國產尾標定位系統的研究及應用

王柏楊,秦軻,單瑞,吳會勝,王振杰,曹鳳海

(1. 中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院,山東 青島 266580;2. 中國地質調查局青島海洋地質研究所,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移,用于海洋石油勘探的深海拖纜導航技術以及淺海海底電纜(OBC)正逐步推廣[1-2].無論是深海拖纜或淺海OBC,國內多采用國外星站差分產品(OmniStar、StarFire和Veripos等)實現海平面高精度實時動態(RTK)定位,船載星站差分系統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. 隨著人們對拖纜導航技術精度要求的逐步提高,提高海洋石油勘探拖纜技術中槍陣中心和電纜尾標的定位精度逐漸成為了一個重要的研究課題[3].隨著RTK定位應用的拓展,尾標定位系統也隨之快速發展. 其基本原理是利用基準站發來的差分信息及其位置信息,在尾標端實時解算流動站自身的坐標,實現尾標的實時高精度定位,然后再通過數據傳輸，由船基的主機接收來自副機的位置、高程和時間信息,實現該系統定位端的坐標高程及時間信息的實時獲取[4].目前國內對尾標定位系統研究較少,王厚基[5-6]對尾標定位系統的工作原理及其定位精度進行了分析. 何水原[7]以Seamap公司的BUOYLINK EX尾標定位系統為研究對象對其在長排列地震調查中的應用進行了探討. 高佩蘭等[8]對相對全球定位系統(RGPS)的幾種精度校檢方法進行了探討. 但國內鮮有學者對尾標定位系統的詳細性能及核心設計進行分析.

尾標定位系統的核心是全球衛星導航系統(GNSS)動對動相對定位算法,是確定待定點接收機相對于基準站的相對位置的一種定位方式. GNSS動態相對定位是指待定點接收機處于運動狀態的相對定位,即待定點的位置在不斷變化,典型代表有普通RTK[9-10]和網絡RTK[11-12]. GNSS定位中的流動站接收機和基準站都處于運動狀態時,稱為動對動定位模式. 該模式源于 Lu 等[13-14]于1994年進行的全球定位系統(GPS)載體姿態測量試驗,許多學者之后對此模式進行了深入研究[15-18],引入動力學模型并對航天器編隊飛行任務的實測數據進行了計算[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果. 國內喻國榮[21]深入研究了基于移動參考站的GPS動態相對定位算法. 雖然動對動定位技術已發展多年,但針對海洋石油勘探中的動對動導航定位研究較少.

本文在介紹基于GNSS動對動定位原理研發的尾標定位系統的設計流程后,對其在海洋拖纜中的應用過程及其定位精度進行分析并進行了陸上模擬測試. 測試結果表明自主研發的尾標定位系統能夠達到厘米級的定位精度, 該系統核心GNSS板卡均為國產,打破了國外尾標定位系統設備對我國海洋石油勘探領域的技術壟斷.

1 尾標定位系統的工作原理

1.1 GNSS動對動定位數學模型

GNSS 動對動定位本質上是相對定位,GNSS相對定位采用數據差分技術確定待定點相對于參考點的基線向量,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解并采用MLAMBDA算法固定模糊度回帶,進而得到高精度的基線信息.

1.2 系統的軟硬件組成及功能

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

基準站可與5臺或5臺以下流動站組成移動基準站定位系統,其主要功能包括:接收和解析外部定位數據,將可靠的定位結果傳送給移動差分定位模塊;接收多星座(GPS/GLONASS/BDS)GNSS衛星數據,根據RTK位置產生差分數據,并通過電臺分時播發;接收和解析流動站回傳數據;與上位機連接,將自身定位數據和流動站回傳數據發送至上位機;通過串口為其它設備提供定位數據服務;文件傳輸協議(FTP)服務等.

基準站處理軟件具有設備連接、定位數據記錄、位置展示、定位數據質量監控、設備遠程控制等功能.

流動站部分包括動態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.

流動站是一套按設定參數全自動進行RTK定位和數據回傳的設備,主要功能包括:接收多星座GNSS衛星數據;接收基準站播發的移動參考差分數據,進行高精度RTK定位解算;與上位機連接,將定位數據發送至上位機;FTP服務等.

1.3 系統的工作原理

尾標定位系統中的動態基準站架設于母船之上,移動定位端安裝于尾標浮體之上,系統運行時兩端同時接收衛星信號.基準站通過端口接收由星站差分獲得的高精度位置數據,同時接收GNSS原始數據,進行數據同步后,可生成RTCM 3.X格式的差分數據,同時基準站能夠與尾標移動定位端之間進行實時通訊,將差分數據播發至尾標接收機,尾標接收到差分數據,通過RTK解算方式獲取實時差分位置,解算完成后,尾標各移動定位端將定位及狀態等數據回傳到基準站. 其間的數據傳輸均通過高效、低功率電臺實現. 所得數據由基準站處理軟件進行實時地監控與儲存. 該系統的工作原理如圖3所示.

圖3 尾標定位系統工作原理圖

2 尾標定位系統的設計及應用

在對尾標定位系統進行整體設計之后,詳細介紹各部分的設計流程并以系統在海洋拖纜作業中的應用為例介紹尾標定位系統的基本應用流程.

2.1 尾標定位系統的設計

系統研制之前,需結合海洋石油勘探的實際特點,設計定位方案:在母船上放置一臺動態基準站,移動定位端(拖纜尾標)放置兩臺GNSS流動站,與母船上的基準站進行實時差分作業,整體設計方式如圖4所示.

圖4 尾標定位系統整體設計圖

系統設計主要包括基準站設計與流動站設計兩大部分.

2.1.1 基準站設計

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

1)動態差分信號控制板及控制軟件

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

控制軟件實時緩存GNSS板卡獲取的衛星原始觀測數據,通過端口得到高精度坐標和時間戳后,根據時間戳與原始觀測數據進行時間對齊,按照標準編碼格式生成差分數據,并將此差分數據通過通訊鏈路發送至周圍流動站接收機群,流動站接收機群接收到差分數據后實時獲取高精度定位坐標并評估定位質量.

2)基準站處理軟件

基準站處理軟件基于Windows操作系統設計,主要負責對移動基準站進行參數設置、設備連接、定位數據接收與記錄、位置展示、定位數據質量監控、設備遠程控制等工作.

3)基準站通訊模塊及控制軟件

基準站電臺通訊模塊選用為定位數據傳輸專門設計的高性能數據鏈,發射功率選擇2 W,保證海上無干擾情況下傳輸距離大于2 km,通過設置使基準站通訊單模塊利用時分多址方式進行作業,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進行嵌入式設計,負責數據的發送、時分多址定時、數據接收與處理、指令發送、接收和解析與執行等工作.

動態基準站數據接收及處理過程如圖5所示.

圖5 動態基準站數據接收及處理流程圖

2.1.2 流動站設計

流動站主要包括:動態差分信號控制板及軟件、流動站通訊模塊及控制軟件.

1)動態差分信號控制板及軟件

與基準站相似,動態差分信號控制板由GNSS差分板和控制底板兩塊板卡組成. GNSS板卡依然選用國產GNSS高精度板卡,自行設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、參數設置、數據存儲、指令接收與分發、電臺數據分時控制和動態差分數據接收及處理、GNSS差分板數據接收和解析等工作. 控制軟件可通過電臺獲取差分數據.

將完整的差分數據包傳送給差分板,接收差分板定位成果數據并進行解析,提取有效定位結果和質量信息,進行本地存儲并通過控制實時發送給母船.控制軟件還需實時接收并執行本地(通過端口)或遠程發送的指令,進行參數設置和數據上傳、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站通訊模塊,采用時分多址方式進行作業. 控制軟件負責數據的發送、時分多址定時、數據接收與處理、指令發送、接收和解析與執行等工作.

流動站尾標數據處理技術路線圖如圖6所示.

圖6 流動站數據處理技術路線圖

2.2 尾標定位系統在海洋拖纜作業中的應用

2.2.1 尾標定位系統的安裝

首先將基準站處理軟件安裝至母船操作站并進行調試,安裝調試完成后將GNSS天線與基準站高增益天線在遠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站. 母船啟航前在港口內進行連續開機測試,觀察靜止狀態下設備和軟件的工作狀態,確保正常運行后將流動站安裝于尾標浮體之上,安裝完成后即可自動通電運行. 流動站架設如圖7所示.

圖7 流動站架設

2.2.2 尾標定位系統的運行

各設備安裝完成并進行供電后,通過基準站處理軟件執行設備連接命令,輸入相應的接口參數即可連接成功,隨后利用該軟件進行數據監控. 母船到達施工海域后,將攜帶流動站的尾標浮體隨拖纜放入海中,基準站在動態狀況下接收外部高精度坐標并實時產生差分數據,通過電臺進行播發,同時接收流動站回傳數據并通過自主開發的基準站處理軟件進行監控. 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,這些數據最終將為綜合導航系統所用.

3 實驗測試與分析

為確保系統能夠滿足尾標高精度實時定位的需要,有必要在出廠前進行一系列測試.測試項目主要包括測試尾標定位系統所用電臺模塊的傳輸距離及穩定性、尾標定位系統的定位精度等.

3.1 尾標定位系統電臺模塊的傳輸距離及穩定性分析

3.1.1 電臺傳輸距離及穩定性測試方案

架設一套RTK系統用來模擬星站差分系統,為尾標定位系統的基準站提供高精度的外部坐標,如圖8所示.

圖8 架設RTK系統

將流動站架設在轎車車頂,模擬尾標浮體的運動,如圖9所示,基準站放置于SUV車上,模擬船舶的行駛,如圖10所示. 在動態狀況(40 km/h)下基準站接收外部高精度坐標,實時產生差分數據并通過電臺進行播發,接收流動站回傳數據并通過基準站處理軟件進行監控,以不同行駛速度、不同加速度測試電臺傳輸距離及穩定性.

圖9 架設流動站

圖10 架設基準站

3.1.2 電臺傳輸距離及穩定性分析

經過測試,基準站設備連續運動狀態下(40 km/h),電臺在2 km距離范圍內能夠實現持續穩定地完成雙向數據傳輸功能,其中最大的距離可達2 047 m. 2 km范圍內的解狀態如表1所示.極限測試結果表明在3.6 km距離處,基準站和流動站之間還可以實現數據通訊,同時流動站獲得部分固定解,基準站獲得返回的部分坐標成果如表2所示.

表2 極限條件下的解狀態

由測試結果可知,在2 km范圍內基準站能夠獲得連續穩定的固定解,所采用的電臺模塊傳輸距離及穩定性可以滿足海上導航定位的需求.

3.2 尾標定位系統的定位精度分析

3.2.1 尾標定位系統的定位精度測試方案

將流動站架設在檢定場檢定位置上并進行連續坐標采集;在另一已知點上架設一套RTK系統,作為外部坐標提供源,為尾標流動站提供高精度的外部坐標;尾標定位系統的基準站跟隨運動載體進行不規則的運動,同時播發差分數據,記錄流動站回傳的實時坐標. 對尾標定位系統的精度測試分兩部分,第一部分測試為靜態測試,尾標定位系統的基準站處于靜止狀態,對流動站數據進行長時間連續記錄和采集;第二部分為動態測試,基準站無規律運動,對流動站數據進行長時間連續記錄和采集.

3.2.2 尾標定位系統的定位精度分析

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

表3 精度統計表

通過表3可以看出,基準站靜止時,平面位置精度在5 cm以內的歷元數能夠達到總歷元的96.3%;在10 cm以內的能夠達到99.5%.高程位置精度在5 cm以內的,能夠達到93.2%;在10 cm以內的能夠達到99.1%.

在基準站運動時,平面位置精度在5 cm以內的歷元數,能夠達到總歷元的99.2%;在10 cm以內的,能夠達到99.97%.高程位置精度在5 cm以內的,能夠達到98.7%;在10 cm以內的能夠達到99.8%.

由以上結果可以看出,該尾標定位系統能夠基本實現厘米級別的相對定位精度,其定位效果可以滿足實際生產中海上對于導航定位的需求.

4 結束語

本文針對自主研發的尾標定位系統詳細闡述了設計流程并進行了性能分析. 測試結果表明自主研發的尾標定位系統數據傳輸穩定且能夠達到厘米級的定位精度,流動站實時相對定位精度不大于0.1 m,其定位效果可滿足實際生產中對于導航定位的需求. 對于尾標定位系統應用時的特殊情況,如氣候條件惡劣或母船轉彎時衛星信號出現中斷、產生浮動解等,在保障定位精度的情況下,研究平滑算法,預計能達到更好的應用效果.

本文研發的基于動對動定位技術的尾標定位系統,其基準站發送的差分信號不僅限于應用于尾標定位系統流動站,還可應用于有效范圍內所有的定位設備,均可達到厘米級的定位效果,可根據實際應用進行擴展. 由于此系統為國產設備,既能打破國外設備商的壟斷,同時大大降低了初始投資成本，可提高后期維護效率,有廣闊的應用前景.