基于精密單點定位技術的海上浮標定位系統方案設計

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）

基于精密單點定位技術的海上浮標定位系統方案設計

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域對國外技術的依賴，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域主要采用的高精度定位技術和石油勘探的現狀，提出了一種利用精密單點定位技術（PPP）進行高精度定位解算的方法，設計了海洋浮標高精度定位系統方案。模擬了靜態和動態2種工作環境，在湖上對系統進行了性能仿真，仿真結果表明，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；數傳電臺

0 引言

根據國際能源署（IEA）發布的世界能源展望預測，2000～2030年，世界石油需求預計年均增長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有助于緩解石油供需矛盾［1］。地震數據獲取系統是海洋石油勘探的主要核心設備之一，而具有高精度定位系統的地震數據采集設備能夠有效地提高海洋石油的勘探能力。由于地震數據獲取設備涉及到許多尖端技術，在引進先進的地震采集設備時，受到主要西方國家的出口限制，嚴重制約了我國地震物探事業的發展［2］。因此，成功地研發一套海洋地震勘探定位系統必將促進我國海上地震勘探裝備的發展。

我國地震物探引進的高精度定位系統，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費用或基準站使用費用等。而作為目前乃至未來實時高精度動態定位主要技術手段之一的精密單點定位技術，已成為衛星導航定位領域所關注的熱點。本文將探討設計基于精密單點定位技術的海洋地震勘探方案。

1 精密單點定位技術

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

精密單點定位技術（PPP）關鍵是得到GPS衛星的精密星歷和精密衛星鐘差，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網網絡通信設備從網絡下載精密星歷。

2 系統方案設計

2.1 整體系統方案設計

整套系統運作圖如圖1所示。圖1直觀表現了維持整套系統運作的各個子系統，浮標系統、衛星系統及船上數據采集運算系統。整個系統的運作流程如下：浮標接收衛星信號，通過無線電臺發送數據，船上的數據接收電臺收到信息后，通過串口將數據傳輸到計算機上，另外計算機通過互聯網網絡通信天線下載衛星精密星歷，綜合二者，最終利用高精度定位算法軟件實時解算浮標和船體天線的位置［7］。

圖1 整套系統運作

2.2 分系統設計

2.2.1 船上數據采集系統設計

船上數據采集系統由GPS接收機、無線數傳電臺、互聯網網絡通信設備和電源模塊單元組成。各部分的主要功能為：①GPS接收機接受衛星觀測信息；②觀測數據存儲；③通過無線數傳電臺接收浮標流動站的數據并上傳至GPS數據接收處理中心和監控指控中心；④互聯網網絡通信設備實時下載衛星精密星歷，并將數據傳到數據接收處理中心；⑤船上輸出直流電，通過電源轉換模塊后，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 浮標系統設計

浮標實現浮標航跡測量、提供時間統一信號等功能。整個系統由GPS天線、GPS接收機、無線數傳電臺、電臺天線以及電源變換器等組成，系統集成在一個封裝內。浮標封裝設備需要進行加固和減振設計，符合過載和沖擊振動的要求。浮標工作原理如圖2所示。

圖2 浮標原理

2.2.3 監控與數據處理軟件設計

為了實現船載接收機和浮標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，產生額外的費用以及后期維護，設計了精密單點定位軟件。其優勢是不需要多個站之間的數據交互處理，單個接收機數據進行解算便可以得到厘米級的精度，但是軟件設計難度也大大提高。

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，這類誤差有衛星天線相位中心的改正，各種潮汐的影響，相對論效應等，均可以采用現有的模型精確改正［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］。

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

3 方案應用驗證

系統設計的設備最終是在海上進行作業，由于工程測試條件有限，目前只在湖面做系統模擬測試驗證。

3.1 電臺發送數據可用率驗證

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

表1 電臺數據測試表

為了在湖面上最大程度地模擬電臺在海上工作環境，試驗分別在靜態和動態狀態下對電臺的通信性能進行充分驗證，通過上表可以發現，電臺傳輸距離在6 km內，數據可用率大于98%，工作性能穩定。

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果

軟件解算實時的定位結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果

軟件解算事后的定位結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 整套系統驗證

由于監控與數據處理軟件需要實時向船載勘探設備提供定位數據，因此整套系統采用快速精密星歷進行位置結算。

3.3.1 整套系統數據可用率測試

對整套系統進行數據可用率驗證，驗證結果如表2所示。

表2 整套系統（含軟件在內）測試表

目前國內海洋石油勘探領域每條連接浮標拖纜的長度為6 km［10］，通過多次試驗，整套系統數據傳輸鏈路在傳輸距離6 km內的數據傳輸性能穩定，即試驗達到了海上數據傳輸距離的要求；同時，數據可用率基本在98%以上，滿足了軟件解算定位數據時對數據可用率的要求。整套系統在湖面的模擬測試已經達到要求，傳輸性能有待在海上進一步驗證。

3.3.2 整套系統實時定位精度測試

對整套系統實時定位的數據運算能力進行驗證，驗證結果如圖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%）。整套系統實時定位精度達到了海洋地震勘探采集設備對定位精度的要求。

4 結束語

根據精密單點定位技術設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勢，該種方案不用建設基站，只需利用船上安裝的互聯網設備下載免費的高精度精密星歷就可以實現高精度的定位結果，可以實現實時和事后2種定位結果，海上浮標定位系統方案采用實時的定位結果。由于現實測試環境有限，系統在湖上對性能進行了仿真測試，并模擬了靜態和動態兩種工作環境，仿真結果表明基于精密單點定位技術可以實現海洋領域的高精度勘探。

［1］李 媛，馮師軍，李啟虎.水下數據采集及傳輸系統在海洋石油勘探中的應用［J］.微計算機應用，2008，29（9）：100－103.

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［3］許承權.單頻GPS精密單點定位算法研究與程序實現［D］.武漢：武漢大學，2008.

［4］潘玉純，汪 洋，翟崢嶸.GPS衛星精密星歷插值在靶場數據處理中的比較［J］.無線電工程，2011，41（12）：36－37，49.

［5］唐有國，麥若綿，賈登科.精密單點定位（PPP）原理及其在境外工程項目中的應用［J］.水運工程，2013（7）：128－130.

［6］李益斌，張書畢，王 波，等.快速精密星歷與最終精密星歷對定位精度的影響和比較［J］.全球定位系統，2008（2）：23－25.

［7］傅紅兵.一種新型海洋浮標氣象遙測系統［J］.無線電工程，1997，27（1）：12－14.

［8］王文孔，黃德武，任小沖.精密單點定位中誤差改正模型研究與分析［J］.水利科技與經濟，1997，15（7）：606－607.

［9］袁玉斌，黨亞民.精密單點定位關鍵誤差源及其改正方法研究［J］.全球定位系統，2009（2）：16－18.

［10］曹桂平，宋克柱，楊俊峰，等.海洋石油地震勘探拖纜模擬系統設計與實現［J］.核電子學與探測技術，2012，32（8）：937－941.

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的海上浮標定位系統方案設計［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：導航數據處理。