星基增強差分系統(tǒng)在物探測量中的應(yīng)用

李連江 鞠立華 梁延強 遲鳳靜

(勝利油田物探公司 山東東營)

星基增強差分系統(tǒng)在物探測量中的應(yīng)用

李連江 鞠立華 梁延強 遲鳳靜

(勝利油田物探公司 山東東營)

闡述了星基增強差分系統(tǒng)的核心原理和技術(shù),介紹了StarFire星基增強差分系統(tǒng)的組成、定位原理和技術(shù)特點,及其在物探測量中的應(yīng)用范圍和前景。

星基增強差分系統(tǒng);PPP;StarFire;RTG

0 引 言

隨著油氣勘探技術(shù)發(fā)展,對物探測量的定位精度的要求也越來越高,要求能夠達到厘米級的定位精度,而采用偽距差分定位只能提供米級的定位精度,如果使用RTK功能,作用距離又不能達到;對于這部分定位需求,現(xiàn)有的定位手段無法滿足要求,需要尋求新的定位方式或技術(shù)[1、2]。

而基于精密單點定位(Precise Point Positioning,PPP)技術(shù)的星基增強差分系統(tǒng)能夠很好地滿足這部分定位需求。本文介紹了StarFire星基增強差分系統(tǒng)的組成、定位原理和技術(shù)特點,及其在物探測量中的應(yīng)用范圍和前景。

1 精密單點定位(PPP)技術(shù)的概念及原理[3、4]

精密單點定位技術(shù)是由美國噴氣推進實驗室(JPL)的Zumberge于1997年提出的。該技術(shù)的思路非常簡單,在GPS定位中,主要的誤差來源于三類,即軌道誤差、衛(wèi)星鐘差和電離層延時。如果采用雙頻接收機,可以利用LC相位組合,消除電離層延時的影響。如果選擇地心地固系表示衛(wèi)星軌道,計算的參考框架同為地心地固系,可以消去觀測方程中的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)。于是,只要給定衛(wèi)星的軌道和精密鐘差,采用精密的觀測模型,就能像偽距一樣,單站計算出接收機的精確位置、鐘差、模糊度以及對流層延時參數(shù)。

根據(jù)PPP技術(shù)的要求,定位中需要系統(tǒng)提供衛(wèi)星的精密軌道和鐘差。目前,國際GPS服務(wù)組織(IGS)的幾個數(shù)據(jù)分析中心具備這個能力提供衛(wèi)星的精密軌道和鐘差,但是,這些都是后處理結(jié)果。

由于IGS現(xiàn)在不能提供實時和外推的精密衛(wèi)星鐘差,制約了實時PPP技術(shù)的應(yīng)用;國外有許多主要研究機構(gòu),專門從事PPP技術(shù)的實際應(yīng)用研究,主要有JPL、NRCAN、CALGARY大學(xué)、NAVCOM公司等。他們的主要研究進展主要包括實時分米級定位和事后厘米級定位。StarFire就是建立在研究成果基礎(chǔ)上的一個可以提供分米級實時精度的星基增強差分系統(tǒng)。

2 StarFire星基增強差分系統(tǒng)介紹

StarFire星基增強差分系統(tǒng)是由美國 NavCom Technology INC和AG Management Solutions(AMS)共同開發(fā)的利用全球GPS跟蹤站數(shù)據(jù),采用NASA Jet Propulsion lob—oratory(JPL)授權(quán)且基于 Real Time Gipsy(RTG)軟件的處理技術(shù)建立起來的全球性差分GPS服務(wù),用戶利用這鐘差分服務(wù)可以全球北緯76°～南緯76°范圍內(nèi)實時連續(xù)動態(tài)目標dm級的定位精度。

2.1 系統(tǒng)組成

StarFire星基增強差分系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:

1)基準網(wǎng)絡(luò),由分布在全球的參考站接收機連續(xù)觀測并將原始觀測記錄提供給中心數(shù)據(jù)處理站處理,形成完整的數(shù)據(jù)處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)。

2)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中心,也是數(shù)據(jù)控制中心,負責(zé)處理GPS觀測數(shù)據(jù)并提供差分數(shù)據(jù),將差分數(shù)據(jù)發(fā)送到衛(wèi)星注入站。

3)通訊鏈路,提供數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備,并將 GPS觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中心,同時把數(shù)據(jù)差分結(jié)果傳至地面中心站。

4)全球地面站,負責(zé)將數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中心處理的數(shù)據(jù)傳給同步衛(wèi)星。

5)同步衛(wèi)星,主要由三顆Inmarsat衛(wèi)星組成,負責(zé)將差分數(shù)據(jù)傳回地面站。

6)監(jiān)控站,使用廣播的改正信息,并實時衛(wèi)星導(dǎo)航信息提供給數(shù)據(jù)處理中心。自動反饋系統(tǒng)出現(xiàn)的各種問題。

7)用戶設(shè)備,用戶使用廣播信息和當(dāng)?shù)仉p頻觀測數(shù)據(jù),剔除電離層折射影響以后,經(jīng)過卡爾漫濾波后的定位設(shè)備。

2.2 定位原理

StarFire星基增強差分系統(tǒng)由構(gòu)成地面參考站網(wǎng)絡(luò)的雙頻接收機對GPS衛(wèi)星信號進行解碼,并將高質(zhì)量的雙頻偽距和載波相位觀測值發(fā)送至兩個處理中心。在處理中心,利用RTG軟件的處理技術(shù),演算出實時的高精度衛(wèi)星軌道和時鐘改正數(shù)據(jù)。并將這些數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送到地面注入站(LandEarth Station),再由地面注入站上傳至INMARSAT同步衛(wèi)星,由這些衛(wèi)星將差分改正信號發(fā)送給全球的用戶,進行實時動態(tài)定位。

用戶設(shè)備實際上同時有兩個接收部分,一個是GPS接收機,一個是L波段的通信接收器。GPS接收機跟蹤所有可見的衛(wèi)星然后獲得GPS衛(wèi)星的測量值。同時,L波段的接收器通過L波段的衛(wèi)星接收改正數(shù)據(jù)。當(dāng)這些改正數(shù)據(jù)被應(yīng)用在GPS測量中時,一個實時的高精度的點位就確定了。

2.3 定位模式

StarFire系統(tǒng)從建立至今,曾先后采用或研究幾種差分定位模式。一是WCT,這是過去老的服務(wù)模式;二是RTG,這是現(xiàn)在的服務(wù)模式;三是RTG與RTK組合模式,這是當(dāng)前推出的一種新的服務(wù)模式。

它可以發(fā)揮各自的優(yōu)點,克服各自的缺點。如用RTK進行RTG初始化,可以克服RTG初始化時間過長的缺點,且達到高精度(厘米級)定位。而當(dāng)RTK整周模糊度失鎖或通信線路不能保障時,可利用RTG繼續(xù)提供定位服務(wù),通過這段“停止期”。其定位精度仍可達到厘米級。當(dāng)RTK恢復(fù)跟蹤或恢復(fù)通信線路后,則可用RTG定位結(jié)果作為起始點,進行整周模糊搜索、求解。

3 StarFire在物探測量中的應(yīng)用[5]

多數(shù)勘探區(qū)域位于荒漠、戈壁、荒原、丘陵、山嶺、近海等環(huán)境,高等級控制點由于各種原因不能夠滿足物探測量的需求,常規(guī)GPS動態(tài)、靜態(tài)測量也因為數(shù)據(jù)連接和地形條件等原因,使用效果不夠理想,這就給StarFire系統(tǒng)在物探測量中的應(yīng)用帶來了機會。

目前,物探測量主要包括控制測量、施工過程中的放樣測量等,采用的測量方法一般包括:靜態(tài)GPS測量、動態(tài)GPS測量、全站儀導(dǎo)線測量等。根據(jù)物探測量的實際需求和StarFire系統(tǒng)的精度,它主要被用于施工過程中放樣測量,特別是在起伏較大的地形或近海區(qū)域。

基于StarFire星基增強差分系統(tǒng)測量現(xiàn)場不需要無線電臺、GPRS或者CDMA等通訊工具的特點,在無地面干擾的情況下,只要初始化儀器后,一般很少失鎖,能夠連續(xù)完成數(shù)據(jù)采集,這就大大地節(jié)約時間和人力,提高了效益。StarFire星基增強差分系統(tǒng)也可以與儀器以組合的方式進行施工。

4 結(jié)論與建議

隨著星基增強差分系統(tǒng)在物探測量中的深入應(yīng)用、系統(tǒng)的不斷升級和軟件處理能力的不斷提高,以及和其它儀器組合方式的不斷出現(xiàn),星基增強差分系統(tǒng)將在物探測量應(yīng)用的越來越廣泛。

根據(jù)實際工作經(jīng)驗和星基增強差分系統(tǒng)特點,提出以下幾點建議:

1)要確保探區(qū)內(nèi)WGS-84坐標系與實際采用坐標系的轉(zhuǎn)換參數(shù)的準確;

2)有加強施工過程中的復(fù)測檢核,以確保施工質(zhì)量;

3)在與其它儀器組合使用的過程中,要注意儀器的接口程序和軟件的適用范圍。

[1] 張小紅.動態(tài)精度單點定位(PPP)的精度分析[J].全球定位系統(tǒng),2006,31(1)

[2] 劉經(jīng)南,葉世榕.GPS非差相位精密單點定位技術(shù)探討[J].武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2002,45(3)

[3] 楊懷春.星站差分GPS定位技術(shù)介紹 [J].物探裝備,2004,14(3)

[4] 翟清斌,張 銳,張 莉.StarFire差分GPS服務(wù)介紹[J].測繪科學(xué),2004,29(2)

[5] 熊 剛,束煥然,廖七一,等.StarFireTM-RTG星基差分實時精密單點定位原理、測試與應(yīng)用[J].全球定位系統(tǒng),2006,31(5)

Application of Global Satellite Based Augmentation System in Geophysical Surveying.

Li Lianjiang,Ju Lihua,Liang Yanqiang and Chi Fengjing.

This paper describes the principle and the technical advantage of Global Satellite Based Augmentation System,detail explains the parts,positioning principle and technical characters of Star-Fire,and introduces the prospect and limitation of usage of Star-Fire in geophysical surveying.

Global Satellite Based Augmentation System;PPP;StarFire;RTG

P631.4+3

B

1004-9134(2010)01-0026-02

李連江,男,1973年生,工程師,1998年畢業(yè)于桂林工學(xué)院工程測量專業(yè),現(xiàn)任勝利油田物探公司灘海設(shè)備隊副隊長。郵編:257086

2009-06-06編輯梁保江)

PI,2010,24(1):26～27

·儀器設(shè)備·