震源導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用

宋占武，曹鳳海，甄建光，陳繼紅，張曉盟

(中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理公司，河北涿州072751)

一、背景介紹

石油勘探作為國(guó)家石油戰(zhàn)略的重要保障，在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中占有重要地位。可控震源作為地震勘探的非爆炸作業(yè)方式，在國(guó)內(nèi)外勘探生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。近年來，隨著高效采集技術(shù)及精細(xì)化勘探的出現(xiàn)，震源作業(yè)過程中對(duì)位置的要求越來越高，主要表現(xiàn)在兩方面，一是定位精度要求高;二是定位速度要求快，以滿足震源日產(chǎn)萬炮的需求。這種情況下，傳統(tǒng)的測(cè)量放樣物理點(diǎn)，震源找點(diǎn)作業(yè)的方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足施工的要求。

將RTK定位技術(shù)與可控震源相結(jié)合，可保證震源箱體的位置精度提高到RTK級(jí)別，使其可以在沒有地面標(biāo)志物指引的情況下，自導(dǎo)航完成高精度作業(yè)。國(guó)外FirFly、Sercel公司以及國(guó)內(nèi)的部分GPS廠商有針對(duì)震源高效采集作業(yè)的導(dǎo)航產(chǎn)品，但是都存在著兼容性差、不能完全滿足生產(chǎn)需求等缺點(diǎn)。

由東方地球物理公司裝備服務(wù)處測(cè)量中心自主研發(fā)的VNSCommander 1000系列震源導(dǎo)航產(chǎn)品，可以兼容目前公司各種型號(hào)的震源箱體。同時(shí)，在定位精度、可靠性以及環(huán)境適應(yīng)性方面能夠完全滿足野外生產(chǎn)的要求。

二、系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)

VNS Commander 1000震源導(dǎo)航系統(tǒng)由震源GPS接收機(jī)、導(dǎo)航軟件、電臺(tái)和衛(wèi)星天線以及其他各種外部配件組成。整套系統(tǒng)采用模塊化、集成化的設(shè)計(jì)理念，對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)備和導(dǎo)航軟件進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)和開發(fā)。

1．震源GPS接收機(jī)

震源接收機(jī)以GPS OEM板、工業(yè)級(jí)電腦板及ADL電臺(tái)模塊為核心，通過自主設(shè)計(jì)的PCB電路板將各功能模塊組合為一個(gè)協(xié)同工作的整體。如圖2所示為震源GPS接收機(jī)內(nèi)部。

圖1 震源導(dǎo)航系統(tǒng)整體連接示意圖

圖2 震源GPS接收機(jī)內(nèi)部

(1)GPSOEM板卡的應(yīng)用

GPSOEM板采用Trimble公司的BD950板卡，技術(shù)參數(shù)如下：

24個(gè)信道：L1 C/A碼，L2C碼，L1/L2全相位載波，WAAS/EGNOS;

天寶Maxwell 5高級(jí)民用測(cè)量技術(shù);

噪音極低的L1/L2載波相位測(cè)量，1 Hz帶寬內(nèi)的精度＜1mm;

應(yīng)用成熟的天寶低仰角跟蹤技術(shù);

通信輸出接口：4 x RS232端口- 波特率高達(dá)115 200;

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

對(duì)外接口：I/O DIN41612 64-pin連接器

天線：SMC

對(duì)于GPSOEM板卡，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，主要解決3方面的問題：

1)板卡的供電。震源GPS接收機(jī)采用外部電源供電，在實(shí)際應(yīng)用中，使用的是震源車上12V供電電源，而OEM板卡需要的電壓為5V，因此需要通過降壓電路對(duì)系統(tǒng)電源進(jìn)行降壓，降壓電路如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)降壓電路面

2)定位模式的選擇。BD950在定位模式上支持同步RTK及低延時(shí)RTK兩種。同步RTK的定位精度為厘米級(jí)，但是其定位延時(shí)為0．5 s，對(duì)于時(shí)間性要求較高，以PPS信號(hào)為箱體同步信號(hào)的震源設(shè)備來說，0．5 s的定位延時(shí)較長(zhǎng);而低延時(shí)定位模式下，定位精度只比同步模式稍差，時(shí)間延時(shí)只有20ms，能夠滿足震源箱體對(duì)時(shí)間的要求。

3)定位數(shù)據(jù)的解算。震源導(dǎo)航系統(tǒng)在工作過程中，需要兩路GPS定位數(shù)據(jù)，一路為提供給箱體的NMEA0183格式的MYMGPGGA數(shù)據(jù);另一路為提供給導(dǎo)航軟件的定位數(shù)據(jù)，主要包括位置、時(shí)間、速度、衛(wèi)星信息等數(shù)據(jù)。

對(duì)于Trimble的OEM板卡，兩個(gè)RS232串口不能輸出同樣類型的數(shù)據(jù)，因此，必須對(duì)Trimble二進(jìn)制定位數(shù)據(jù)格式GSOF進(jìn)行全面解析來滿足導(dǎo)航的需求。

(2)ADL電臺(tái)模塊的應(yīng)用

電臺(tái)模塊ADL-Foundation是美國(guó)PCC公司針對(duì)野外作業(yè)無線傳輸而生產(chǎn)的一款數(shù)傳電臺(tái)模塊，其最大的特點(diǎn)就是兼容多種電臺(tái)通信協(xié)議，如Trimmark II、Trimmark III、TT450S 等，基本涵蓋了目前野外施工中測(cè)量基準(zhǔn)站電臺(tái)所用協(xié)議，這樣，就能使震源導(dǎo)航系統(tǒng)在施工中，與測(cè)量組使用統(tǒng)一基準(zhǔn)站，便于系統(tǒng)的使用和維護(hù)。

圖4 ADL-Foundation

2．震源導(dǎo)航軟件

震源導(dǎo)航軟件采用模塊化設(shè)計(jì)理念，軟件界面風(fēng)格及操作與東方地球物理公司自有測(cè)量品牌GeoSNAP系列產(chǎn)品保持一致，成果數(shù)據(jù)庫與最新版“地震測(cè)量數(shù)據(jù)處理與質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)”SSOffice3．0通用，震源作業(yè)成果庫可直接使用SSOffice3．0進(jìn)行處理及質(zhì)量檢查與控制。導(dǎo)航地圖采用東方公司具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的BGPGIS地理信息平臺(tái)進(jìn)行處理，圖5為震源導(dǎo)航軟件主界面。

圖5 震源導(dǎo)航軟件主界面

軟件特點(diǎn)主要包括：

1)內(nèi)置工區(qū)地圖，提供行進(jìn)路線參考和安全預(yù)警。

2)為箱體輸出高精度坐標(biāo)數(shù)據(jù)和PPS信號(hào)。

3)自動(dòng)按預(yù)定規(guī)則進(jìn)行導(dǎo)航并記錄成果，方便更換施工計(jì)劃。

4)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程監(jiān)控。

5)實(shí)時(shí)監(jiān)控箱體激發(fā)質(zhì)量信息。

鉤蟲性十二指腸炎綜合征常規(guī)的診斷方法主要是以大便常規(guī)集卵檢查為主，該法存在陽性率及準(zhǔn)確性低等問題，常采用較可靠的飽和鹽水漂浮法和鉤蚴培養(yǎng)法進(jìn)行診斷，但實(shí)際臨床工作中其陽性率極低且培養(yǎng)時(shí)間長(zhǎng)。近年來，電子胃鏡的普遍應(yīng)用及其操作方法的改良，鉤蟲性十二指腸炎綜合征的檢出率逐年增加。電子胃鏡圖像清晰、動(dòng)靜結(jié)合且具有放大功能等特點(diǎn)，同時(shí)可鉗出送檢以及內(nèi)鏡的普及與發(fā)展，是診斷鉤蟲性十二指腸炎綜合征的可靠手段，其提高了診斷的陽性率及準(zhǔn)確性，有效地避免誤診、漏診的發(fā)生，同時(shí)也為治療提供了依據(jù)。

6)根據(jù)震源箱體TB信號(hào)自動(dòng)存儲(chǔ)測(cè)量成果，跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)導(dǎo)航目標(biāo)點(diǎn)。

7)兼容多種原始數(shù)據(jù)格式。

圖6為導(dǎo)航系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖，軟件共包括項(xiàng)目建立及配置、數(shù)據(jù)采集、震源接收機(jī)配置、物理點(diǎn)數(shù)據(jù)加載及地圖顯示、導(dǎo)航及震源工作狀態(tài)監(jiān)控等功能模塊。軟件的數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)的處理，包括項(xiàng)目屬性數(shù)據(jù)庫的管理、GSOF定位數(shù)據(jù)的解析及應(yīng)用、差分?jǐn)?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)、震源工作狀態(tài)的監(jiān)控、物理點(diǎn)數(shù)據(jù)的加載及導(dǎo)航地圖的操作等。

圖6 震源導(dǎo)航系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

三、系統(tǒng)應(yīng)用情況

1．系統(tǒng)定位可靠性對(duì)比試驗(yàn)

在震源導(dǎo)航系統(tǒng)RTK定位級(jí)別的指揮下，震源車可以在地面沒有任何標(biāo)志物的情況下自主進(jìn)行采集作業(yè)，在工作效率上要比傳統(tǒng)的人工指揮到點(diǎn)工作方式高很多。對(duì)于VNS Commander 1000震源導(dǎo)航系統(tǒng)，筆者將其與Trimble R7接收機(jī)進(jìn)行了連續(xù)采集物理點(diǎn)坐標(biāo)的可靠性比對(duì)試驗(yàn)。

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，VNSCommander 1000震源導(dǎo)航系統(tǒng)采集的物理點(diǎn)坐標(biāo)與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。考慮到野外施工中，“龐大”的震源車到點(diǎn)精度1m以內(nèi)就符合作業(yè)要求，這個(gè)量級(jí)的可靠性誤差是能夠滿足震源自導(dǎo)航施工標(biāo)準(zhǔn)的。

圖7 與Trimble R7對(duì)比試驗(yàn)

2．系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用

近年來，隨著高效采集技術(shù)的不斷出現(xiàn)，如交替掃描(Flip Flop)、滑動(dòng)掃描(Flip Sweep)、獨(dú)立震源工作模式(Independent Simultaneous Source)等，無樁號(hào)震源導(dǎo)航作業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)成為地震勘探領(lǐng)域的熱點(diǎn)發(fā)展趨勢(shì)之一，單臺(tái)震源激發(fā)狀態(tài)和參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與自主導(dǎo)航有了完善的解決方案。

東方地球物理公司吐哈物探處震源滑動(dòng)掃描高效采集技術(shù)經(jīng)過近幾年的試驗(yàn)積累，已經(jīng)逐步走向?qū)嶋H生產(chǎn)應(yīng)用階段。2011年下半年吐哈油田在鄯善薩克桑地區(qū)部署280 km2的三維勘探任務(wù)，采集激發(fā)方式為可控震源滑動(dòng)掃描，總激發(fā)點(diǎn)數(shù)達(dá)到17萬多炮;2012年鄯勒三維激發(fā)點(diǎn)總數(shù)達(dá)到11萬多炮，計(jì)劃施工平均日效4300炮以上。利用震源導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效采集作業(yè)中震源操作手可視化RTK自主導(dǎo)航，改進(jìn)原有震源RTD導(dǎo)航主要依靠?jī)x器操作員監(jiān)控震源位置，現(xiàn)場(chǎng)人工指揮震源車到位的工作模式，將有效減少生產(chǎn)指揮的風(fēng)險(xiǎn)，提高震源到位速度和精準(zhǔn)度，以實(shí)現(xiàn)高效采集中精確、快速導(dǎo)航的目的。

吐哈探區(qū)震源導(dǎo)航系統(tǒng)推進(jìn)應(yīng)用工作分3個(gè)階段進(jìn)行：第1階段在鄯善薩克桑三維項(xiàng)目進(jìn)行震源導(dǎo)航技術(shù)配套VE464箱體激發(fā)與428地震儀器協(xié)同試驗(yàn)生產(chǎn)應(yīng)用。第2階段在2012年鄯勒三維項(xiàng)目完成震源導(dǎo)航技術(shù)配套“先進(jìn)3”箱體與G3i地震儀器協(xié)同生產(chǎn)應(yīng)用。第3階段在探區(qū)逐步推行震源激發(fā)點(diǎn)導(dǎo)航成果替代物探測(cè)量RTK放樣激發(fā)點(diǎn)成果，提高項(xiàng)目運(yùn)行效率。

經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用證明，東方地球物理公司自主研發(fā)的震源導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，RTK定位精度高、可靠性強(qiáng)，能夠兼容目前主流震源箱體，如VE464、“先進(jìn)3”等，同步信號(hào)能夠保證428、G3i等儀器的施工要求，能夠完全滿足高效采集作業(yè)對(duì)震源自導(dǎo)航技術(shù)的要求。

圖8 震源導(dǎo)航系統(tǒng)的安裝

四、結(jié)束語

VNSCommander 1000震源導(dǎo)航系統(tǒng)的成功研發(fā)和應(yīng)用，填補(bǔ)了東方公司在該領(lǐng)域的空白，隨著震源高效采集技術(shù)在國(guó)內(nèi)外探區(qū)的逐步推廣，震源導(dǎo)航系統(tǒng)必將得到越來越廣泛的使用。

隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)差分?jǐn)?shù)據(jù)技術(shù)的普及，VNSCommander 1000震源導(dǎo)航系統(tǒng)在多系統(tǒng)兼容、數(shù)據(jù)無線傳輸、兼容網(wǎng)絡(luò)差分?jǐn)?shù)據(jù)等方面也將作進(jìn)一步的升級(jí)和改進(jìn)。

(略)