基于精密单点定位技术的海上浮标定位系统方案设计

申海鹏，李娟娟，姚旭升，陈 亮

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

基于精密单点定位技术的海上浮标定位系统方案设计

申海鹏，李娟娟，姚旭升，陈 亮

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

为了摆脱我国在海洋石油高精度勘探领域对国外技术的依赖，减少海洋石油开采的成本，分析了目前我国海洋石油地震勘探领域主要采用的高精度定位技术和石油勘探的现状，提出了一种利用精密单点定位技术（PPP）进行高精度定位解算的方法，设计了海洋浮标高精度定位系统方案。模拟了静态和动态2种工作环境，在湖上对系统进行了性能仿真，仿真结果表明，利用精密单点定位方法可以提高海洋石油勘探探测精度。

精密单点定位；GPS接收机；观测量；数传电台

0 引言

根据国际能源署（IEA）发布的世界能源展望预测，2000～2030年，世界石油需求预计年均增长1.6%。海洋石油资源占全球石油资源总量的34%，全球海洋石油蕴藏量约1 000多亿吨，进一步加快海洋石油的勘探和开发有助于缓解石油供需矛盾［1］。地震数据获取系统是海洋石油勘探的主要核心设备之一，而具有高精度定位系统的地震数据采集设备能够有效地提高海洋石油的勘探能力。由于地震数据获取设备涉及到许多尖端技术，在引进先进的地震采集设备时，受到主要西方国家的出口限制，严重制约了我国地震物探事业的发展［2］。因此，成功地研发一套海洋地震勘探定位系统必将促进我国海上地震勘探装备的发展。

我国地震物探引进的高精度定位系统，主要采用差分定位的模式获取高精度位置，但需要额外支付差分信息服务费用或基准站使用费用等。而作为目前乃至未来实时高精度动态定位主要技术手段之一的精密单点定位技术，已成为卫星导航定位领域所关注的热点。本文将探讨设计基于精密单点定位技术的海洋地震勘探方案。

1 精密单点定位技术

GPS精密单点定位是利用GPS卫星的精密星历和精密卫星钟差，以GPS接收机采集的观测数据在全球范围内获得实时或事后高精度定位的方法［3］。

精密单点定位技术（PPP）关键是得到GPS卫星的精密星历和精密卫星钟差，星历分为广播星历和精密星历［4］。International GPS Service（IGS）主要包括广播星历、最终精密星历和快速精密星历3种不同精度的星历，可以满足不用类型用户的需求，其中广播星历可实时获得、精度最低，一般用于低精度定位；而要高精度定位，则应用精密星历［5］。IGS提供的精密星历存在时延性，快速精密星历更新周期短，适合进行实时的位置解算；最终精密星历更新周期略长，适合进行事后的高精度位置解算［6］。本方案通过在船上安装互联网网络通信设备从网络下载精密星历。

2 系统方案设计

2.1 整体系统方案设计

整套系统运作图如图1所示。图1直观表现了维持整套系统运作的各个子系统，浮标系统、卫星系统及船上数据采集运算系统。整个系统的运作流程如下：浮标接收卫星信号，通过无线电台发送数据，船上的数据接收电台收到信息后，通过串口将数据传输到计算机上，另外计算机通过互联网网络通信天线下载卫星精密星历，综合二者，最终利用高精度定位算法软件实时解算浮标和船体天线的位置［7］。

图1 整套系统运作

2.2 分系统设计

2.2.1 船上数据采集系统设计

船上数据采集系统由GPS接收机、无线数传电台、互联网网络通信设备和电源模块单元组成。各部分的主要功能为：①GPS接收机接受卫星观测信息；②观测数据存储；③通过无线数传电台接收浮标流动站的数据并上传至GPS数据接收处理中心和监控指控中心；④互联网网络通信设备实时下载卫星精密星历，并将数据传到数据接收处理中心；⑤船上输出直流电，通过电源转换模块后，分别输出电压供给GPS接收机、电台模块和GPS接收机天线。

2.2.2 浮标系统设计

浮标实现浮标航迹测量、提供时间统一信号等功能。整个系统由GPS天线、GPS接收机、无线数传电台、电台天线以及电源变换器等组成，系统集成在一个封装内。浮标封装设备需要进行加固和减振设计，符合过载和冲击振动的要求。浮标工作原理如图2所示。

图2 浮标原理

2.2.3 监控与数据处理软件设计

为了实现船载接收机和浮标接收机的高精度位置实时解算，考虑到差分定位方式需要获取差分信息，产生额外的费用以及后期维护，设计了精密单点定位软件。其优势是不需要多个站之间的数据交互处理，单个接收机数据进行解算便可以得到厘米级的精度，但是软件设计难度也大大提高。

2.2.4 软件工作原理

GPS精密单点定位使用非差观测值，没有组成差分观测值，定位中的所有误差都需要考虑：①对于能精确模型化的误差采用模型改正，这类误差有卫星天线相位中心的改正，各种潮汐的影响，相对论效应等，均可以采用现有的模型精确改正［8］；②对于不能精确模型化的误差加参数进行估计或使用组合观测值。比如对流层天顶湿延迟，目前还难以用模型精确模拟，则加参数对其进行估计；而电离层延迟误差可采用双频组合观测值来消除低阶项［9］。

监控与数据处理软件主要实现对多个海洋浮标和船体位置的实时监控，并对所有目标的运动数据采用图形化与数字化相结合的形式在电脑上呈现、保存以及事后分析。主要功能如下：①接收并解析浮标数据；②用数字和图形结合方式显示接收数据；③计算浮标距离主站的距离和方位；④保存所有接收数据；⑤能够计算地图中任何两点间的距离和浮标的航程；⑥放大／缩小／平移地图；⑦设置浮标的名称、航迹的颜色，样式、宽度以及重点关注的参数。

3 方案应用验证

系统设计的设备最终是在海上进行作业，由于工程测试条件有限，目前只在湖面做系统模拟测试验证。

3.1 电台发送数据可用率验证

电台的发射功率5 W，电压13.8 V，模拟实际使用时数据传输量，以及多对一的传输模式，按照1 s的发射时间间隔，每次传输数据量为0.5 kbyte。测试情况如表1所示。

表1 电台数据测试表

为了在湖面上最大程度地模拟电台在海上工作环境，试验分别在静态和动态状态下对电台的通信性能进行充分验证，通过上表可以发现，电台传输距离在6 km内，数据可用率大于98%，工作性能稳定。

3.2 软件解算精度验证

软件验证分2部分：快速精密星历解算精度和最终精密解算精度的验证。

3.2.1 快速精密星历解算结果

软件解算实时的定位结果用的是快速精密星历，如图3和图4所示。快速精密星历的解算精度：水平精度：＜2 m（95%）；高程精度：＜3 m（95%）。

图3 水平精度

图4 高程精度

3.2.2 最终精密星历解算结果

软件解算事后的定位结果用的是最终精密星历，如图5和图6所示。最终精密星历的解算精度：水平精度：＜10 cm（95%）；高程精度：＜15 cm（95%）。

图5 水平精度

图6 高程精度

3.3 整套系统验证

由于监控与数据处理软件需要实时向船载勘探设备提供定位数据，因此整套系统采用快速精密星历进行位置结算。

3.3.1 整套系统数据可用率测试

对整套系统进行数据可用率验证，验证结果如表2所示。

表2 整套系统（含软件在内）测试表

目前国内海洋石油勘探领域每条连接浮标拖缆的长度为6 km［10］，通过多次试验，整套系统数据传输链路在传输距离6 km内的数据传输性能稳定，即试验达到了海上数据传输距离的要求；同时，数据可用率基本在98%以上，满足了软件解算定位数据时对数据可用率的要求。整套系统在湖面的模拟测试已经达到要求，传输性能有待在海上进一步验证。

3.3.2 整套系统实时定位精度测试

对整套系统实时定位的数据运算能力进行验证，验证结果如图7和图8所示。

图7 纬度精度

图8 点位精度

整套系统运用快速精密星历实时解算的精度：水平精度：＜2 m（95%）；高程精度：＜3 m（95%）。整套系统实时定位精度达到了海洋地震勘探采集设备对定位精度的要求。

4 结束语

根据精密单点定位技术设计的海洋石油高精度勘探方案较目前采用的差分定位模式有独特的优势，该种方案不用建设基站，只需利用船上安装的互联网设备下载免费的高精度精密星历就可以实现高精度的定位结果，可以实现实时和事后2种定位结果，海上浮标定位系统方案采用实时的定位结果。由于现实测试环境有限，系统在湖上对性能进行了仿真测试，并模拟了静态和动态两种工作环境，仿真结果表明基于精密单点定位技术可以实现海洋领域的高精度勘探。

［1］李 媛，冯师军，李启虎.水下数据采集及传输系统在海洋石油勘探中的应用［J］.微计算机应用，2008，29（9）：100－103.

［2］宋克柱，杨俊峰，曹 平，等.海洋物探地震数据采集与记录系统［J］.吉林大学学报（工学版），2010，40（3）：885－888.

［3］许承权.单频GPS精密单点定位算法研究与程序实现［D］.武汉：武汉大学，2008.

［4］潘玉纯，汪 洋，翟峥嵘.GPS卫星精密星历插值在靶场数据处理中的比较［J］.无线电工程，2011，41（12）：36－37，49.

［5］唐有国，麦若绵，贾登科.精密单点定位（PPP）原理及其在境外工程项目中的应用［J］.水运工程，2013（7）：128－130.

［6］李益斌，张书毕，王 波，等.快速精密星历与最终精密星历对定位精度的影响和比较［J］.全球定位系统，2008（2）：23－25.

［7］傅红兵.一种新型海洋浮标气象遥测系统［J］.无线电工程，1997，27（1）：12－14.

［8］王文孔，黄德武，任小冲.精密单点定位中误差改正模型研究与分析［J］.水利科技与经济，1997，15（7）：606－607.

［9］袁玉斌，党亚民.精密单点定位关键误差源及其改正方法研究［J］.全球定位系统，2009（2）：16－18.

［10］曹桂平，宋克柱，杨俊峰，等.海洋石油地震勘探拖缆模拟系统设计与实现［J］.核电子学与探测技术，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

申海鹏，李娟娟，姚旭升，等.基于精密单点定位技术的海上浮标定位系统方案设计［J］.无线电工程，2015，45（10）：41－43.

申海鹏男，（1987—），硕士研究生，助理工程师。主要研究方向：系统集成。

2015-07-05

国家部委基金资助项目。

李娟娟女，（1984—），硕士研究生，工程师。主要研究方向：导航数据处理。