震源导航系统的研发及应用

宋占武，曹凤海，甄建光，陈继红，张晓盟

(中国石油集团东方地球物理公司，河北涿州072751)

一、背景介绍

石油勘探作为国家石油战略的重要保障，在整个国民经济的发展中占有重要地位。可控震源作为地震勘探的非爆炸作业方式，在国内外勘探生产中发挥着重要作用。近年来，随着高效采集技术及精细化勘探的出现，震源作业过程中对位置的要求越来越高，主要表现在两方面，一是定位精度要求高;二是定位速度要求快，以满足震源日产万炮的需求。这种情况下，传统的测量放样物理点，震源找点作业的方式已经远远不能满足施工的要求。

将RTK定位技术与可控震源相结合，可保证震源箱体的位置精度提高到RTK级别，使其可以在没有地面标志物指引的情况下，自导航完成高精度作业。国外FirFly、Sercel公司以及国内的部分GPS厂商有针对震源高效采集作业的导航产品，但是都存在着兼容性差、不能完全满足生产需求等缺点。

由东方地球物理公司装备服务处测量中心自主研发的VNSCommander 1000系列震源导航产品，可以兼容目前公司各种型号的震源箱体。同时，在定位精度、可靠性以及环境适应性方面能够完全满足野外生产的要求。

二、系统组成及设计

VNS Commander 1000震源导航系统由震源GPS接收机、导航软件、电台和卫星天线以及其他各种外部配件组成。整套系统采用模块化、集成化的设计理念，对系统硬件设备和导航软件进行了整体设计和开发。

1．震源GPS接收机

震源接收机以GPS OEM板、工业级电脑板及ADL电台模块为核心，通过自主设计的PCB电路板将各功能模块组合为一个协同工作的整体。如图2所示为震源GPS接收机内部。

图1 震源导航系统整体连接示意图

图2 震源GPS接收机内部

(1)GPSOEM板卡的应用

GPSOEM板采用Trimble公司的BD950板卡，技术参数如下：

24个信道：L1 C/A码，L2C码，L1/L2全相位载波，WAAS/EGNOS;

天宝Maxwell 5高级民用测量技术;

噪音极低的L1/L2载波相位测量，1 Hz带宽内的精度＜1mm;

应用成熟的天宝低仰角跟踪技术;

通信输出接口：4 x RS232端口- 波特率高达115 200;

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

对外接口：I/O DIN41612 64-pin连接器

天线：SMC

对于GPSOEM板卡，根据实际应用需要，主要解决3方面的问题：

1)板卡的供电。震源GPS接收机采用外部电源供电，在实际应用中，使用的是震源车上12V供电电源，而OEM板卡需要的电压为5V，因此需要通过降压电路对系统电源进行降压，降压电路如图3所示。

图3 系统降压电路面

2)定位模式的选择。BD950在定位模式上支持同步RTK及低延时RTK两种。同步RTK的定位精度为厘米级，但是其定位延时为0．5 s，对于时间性要求较高，以PPS信号为箱体同步信号的震源设备来说，0．5 s的定位延时较长;而低延时定位模式下，定位精度只比同步模式稍差，时间延时只有20ms，能够满足震源箱体对时间的要求。

3)定位数据的解算。震源导航系统在工作过程中，需要两路GPS定位数据，一路为提供给箱体的NMEA0183格式的MYMGPGGA数据;另一路为提供给导航软件的定位数据，主要包括位置、时间、速度、卫星信息等数据。

对于Trimble的OEM板卡，两个RS232串口不能输出同样类型的数据，因此，必须对Trimble二进制定位数据格式GSOF进行全面解析来满足导航的需求。

(2)ADL电台模块的应用

电台模块ADL-Foundation是美国PCC公司针对野外作业无线传输而生产的一款数传电台模块，其最大的特点就是兼容多种电台通信协议，如Trimmark II、Trimmark III、TT450S 等，基本涵盖了目前野外施工中测量基准站电台所用协议，这样，就能使震源导航系统在施工中，与测量组使用统一基准站，便于系统的使用和维护。

图4 ADL-Foundation

2．震源导航软件

震源导航软件采用模块化设计理念，软件界面风格及操作与东方地球物理公司自有测量品牌GeoSNAP系列产品保持一致，成果数据库与最新版“地震测量数据处理与质量监控系统”SSOffice3．0通用，震源作业成果库可直接使用SSOffice3．0进行处理及质量检查与控制。导航地图采用东方公司具有自主知识产权的BGPGIS地理信息平台进行处理，图5为震源导航软件主界面。

图5 震源导航软件主界面

软件特点主要包括：

1)内置工区地图，提供行进路线参考和安全预警。

2)为箱体输出高精度坐标数据和PPS信号。

3)自动按预定规则进行导航并记录成果，方便更换施工计划。

4)实现生产全过程监控。

5)实时监控箱体激发质量信息。

钩虫性十二指肠炎综合征常规的诊断方法主要是以大便常规集卵检查为主，该法存在阳性率及准确性低等问题，常采用较可靠的饱和盐水漂浮法和钩蚴培养法进行诊断，但实际临床工作中其阳性率极低且培养时间长。近年来，电子胃镜的普遍应用及其操作方法的改良，钩虫性十二指肠炎综合征的检出率逐年增加。电子胃镜图像清晰、动静结合且具有放大功能等特点，同时可钳出送检以及内镜的普及与发展，是诊断钩虫性十二指肠炎综合征的可靠手段，其提高了诊断的阳性率及准确性，有效地避免误诊、漏诊的发生，同时也为治疗提供了依据。

6)根据震源箱体TB信号自动存储测量成果，跳转到下一个导航目标点。

7)兼容多种原始数据格式。

图6为导航系统软件结构图，软件共包括项目建立及配置、数据采集、震源接收机配置、物理点数据加载及地图显示、导航及震源工作状态监控等功能模块。软件的数据中心负责所有数据的处理，包括项目属性数据库的管理、GSOF定位数据的解析及应用、差分数据的转发、震源工作状态的监控、物理点数据的加载及导航地图的操作等。

图6 震源导航系统软件结构图

三、系统应用情况

1．系统定位可靠性对比试验

在震源导航系统RTK定位级别的指挥下，震源车可以在地面没有任何标志物的情况下自主进行采集作业，在工作效率上要比传统的人工指挥到点工作方式高很多。对于VNS Commander 1000震源导航系统，笔者将其与Trimble R7接收机进行了连续采集物理点坐标的可靠性比对试验。

对比试验结果表明，VNSCommander 1000震源导航系统采集的物理点坐标与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。考虑到野外施工中，“庞大”的震源车到点精度1m以内就符合作业要求，这个量级的可靠性误差是能够满足震源自导航施工标准的。

图7 与Trimble R7对比试验

2．系统生产应用

近年来，随着高效采集技术的不断出现，如交替扫描(Flip Flop)、滑动扫描(Flip Sweep)、独立震源工作模式(Independent Simultaneous Source)等，无桩号震源导航作业的应用已经成为地震勘探领域的热点发展趋势之一，单台震源激发状态和参数的实时监控与自主导航有了完善的解决方案。

东方地球物理公司吐哈物探处震源滑动扫描高效采集技术经过近几年的试验积累，已经逐步走向实际生产应用阶段。2011年下半年吐哈油田在鄯善萨克桑地区部署280 km2的三维勘探任务，采集激发方式为可控震源滑动扫描，总激发点数达到17万多炮;2012年鄯勒三维激发点总数达到11万多炮，计划施工平均日效4300炮以上。利用震源导航系统实现高效采集作业中震源操作手可视化RTK自主导航，改进原有震源RTD导航主要依靠仪器操作员监控震源位置，现场人工指挥震源车到位的工作模式，将有效减少生产指挥的风险，提高震源到位速度和精准度，以实现高效采集中精确、快速导航的目的。

吐哈探区震源导航系统推进应用工作分3个阶段进行：第1阶段在鄯善萨克桑三维项目进行震源导航技术配套VE464箱体激发与428地震仪器协同试验生产应用。第2阶段在2012年鄯勒三维项目完成震源导航技术配套“先进3”箱体与G3i地震仪器协同生产应用。第3阶段在探区逐步推行震源激发点导航成果替代物探测量RTK放样激发点成果，提高项目运行效率。

经过实际应用证明，东方地球物理公司自主研发的震源导航系统运行稳定，RTK定位精度高、可靠性强，能够兼容目前主流震源箱体，如VE464、“先进3”等，同步信号能够保证428、G3i等仪器的施工要求，能够完全满足高效采集作业对震源自导航技术的要求。

图8 震源导航系统的安装

四、结束语

VNSCommander 1000震源导航系统的成功研发和应用，填补了东方公司在该领域的空白，随着震源高效采集技术在国内外探区的逐步推广，震源导航系统必将得到越来越广泛的使用。

随着我国北斗卫星导航系统的发展以及网络差分数据技术的普及，VNSCommander 1000震源导航系统在多系统兼容、数据无线传输、兼容网络差分数据等方面也将作进一步的升级和改进。

(略)