用DGPS雙天線系統(tǒng)校驗(yàn)定位輔助設(shè)備的方法探討

伍習(xí)軍，趙戌未，王樹(shù)林

用DGPS雙天線系統(tǒng)校驗(yàn)定位輔助設(shè)備的方法探討

伍習(xí)軍，趙戌未，王樹(shù)林

（中國(guó)石化集團(tuán)上海海洋石油局第一海洋地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)，上海 201208）

隨著GPS技術(shù)的快速發(fā)展，使用DGPS定位的精度越來(lái)越高，這就為物探船上定位輔助設(shè)備的精確校準(zhǔn)與校驗(yàn)提供了可能。通過(guò)對(duì)發(fā)現(xiàn)六號(hào)物探船定位輔助設(shè)備的校準(zhǔn)與校驗(yàn)，初步形成了一套比較可行的作業(yè)方法。此文結(jié)合校驗(yàn)方法及其可行有效性分析，詳細(xì)闡述了校驗(yàn)方法，并試圖對(duì)校驗(yàn)誤差來(lái)源進(jìn)行探討，以期提高對(duì)定位輔助設(shè)備校準(zhǔn)與校驗(yàn)的精確度。

GPS；校驗(yàn)；物探船；定位輔助設(shè)備

由于多纜物探船拖帶的電纜長(zhǎng)（8至10千米甚至更長(zhǎng)）、電纜數(shù)多（12纜、16纜甚至更多），為了確保物探作業(yè)所獲資料的精度與可靠性，必須有效地獲取地震電纜與震源點(diǎn)的位置，而這些位置的獲取及其精度與可靠性的保證，離不開(kāi)物探船上滿足精度要求的電羅經(jīng)、RGPS等定位輔助設(shè)備的連續(xù)正常工作，所以定期對(duì)這些定位輔助設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn)是很有必要的。根據(jù)相關(guān)國(guó)家（行業(yè)）標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，按以往的慣例，對(duì)物探船上的電羅經(jīng)、RGPS等定位輔助設(shè)備的校驗(yàn)常采用先建立校驗(yàn)場(chǎng)（測(cè)定基線與基準(zhǔn)點(diǎn)3個(gè)）再用光電測(cè)距與測(cè)方位的方法。這也是一種常規(guī)通用的方法，但該方法要求校驗(yàn)場(chǎng)的基點(diǎn)與物探船的船首與船尾中心點(diǎn)通視，特別是當(dāng)多纜物探船在茫茫大海上施工作業(yè)時(shí)尤顯無(wú)能為力。由于發(fā)現(xiàn)六號(hào)船尚處于整船建造完工收尾階段，船體較高，所?？康拇a頭周邊沒(méi)有合適的位置用于建立校驗(yàn)場(chǎng)的基點(diǎn)。在此條件下，考慮采用DGPS雙天線來(lái)校驗(yàn)該船的電羅經(jīng)、RGPS等定位輔助設(shè)備，其方法就是通過(guò)同時(shí)觀測(cè)安裝在船頭與船尾中心的DGPS天線位置坐標(biāo)，通過(guò)一系列的運(yùn)算求解出兩個(gè)天線點(diǎn)的距離與方位，以這兩組數(shù)據(jù)為參考，對(duì)同時(shí)觀測(cè)的電羅經(jīng)數(shù)據(jù)和RGPS尾標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較與評(píng)判，而完成對(duì)電羅經(jīng)與RGPS尾標(biāo)的校驗(yàn)，簡(jiǎn)稱為DGPS雙天線校驗(yàn)法。

1 方法的可行性分析

從數(shù)學(xué)與測(cè)量學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，只要知道兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算與收斂角的改正，就可以求解出該兩點(diǎn)連線的方位角度；獲取未知點(diǎn)的坐標(biāo)，不外乎兩種方法，其一是利用已知的控制點(diǎn)（兩個(gè)或兩個(gè)以上的點(diǎn)）通過(guò)測(cè)距與測(cè)量方位來(lái)解算得出所觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)（未知點(diǎn)的坐標(biāo)），這也就是常規(guī)的光電測(cè)距與測(cè)方位校驗(yàn)法的理論基礎(chǔ)；其二就是目前用得非常廣泛的直接采用DGPS來(lái)給未知點(diǎn)定位（觀測(cè)坐標(biāo)）的方法，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)如今，差分GPS普遍采用了相位差分的模式，比較以往的偽距差分GPS在定位的精度與解算的速度以及數(shù)據(jù)的可靠性方面均得到了很大的改善，有關(guān)GPS及DGPS的原理與運(yùn)用[1]，很多書(shū)籍均有介紹，這里不再累牘?，F(xiàn)在，用于工程施工的DGPS儀器，其單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位精度已經(jīng)能達(dá)到厘米級(jí)，如圖1所示，當(dāng)相距50 m的兩天線位置，相互偏離0.2 m時(shí)，兩天線所在位置點(diǎn)的方位角度偏差為0.229 2 °；當(dāng)相距50 m的兩天線位置相互偏離0.1 m時(shí)，兩天線所在位置點(diǎn)的方位角度偏差為0.114 6 °?？梢?jiàn)，采用高精度（厘米級(jí)）DGPS的雙天線法來(lái)校驗(yàn)電羅經(jīng)、RGPS等定位輔助設(shè)備 （定向精度一般為0.5 °、0.2 °）是可行的。

圖1 角度偏差比對(duì)

2 方法的實(shí)施細(xì)則

2.1準(zhǔn)備工作

（1）DGPS儀器選用：選用兩套高精度的DGPS儀器，其單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位精度盡可能達(dá)到厘米級(jí)，當(dāng)然是精度越高越好、性能越穩(wěn)定越好，并做好相應(yīng)的檢驗(yàn)與檢定。

（2）DGPS天線的安裝：其中一臺(tái)DGPS天線（主DGPS天線）安裝在船舶駕駛臺(tái)的桅桿上或船頭的前甲板中部，在后甲板上層的尾部中間附近位置安裝另一臺(tái)DGPS天線（輔DGPS天線），安裝時(shí)應(yīng)確保兩臺(tái)DGPS天線的連線方向與船舶龍骨線即船艏向保持平行，亦即主、輔DGPS天線的位置應(yīng)在船舶龍骨線的同一側(cè)且偏離船舶龍骨線的距離相等（圖2）。

（3）精確測(cè)量出RGPS主臺(tái)位置相對(duì)于主DGPS天線位置的橫偏距X與縱偏距Y。在校驗(yàn)RGPS時(shí)，其尾標(biāo)應(yīng)放在輔DGPS天線的正下方并量取兩者的高度差值，同時(shí)，量取出RGPS的主臺(tái)處位置與尾標(biāo)處位置間的高度差值。

（4）電羅經(jīng)至少運(yùn)轉(zhuǎn)24 h、船體穩(wěn)定地靠在碼頭至少2 h后，才能開(kāi)始校準(zhǔn)；校準(zhǔn)時(shí)應(yīng)確保各時(shí)間（測(cè)量時(shí)鐘、導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)鐘，與GPS時(shí)鐘）同步，并將數(shù)據(jù)記錄齊全。

本次發(fā)現(xiàn)六號(hào)物探船定位用的DGPS為C-NAV 3050G定位設(shè)備，該設(shè)備是目前精度最高的一種相位差分GPS，其標(biāo)稱精度為：水平位置＜15 cm，垂直位置＜30 cm；船上擁有的兩臺(tái)C-NAV 3050G定位設(shè)備已通過(guò)上海權(quán)威計(jì)量校準(zhǔn)部門(mén)檢驗(yàn)。

2.2校準(zhǔn)

2.2.1 電羅經(jīng)的校準(zhǔn)

（1）啟動(dòng)運(yùn)行導(dǎo)航系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的羅經(jīng)校正值設(shè)置為0，電羅經(jīng)的緯度補(bǔ)償設(shè)置為基準(zhǔn)點(diǎn)的緯度，速度補(bǔ)償設(shè)置為0，用導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄電羅經(jīng)的讀數(shù)和時(shí)間。

（2）與此同時(shí)，用導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄主、輔DGPS輸出的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)船舶所停靠的位置,選用合適的坐標(biāo)系（如WGS-84）、中央經(jīng)線（如123 °）、平面坐標(biāo)的投影方式（如高斯投影）等。

（3）在60 ～ 90 min內(nèi)采集測(cè)量值。

（4）按目前規(guī)范，應(yīng)將船調(diào)向180 °、穩(wěn)定2 h后，重復(fù)采集60 ～ 90 min的測(cè)量值。

（5）從導(dǎo)航系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)文件中提取出有用的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括時(shí)間、電羅經(jīng)讀數(shù)、主DGPS天線點(diǎn)處的平面坐標(biāo)、輔DGPS天線點(diǎn)處的平面坐標(biāo)。

（6）對(duì)完整的記錄結(jié)果進(jìn)行計(jì)算處理，并做出統(tǒng)計(jì)分析，做出電羅經(jīng)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

2.2.2 RGPS的準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)

（1）啟動(dòng)RGPS系統(tǒng)、電羅經(jīng)、主輔DGPS、綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，各系統(tǒng)內(nèi)的校正值均設(shè)置為0。

（2）檢查RGPS輸出類型。

（3）當(dāng)儀器均工作正常了后，導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí)記錄電羅經(jīng)和RGPS數(shù)據(jù)以及主、輔DGPS輸出的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，每個(gè)尾標(biāo)觀測(cè)時(shí)間不少于15 min。

（4）從導(dǎo)航系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)文件中提取出有用的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括：時(shí)間、RGPS數(shù)據(jù)（距離d與方位角α）、電羅經(jīng)讀數(shù)、主DGPS天線點(diǎn)處的平面坐標(biāo)、輔DGPS天線點(diǎn)處的平面坐標(biāo)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及DGPS系統(tǒng)的、電羅經(jīng)的校正值。

（5）使用記錄的數(shù)據(jù)計(jì)算RGPS的測(cè)量誤差。

（6）編寫(xiě)校正報(bào)告，所有的原始記錄數(shù)據(jù)應(yīng)作為報(bào)告的基礎(chǔ)部分。

圖2 地震采集定位輔助設(shè)備校準(zhǔn)示意圖

3 方法的實(shí)證分析

根據(jù)以上的分析論證，同時(shí)也為了盡快有效地完成對(duì)發(fā)現(xiàn)六號(hào)物探船的電羅經(jīng)、RGPS等定位輔助設(shè)備的校驗(yàn)，本單位組織相關(guān)人員于2013年9月22日上午開(kāi)始對(duì)該船的定位輔助設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn)，當(dāng)天就對(duì)該船上的兩套電羅經(jīng)（單個(gè)方向）及部分RGPS尾標(biāo)完成了校驗(yàn)，如圖3所示，為兩臺(tái)C-NAV 3050G現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)所獲得的離散圖。

從離散圖可以看出，兩臺(tái)DGPS離散性非常好，位置也比較穩(wěn)定，為高精度地校驗(yàn)電羅經(jīng)與RGPS提供了技術(shù)支撐。表1為主、輔電羅經(jīng)校驗(yàn)成果表（一部分），從表中可以看出，主、輔電羅經(jīng)存在一個(gè)偏差，這應(yīng)該是羅經(jīng)安裝固定時(shí)產(chǎn)生的。

圖3 主（左圖）、輔（右圖）

由于系首次采用該方法，于2013年10月24日至25日在崇明上海船廠碼頭，再次對(duì)發(fā)現(xiàn)六號(hào)的電羅經(jīng)（兩個(gè)相反方向）進(jìn)行了校準(zhǔn)和檢查，結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

根據(jù)測(cè)得的結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

（1）主、輔電羅經(jīng)工作性能穩(wěn)定可靠（雖然船體牢牢地固定在碼頭邊，但隨著潮水的波動(dòng)，會(huì)有輕微的擺動(dòng)，電羅經(jīng)的讀數(shù)也跟隨有很小的變化，三套系統(tǒng)所測(cè)得的船艏向通過(guò)連續(xù)觀測(cè)也沒(méi)有出現(xiàn)大的跳變值）。

（2）本次測(cè)定的羅經(jīng)偏差值為：主羅經(jīng)為0.065 °（羅經(jīng)東偏），輔羅經(jīng)為-0.055 °（羅經(jīng)西偏）；考慮到通過(guò)DGPS雙天線得出的船艏向也有一定的誤差，而羅經(jīng)偏差值又比較小，所以，可以對(duì)電羅經(jīng)測(cè)定的船艏向不做補(bǔ)償。

（3）綜合分析差值的均方根和所有校準(zhǔn)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差（＜0.1°）可以得出，采用DGPS雙天線法來(lái)校驗(yàn)羅經(jīng)是完全有效可行的；同樣用于校驗(yàn)RGPS尾標(biāo)也是可行有效的。

表1 電羅經(jīng)校驗(yàn)成果

表2 電羅經(jīng)校驗(yàn)成果

4 方法評(píng)價(jià)

常規(guī)通用的用光電測(cè)距與測(cè)方位的方法來(lái)校驗(yàn)電羅經(jīng)與RGPS尾標(biāo)，誤差的主要來(lái)源是光電測(cè)量（距離與方位角）系統(tǒng)本身的測(cè)量誤差以及觀測(cè)置于船頭與船尾中點(diǎn)上的激光棱鏡的時(shí)間有一個(gè)間隔，而且該方法還受到作用距離短、氣候干擾、校驗(yàn)場(chǎng)選址與建立困難等諸多局限性，特別是觀測(cè)置于船頭與船尾中點(diǎn)上的激光棱鏡的非同時(shí)性無(wú)法避免，使得在用常規(guī)方法校驗(yàn)時(shí)船必須穩(wěn)定地固靠在碼頭邊，?？吭诤＿叴a頭的物探船總會(huì)受海水潮漲潮落的影響有些擺動(dòng)，這一因素給用常規(guī)方法對(duì)物探船定位輔助設(shè)備的校驗(yàn)帶來(lái)一定的誤差。而采用DGPS雙天線校驗(yàn)法，由于兩天線點(diǎn)的距離與方位角求解用的坐標(biāo)數(shù)據(jù)是根據(jù)GPS時(shí)間來(lái)同步的，同步的精度達(dá)到1 s以內(nèi)，這樣，一方面有效避免了常規(guī)校驗(yàn)方法在觀測(cè)兩目標(biāo)點(diǎn)時(shí)的不同步性，提高了校驗(yàn)的精度，另一方面擴(kuò)大了該方法的使用范圍，因?yàn)橹灰袃商滓呀?jīng)校驗(yàn)的高精度DGPS（單點(diǎn)定位精度達(dá)到厘米級(jí)），從理論的角度來(lái)說(shuō)，就可以在任何時(shí)候任何海域?qū)Υ系亩ㄎ惠o助設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn)[2]，即使在物探船正常作業(yè)時(shí)亦可以進(jìn)行，這對(duì)多纜物探船來(lái)說(shuō)是非常有實(shí)用價(jià)值的，一方面，可以提高工作效率，另一方面，可以極大地降低成本?？紤]到電羅經(jīng)方向跟蹤的滯后性與DGPS點(diǎn)位坐標(biāo)解算的時(shí)效性，在進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，物探船舶還是應(yīng)處于錨泊狀態(tài)，狀態(tài)越穩(wěn)定越好，當(dāng)然，用于校驗(yàn)的兩DGPS天線安裝位置在保證兩天線點(diǎn)的連線與船艏向一致的前提下間距越遠(yuǎn)越好。

[1] 王廣運(yùn)，郭秉義，等．差分GPS定位技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，1996．

[2] 伍習(xí)軍，童辛濤，方志遠(yuǎn)．GPS在海域鉆井平臺(tái)拖航就位中的應(yīng)用[J]．海洋石油，2004，24（2）：113-116．

Discussion of the DGPS Dual Antenna System Method for Checking the Auxiliary Positioning Devices

WU Xijun, ZHAO Xuwei, WANG Shuling
（No.1Marine Geological Investigation Party of Shanghai Offshore Petroleum Bureau,SINOPEC,Shanghai201208,China）

with the rapid development of GPS technology, the accuracy of DGPS positioning becomes higher and higher, which makes it possible for precise calibration and verification of positioning auxiliary device in geophysical prospecting ship. Through calibration and verification of the auxiliary equipment of the Discoverer Six, a set of feasible operation method for calibration and verification of the auxiliary equipment have been developed. In this paper, calibration method and feasibility of calibration and verification have been described in detail, and error sources during calibration and verification are discussed in order to improve the calibration and verification accuracy of positioning auxiliary equipment.

GPS; check; geophysical vessel; positioning auxiliary devices

P715.4+1

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2014.03.109

1008-2336（2014）03-0109-06

2013-12-12；改回日期：2014-02-17

伍習(xí)軍，男，1968年生，高級(jí)工程師，1992年畢業(yè)于武漢大學(xué)電儀專業(yè)，從事海洋物探工作。

E-mail：wuxijun@sopgc.com。