震源導航系統的研發及應用

宋占武，曹鳳海，甄建光，陳繼紅，張曉盟

(中國石油集團東方地球物理公司，河北涿州072751)

一、背景介紹

石油勘探作為國家石油戰略的重要保障，在整個國民經濟的發展中占有重要地位。可控震源作為地震勘探的非爆炸作業方式，在國內外勘探生產中發揮著重要作用。近年來，隨著高效采集技術及精細化勘探的出現，震源作業過程中對位置的要求越來越高，主要表現在兩方面，一是定位精度要求高;二是定位速度要求快，以滿足震源日產萬炮的需求。這種情況下，傳統的測量放樣物理點，震源找點作業的方式已經遠遠不能滿足施工的要求。

將RTK定位技術與可控震源相結合，可保證震源箱體的位置精度提高到RTK級別，使其可以在沒有地面標志物指引的情況下，自導航完成高精度作業。國外FirFly、Sercel公司以及國內的部分GPS廠商有針對震源高效采集作業的導航產品，但是都存在著兼容性差、不能完全滿足生產需求等缺點。

由東方地球物理公司裝備服務處測量中心自主研發的VNSCommander 1000系列震源導航產品，可以兼容目前公司各種型號的震源箱體。同時，在定位精度、可靠性以及環境適應性方面能夠完全滿足野外生產的要求。

二、系統組成及設計

VNS Commander 1000震源導航系統由震源GPS接收機、導航軟件、電臺和衛星天線以及其他各種外部配件組成。整套系統采用模塊化、集成化的設計理念，對系統硬件設備和導航軟件進行了整體設計和開發。

1．震源GPS接收機

震源接收機以GPS OEM板、工業級電腦板及ADL電臺模塊為核心，通過自主設計的PCB電路板將各功能模塊組合為一個協同工作的整體。如圖2所示為震源GPS接收機內部。

圖1 震源導航系統整體連接示意圖

圖2 震源GPS接收機內部

(1)GPSOEM板卡的應用

GPSOEM板采用Trimble公司的BD950板卡，技術參數如下：

24個信道：L1 C/A碼，L2C碼，L1/L2全相位載波，WAAS/EGNOS;

天寶Maxwell 5高級民用測量技術;

噪音極低的L1/L2載波相位測量，1 Hz帶寬內的精度＜1mm;

應用成熟的天寶低仰角跟蹤技術;

通信輸出接口：4 x RS232端口- 波特率高達115 200;

輸出 格式：NMEA-0183，AVR，GSV，HDT，VGK，VHD，ROT，GGK，GGA，GSA，ZDA，VTG，GST，PJT，和 PJK，GSOF，RT17 輸出，1PPS輸出;

對外接口：I/O DIN41612 64-pin連接器

天線：SMC

對于GPSOEM板卡，根據實際應用需要，主要解決3方面的問題：

1)板卡的供電。震源GPS接收機采用外部電源供電，在實際應用中，使用的是震源車上12V供電電源，而OEM板卡需要的電壓為5V，因此需要通過降壓電路對系統電源進行降壓，降壓電路如圖3所示。

圖3 系統降壓電路面

2)定位模式的選擇。BD950在定位模式上支持同步RTK及低延時RTK兩種。同步RTK的定位精度為厘米級，但是其定位延時為0．5 s，對于時間性要求較高，以PPS信號為箱體同步信號的震源設備來說，0．5 s的定位延時較長;而低延時定位模式下，定位精度只比同步模式稍差，時間延時只有20ms，能夠滿足震源箱體對時間的要求。

3)定位數據的解算。震源導航系統在工作過程中，需要兩路GPS定位數據，一路為提供給箱體的NMEA0183格式的MYMGPGGA數據;另一路為提供給導航軟件的定位數據，主要包括位置、時間、速度、衛星信息等數據。

對于Trimble的OEM板卡，兩個RS232串口不能輸出同樣類型的數據，因此，必須對Trimble二進制定位數據格式GSOF進行全面解析來滿足導航的需求。

(2)ADL電臺模塊的應用

電臺模塊ADL-Foundation是美國PCC公司針對野外作業無線傳輸而生產的一款數傳電臺模塊，其最大的特點就是兼容多種電臺通信協議，如Trimmark II、Trimmark III、TT450S 等，基本涵蓋了目前野外施工中測量基準站電臺所用協議，這樣，就能使震源導航系統在施工中，與測量組使用統一基準站，便于系統的使用和維護。

圖4 ADL-Foundation

2．震源導航軟件

震源導航軟件采用模塊化設計理念，軟件界面風格及操作與東方地球物理公司自有測量品牌GeoSNAP系列產品保持一致，成果數據庫與最新版“地震測量數據處理與質量監控系統”SSOffice3．0通用，震源作業成果庫可直接使用SSOffice3．0進行處理及質量檢查與控制。導航地圖采用東方公司具有自主知識產權的BGPGIS地理信息平臺進行處理，圖5為震源導航軟件主界面。

圖5 震源導航軟件主界面

軟件特點主要包括：

1)內置工區地圖，提供行進路線參考和安全預警。

2)為箱體輸出高精度坐標數據和PPS信號。

3)自動按預定規則進行導航并記錄成果，方便更換施工計劃。

4)實現生產全過程監控。

5)實時監控箱體激發質量信息。

鉤蟲性十二指腸炎綜合征常規的診斷方法主要是以大便常規集卵檢查為主，該法存在陽性率及準確性低等問題，常采用較可靠的飽和鹽水漂浮法和鉤蚴培養法進行診斷，但實際臨床工作中其陽性率極低且培養時間長。近年來，電子胃鏡的普遍應用及其操作方法的改良，鉤蟲性十二指腸炎綜合征的檢出率逐年增加。電子胃鏡圖像清晰、動靜結合且具有放大功能等特點，同時可鉗出送檢以及內鏡的普及與發展，是診斷鉤蟲性十二指腸炎綜合征的可靠手段，其提高了診斷的陽性率及準確性，有效地避免誤診、漏診的發生，同時也為治療提供了依據。

6)根據震源箱體TB信號自動存儲測量成果，跳轉到下一個導航目標點。

7)兼容多種原始數據格式。

圖6為導航系統軟件結構圖，軟件共包括項目建立及配置、數據采集、震源接收機配置、物理點數據加載及地圖顯示、導航及震源工作狀態監控等功能模塊。軟件的數據中心負責所有數據的處理，包括項目屬性數據庫的管理、GSOF定位數據的解析及應用、差分數據的轉發、震源工作狀態的監控、物理點數據的加載及導航地圖的操作等。

圖6 震源導航系統軟件結構圖

三、系統應用情況

1．系統定位可靠性對比試驗

在震源導航系統RTK定位級別的指揮下，震源車可以在地面沒有任何標志物的情況下自主進行采集作業，在工作效率上要比傳統的人工指揮到點工作方式高很多。對于VNS Commander 1000震源導航系統，筆者將其與Trimble R7接收機進行了連續采集物理點坐標的可靠性比對試驗。

對比試驗結果表明，VNSCommander 1000震源導航系統采集的物理點坐標與R7相比，在X方向差小于5 cm，Y方向差小于7 cm，H方向差小于10 cm。考慮到野外施工中，“龐大”的震源車到點精度1m以內就符合作業要求，這個量級的可靠性誤差是能夠滿足震源自導航施工標準的。

圖7 與Trimble R7對比試驗

2．系統生產應用

近年來，隨著高效采集技術的不斷出現，如交替掃描(Flip Flop)、滑動掃描(Flip Sweep)、獨立震源工作模式(Independent Simultaneous Source)等，無樁號震源導航作業的應用已經成為地震勘探領域的熱點發展趨勢之一，單臺震源激發狀態和參數的實時監控與自主導航有了完善的解決方案。

東方地球物理公司吐哈物探處震源滑動掃描高效采集技術經過近幾年的試驗積累，已經逐步走向實際生產應用階段。2011年下半年吐哈油田在鄯善薩克桑地區部署280 km2的三維勘探任務，采集激發方式為可控震源滑動掃描，總激發點數達到17萬多炮;2012年鄯勒三維激發點總數達到11萬多炮，計劃施工平均日效4300炮以上。利用震源導航系統實現高效采集作業中震源操作手可視化RTK自主導航，改進原有震源RTD導航主要依靠儀器操作員監控震源位置，現場人工指揮震源車到位的工作模式，將有效減少生產指揮的風險，提高震源到位速度和精準度，以實現高效采集中精確、快速導航的目的。

吐哈探區震源導航系統推進應用工作分3個階段進行：第1階段在鄯善薩克桑三維項目進行震源導航技術配套VE464箱體激發與428地震儀器協同試驗生產應用。第2階段在2012年鄯勒三維項目完成震源導航技術配套“先進3”箱體與G3i地震儀器協同生產應用。第3階段在探區逐步推行震源激發點導航成果替代物探測量RTK放樣激發點成果，提高項目運行效率。

經過實際應用證明，東方地球物理公司自主研發的震源導航系統運行穩定，RTK定位精度高、可靠性強，能夠兼容目前主流震源箱體，如VE464、“先進3”等，同步信號能夠保證428、G3i等儀器的施工要求，能夠完全滿足高效采集作業對震源自導航技術的要求。

圖8 震源導航系統的安裝

四、結束語

VNSCommander 1000震源導航系統的成功研發和應用，填補了東方公司在該領域的空白，隨著震源高效采集技術在國內外探區的逐步推廣，震源導航系統必將得到越來越廣泛的使用。

隨著我國北斗衛星導航系統的發展以及網絡差分數據技術的普及，VNSCommander 1000震源導航系統在多系統兼容、數據無線傳輸、兼容網絡差分數據等方面也將作進一步的升級和改進。

(略)