎn)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的地勘裝備等，進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查、資源能源勘探等，可以確保資源、礦產(chǎn)采集勘探信息等不被監(jiān)控，資源分布、探測(cè)深度等重要數(shù)據(jù)不會(huì)泄露等，確保國(guó)家信息安全。

3 地勘裝備的北斗系統(tǒng)應(yīng)用研究

基于北斗系統(tǒng)與地勘裝備需求的優(yōu)越功能匹配性、北斗系統(tǒng)的日益成熟和廣泛應(yīng)用以及地勘裝備智能化信息化的強(qiáng)烈需求，中裝集團(tuán)作為我國(guó)地勘裝備全產(chǎn)品鏈條的龍頭制造企業(yè)，“十三五”期間，結(jié)合國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和北斗導(dǎo)航專項(xiàng)，圍繞地勘裝備的北斗系統(tǒng)應(yīng)用，部署了一系列應(yīng)用研究和開(kāi)發(fā)任務(wù)，取得了一定的進(jìn)展。

3.1 總體思路

圍繞地勘裝備行業(yè)的供給側(cè)改革和安全自主可控兩大目標(biāo)，堅(jiān)持“創(chuàng)新、融合、提升、增值”，以北斗系統(tǒng)基礎(chǔ)服務(wù)應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合地勘裝備特點(diǎn)充分利用北斗系統(tǒng)特色服務(wù)，加強(qiáng)通信、網(wǎng)絡(luò)、信息等新技術(shù)融合和標(biāo)準(zhǔn)引導(dǎo)，針對(duì)不同的應(yīng)用條件、用戶需求和產(chǎn)品形態(tài)，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，構(gòu)建多層次、多方法、多用戶類型對(duì)象的地勘裝備北斗系統(tǒng)應(yīng)用產(chǎn)品和服務(wù)體系。

3.2 總體技術(shù)框架

地勘裝備的北斗系統(tǒng)應(yīng)用，以建立地勘裝備北斗系統(tǒng)位置授時(shí)通信數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為基礎(chǔ)，分析地勘裝備不同的應(yīng)用條件、用戶需求和產(chǎn)品形態(tài)下的北斗應(yīng)用需求，自主研發(fā)組合式、模塊化的不同功能終端，通過(guò)內(nèi)嵌、前裝或者后裝方式集成在鉆探、物探等地勘裝備上，實(shí)現(xiàn)本地應(yīng)用或者通過(guò)采取不同的通信方式組合(2G、3G、4G、5G以及有線、衛(wèi)星通信等)，傳輸?shù)交诠性苹蛘咚接性茦?gòu)建的后臺(tái)云平臺(tái)進(jìn)行處理，結(jié)合用戶不同的操作環(huán)境和需求，基于嚴(yán)格的權(quán)限管理體系，形成不同方式的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和交互系統(tǒng)。在系統(tǒng)大范圍應(yīng)用的基礎(chǔ)上，可以基于北斗系統(tǒng)應(yīng)用的大規(guī)模使用，形成海量數(shù)據(jù)，通過(guò)大數(shù)據(jù)挖掘和分析，為地質(zhì)勘探的數(shù)據(jù)增值服務(wù)奠定基礎(chǔ)?？傮w技術(shù)框架詳見(jiàn)圖1。

圖1 地勘裝備北斗系統(tǒng)應(yīng)用總體技術(shù)框架圖Fig.1 Overall technical framework of BDS application in geological exploration equipment

3.3 鉆探裝備北斗應(yīng)用方案

鉆探裝備的北斗應(yīng)用終端按照模塊化方式，按不同的應(yīng)用需求和應(yīng)用環(huán)境，通過(guò)不同功能模塊的組合，主要可以形成3類產(chǎn)品形態(tài)。

一是基本型應(yīng)用終端，采用黑匣子形態(tài)，具有北斗/GPS基本定位功能，定位精度為米級(jí)，選用低數(shù)據(jù)傳輸量的2G通信模塊，體積小巧，無(wú)蓄電池可外接電源或使用太陽(yáng)能電池，可通過(guò)地質(zhì)勘探云服務(wù)平臺(tái)對(duì)所安裝鉆探裝備的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取和動(dòng)態(tài)跟蹤。

二是標(biāo)準(zhǔn)型應(yīng)用終端，可作為監(jiān)控終端外接不同傳感器等采集鉆探裝備設(shè)備和工作參數(shù)，可將采集數(shù)據(jù)記錄并通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸量較高的3G/4G等通信模塊傳輸至地質(zhì)勘探云服務(wù)平臺(tái)。無(wú)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下可采用短報(bào)文通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)控終端的主要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括：電機(jī)電流、大鉤載荷、鉆壓、鉆頭扭矩、立軸轉(zhuǎn)速、鉆進(jìn)速度、卡盤狀態(tài)、泥漿泵流量、泥漿泵水壓等。

三是定制型應(yīng)用終端，根據(jù)用戶需求定制鉆探裝備北斗終端，根據(jù)裝備類別選用前裝、后裝或內(nèi)置安裝方式，定制終端的數(shù)據(jù)傳輸方式，實(shí)現(xiàn)位置信息、設(shè)備參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、音視頻實(shí)時(shí)顯示等多功能應(yīng)用。無(wú)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境可應(yīng)用寬帶通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控及數(shù)據(jù)傳輸。

圖2為鉆探裝備北斗應(yīng)用終端的硬件模塊示意圖，包括：

圖2 鉆探裝備北斗應(yīng)用終端硬件模塊示意圖Fig.2 Schematic diagram of application terminal hardware modules of BDS for drilling equipment

(1)MCU系統(tǒng)：北斗終端的核心控制管理單元，完成對(duì)各功能接口及外圍電路的配置、管理和控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信模塊的驅(qū)動(dòng)、協(xié)議與信息交互等。

(2)北斗定位導(dǎo)航模塊：接收北斗/GPS/GLO衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)現(xiàn)單系統(tǒng)獨(dú)立定位及多系統(tǒng)聯(lián)合定位。短報(bào)文通信功能根據(jù)鉆探裝備所在應(yīng)用區(qū)域選用。

(3)通信模塊：將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線的方式傳輸?shù)皆品?wù)器或者用戶電腦、手機(jī)端的模塊，按不同的傳輸網(wǎng)絡(luò)類型可分為2G模塊、3G模塊、4G模塊、WIFI模塊、藍(lán)牙模塊等。2G模塊適用數(shù)據(jù)需求量不高的終端，例如單純的米級(jí)定位需求；3G模塊應(yīng)用于數(shù)據(jù)量要求較高領(lǐng)域，例如設(shè)備參數(shù)的采集傳輸?shù)龋?G模塊適合速率要求更高的音、視頻監(jiān)控傳輸領(lǐng)域；WIFI、藍(lán)牙等模塊適用于傳輸距離比較近的數(shù)據(jù)采集。

(4)SIM卡接口：插接用戶識(shí)別模塊(SIM)卡，使用SIM卡實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信功能。

(5)電源模塊：為MCU、通信模塊等提供穩(wěn)定的工作電壓，鉆探裝備無(wú)蓄電池的安裝環(huán)境可以考慮使用太陽(yáng)能發(fā)電或外接電源。

(6)數(shù)據(jù)采集模塊：將安裝在鉆探裝備上的壓力、拉力、電流、行程、流量等不同傳感器數(shù)據(jù)采集發(fā)送至MCU。

(7)顯示模塊：終端的監(jiān)測(cè)顯示單元，包括監(jiān)控顯示屏等。

(8)音視頻模塊：根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用需求選用該模塊，包括高清攝像頭、硬盤錄像機(jī)等，實(shí)現(xiàn)野外現(xiàn)場(chǎng)狀況遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)視功能。

(9)其他外部接口及功能模塊：通過(guò)豐富的接口保證各種功能的正常運(yùn)行。

需要特別指出的是，針對(duì)部分野外地質(zhì)作業(yè)環(huán)境無(wú)網(wǎng)絡(luò)通信條件的情況，除了可以采用北斗雙向短報(bào)文通信功能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單管理功能外，中裝集團(tuán)依托IPSTAR寬帶通信衛(wèi)星開(kāi)發(fā)了一整套可實(shí)現(xiàn)野外作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的語(yǔ)音、視頻、網(wǎng)絡(luò)功能的井場(chǎng)作業(yè)及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，圖3為系統(tǒng)拓?fù)鋱D，包括IPSTAR關(guān)口站、井場(chǎng)端站及主控中心。

圖3基于IPSTAR通信衛(wèi)星的大型地質(zhì)勘探作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通信和監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D
Fig.3Topology of IPSTAR communication satellite based communication and monitoring system for large-scale geological exploration fields

(1)IPSTAR關(guān)口站，提供IPSTAR通信衛(wèi)星系統(tǒng)與主控中心之間的接口，為用戶終端提供基于IP的包交換等。中國(guó)地區(qū)的關(guān)口站分別位于北京、上海和廣州，相互之間通過(guò)地面光纜相連接，通信容量約12 Gbps。

(2)井場(chǎng)端站，將安裝或集成定制型北斗終端的鉆探裝備、攝像頭、錄像機(jī)等監(jiān)控設(shè)備、語(yǔ)音終端、網(wǎng)絡(luò)中斷等通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)形成局域網(wǎng)，交換機(jī)通過(guò)IPSTAR Modem(IPSTAR室內(nèi)單元)和ODU(IPSTAR室外發(fā)送/接收單元)接入IPSTAR寬帶衛(wèi)星，將采集到的鉆探裝備位置、運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)音視頻等數(shù)據(jù)傳輸至IPSTAR衛(wèi)星，IPSTAR衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至IPSTAR關(guān)口站后可通過(guò)鋪設(shè)IP專線或互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)确绞降葌鬏斨恋刭|(zhì)勘探云服務(wù)平臺(tái)。

(3)主控中心，作為監(jiān)控視頻中心和控制中心，并可接入內(nèi)部辦公系統(tǒng)等。

3.4 物探裝備北斗應(yīng)用方案

北斗系統(tǒng)在物探儀器中的應(yīng)用，主要可以分為3類。

一是定位型應(yīng)用，簡(jiǎn)單獲取儀器所在位置信息。如在重力儀器中內(nèi)置集成具有北斗/GPS基本定位功能的北斗定位模塊，定位精度為米級(jí)，用于實(shí)時(shí)獲取測(cè)量點(diǎn)位置信息，用于固體潮計(jì)算從而對(duì)重力讀數(shù)進(jìn)行自動(dòng)改正[10]。

二是定位授時(shí)和同步應(yīng)用，可滿足地震儀器、電磁法儀器等米級(jí)、厘米級(jí)定位及秒級(jí)、微秒級(jí)、納秒級(jí)授時(shí)等不同精度的應(yīng)用需求，可精確獲得所測(cè)站點(diǎn)的位置信息，同時(shí)利用北斗系統(tǒng)進(jìn)行同步授時(shí)。地震儀器或電磁法儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，所有數(shù)據(jù)采集和控制站點(diǎn)需要同一時(shí)刻同步采集數(shù)據(jù)。北斗授時(shí)模塊可在任意時(shí)刻根據(jù)北斗衛(wèi)星的廣播信息或者與北斗衛(wèi)星地面中心站進(jìn)行信息交互獲得本地時(shí)間與北斗標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)間差，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，并同時(shí)輸出高精度的1PPS同步脈沖信號(hào)用于多通道數(shù)據(jù)采集與控制的同步[11-12]。

三是綜合應(yīng)用?；诒倍范虉?bào)文通信應(yīng)用，結(jié)合移動(dòng)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物探儀器工作狀態(tài)檢測(cè)、采集數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、設(shè)備參數(shù)遠(yuǎn)程配置、儀器防盜等功能，可覆蓋移動(dòng)通信盲區(qū)。圖4為物探儀器分布式網(wǎng)絡(luò)化工作模式拓?fù)鋱D。在移動(dòng)通信盲區(qū)，每個(gè)采集單元的儀器開(kāi)機(jī)后通過(guò)短報(bào)文通信模塊上傳采集站基本信息及工作狀態(tài)，北斗指揮機(jī)接收信息并傳至主控中心上位機(jī)，可通過(guò)主控中心上位機(jī)查看所有儀器的運(yùn)行狀態(tài)。所有儀器開(kāi)機(jī)后，主控中心通過(guò)北斗指揮機(jī)發(fā)布監(jiān)控命令，采集單元接收命令后根據(jù)指令完成相應(yīng)數(shù)據(jù)采集操作，將采集信息及數(shù)據(jù)反饋回主控中心。在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)，每個(gè)采集單元可通過(guò)內(nèi)置的4G或其他移動(dòng)通信模塊連接到主控中心的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集傳輸[13-15]，對(duì)接地勘裝備北斗監(jiān)控與信息服務(wù)平臺(tái)。

圖4 物探儀器裝備分布式網(wǎng)絡(luò)化工作模式拓?fù)鋱DFig.4 Topology of distributed networked working mode for geophysical prospecting instrumentation

3.5 勘探裝備北斗監(jiān)控和信息服務(wù)平臺(tái)

地勘裝備北斗監(jiān)控與信息服務(wù)平臺(tái)基于前裝/后裝或內(nèi)置北斗終端/模塊獲得地勘裝備的位置、時(shí)間、狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息，可以實(shí)現(xiàn)面向地質(zhì)裝備制造單位實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆探設(shè)備動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)控和分析，以及設(shè)備故障的遠(yuǎn)程診斷功能，為建立全國(guó)范圍的地質(zhì)裝備運(yùn)營(yíng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)；面向用戶使用單位實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程作業(yè)監(jiān)控、指揮、調(diào)度，為鉆探單位提供“私有云”服務(wù)。同時(shí)，在不具備移動(dòng)通信信號(hào)的偏僻野外作業(yè)場(chǎng)地，可具有數(shù)據(jù)交換和語(yǔ)音交換通信環(huán)境；通過(guò)集成北斗/GNSS地質(zhì)裝備的大規(guī)模部署和應(yīng)用，幫助國(guó)家地質(zhì)勘探行業(yè)管理部門了解全國(guó)勘探工作整體情況、設(shè)備開(kāi)工情況等，為政府管理部門和企業(yè)決策提供數(shù)據(jù)支撐、預(yù)測(cè)市場(chǎng)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。平臺(tái)主要功能如下：

(1)網(wǎng)絡(luò)查詢及地圖總覽：在系統(tǒng)平臺(tái)上，通過(guò)瀏覽器，在網(wǎng)上隨時(shí)瀏覽地質(zhì)裝備編號(hào)、所屬單位、當(dāng)前工作地點(diǎn)及運(yùn)行狀態(tài)等。

(2)設(shè)備管理：對(duì)地質(zhì)裝備的工程數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)工況數(shù)據(jù)采集，可根據(jù)具體客戶需求提供不同類型的數(shù)據(jù)，包括儀表盤顯示、曲線顯示、數(shù)值顯示等。

(3)設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷及預(yù)警：鉆探裝備可以將現(xiàn)場(chǎng)狀況以視頻形式傳輸給項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、技術(shù)服務(wù)人員和專家，并可通過(guò)音頻功能與現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行溝通，判斷現(xiàn)場(chǎng)故障信息；可實(shí)現(xiàn)裝備實(shí)時(shí)報(bào)警。

(4)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)回收：利用數(shù)據(jù)采集或短報(bào)文通信功能，根據(jù)用戶需求可實(shí)現(xiàn)鉆探裝備、物探儀器野外施工作業(yè)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回傳或定時(shí)回傳，使遠(yuǎn)程監(jiān)控野外采集數(shù)據(jù)質(zhì)量、集中處理解釋野外數(shù)據(jù)成為可能。

(5)歷史報(bào)表及實(shí)時(shí)報(bào)表：對(duì)地質(zhì)裝備工況、作業(yè)人員、鉆進(jìn)參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄及匯總形成班報(bào)表。

(6)歷史數(shù)據(jù)查詢功能：通過(guò)時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，并提供歷史數(shù)據(jù)的查詢。

(7)用戶權(quán)限管理功能：按照用戶管理級(jí)別為用戶分級(jí)授權(quán)，通過(guò)不同級(jí)別的賬號(hào)登錄，基于系統(tǒng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)、視頻等資源，實(shí)現(xiàn)不同用戶所轄地質(zhì)裝備的有效管理。同一級(jí)別用戶之間相互獨(dú)立；上一級(jí)用戶可以管理下一級(jí)用戶，權(quán)限越高的上級(jí)用戶可以查看到更多資源。

(8)平臺(tái)可兼容各種PC端、智能手機(jī)APP客戶端等。

4 結(jié)語(yǔ)

按照“服務(wù)地勘、創(chuàng)新應(yīng)用、增值引導(dǎo)、產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)”的原則，基于我國(guó)自主研制建設(shè)運(yùn)營(yíng)的北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)，融合移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星通信等技術(shù)，結(jié)合地勘裝備智能化、信息化的要求，重點(diǎn)部署前端模塊終端和后端應(yīng)用平臺(tái)研發(fā)，并以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等為支撐，強(qiáng)化地勘裝備數(shù)據(jù)化和服務(wù)化，是地勘裝備制造行業(yè)推進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級(jí)，提升地勘裝備安全、高效、綠色、智能水平，實(shí)施地質(zhì)裝備供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的重要方向。