GPS井位勘測(cè)儀的研制與應(yīng)用

摘 要： 在實(shí)際井位測(cè)量中，由于數(shù)據(jù)處理的滯后導(dǎo)致無(wú)法實(shí)時(shí)解算出定位結(jié)果，也無(wú)法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核，這就很難保證測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量，一旦經(jīng)內(nèi)業(yè)處理后發(fā)現(xiàn)精度不合要求，還須返測(cè)，工作效率低下。為此介紹了一種以ARM9為開發(fā)平臺(tái)，基于LINUX操作系統(tǒng)的手持式GPS井位勘測(cè)儀的實(shí)現(xiàn)原理，并給出了GPS井位勘測(cè)儀的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案。該勘測(cè)儀能大幅提高油田井位勘測(cè)的工作效率，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 井位勘測(cè)； GPS定位； 北京-54坐標(biāo)； WGS-84坐標(biāo)

中圖分類號(hào)：TP391/TP311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2013）03-11-02

0 引言

井位勘測(cè)是油田勘探開發(fā)中最為基礎(chǔ)和不可替代的工作，目前井位勘測(cè)技術(shù)主要有兩類：光電測(cè)量技術(shù)和GPS衛(wèi)星定位技術(shù)。光電測(cè)量技術(shù)是傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)，使用光電測(cè)量?jī)x進(jìn)行野外井位測(cè)量，雖然檢測(cè)精度高，但也有測(cè)量速度慢、受環(huán)境因素影響大、對(duì)控制點(diǎn)的依賴性強(qiáng)等缺點(diǎn)。GPS衛(wèi)星定位技術(shù)作為目前發(fā)展較為成熟的新興測(cè)量技術(shù)，具有測(cè)量速度快、全天候測(cè)量、作業(yè)靈活、對(duì)控制點(diǎn)依賴低、精度較高等特點(diǎn)[1]。

油田井位工程測(cè)量具有精度要求不是很高，測(cè)量周期較短，作業(yè)強(qiáng)度大，檢測(cè)條件差的特點(diǎn)。如果能研制出一種基于GPS的井位勘測(cè)儀，勘測(cè)時(shí)能夠直接顯示當(dāng)前井位的國(guó)家坐標(biāo)系統(tǒng)值和井位高程的正常高，就會(huì)大幅提高井位勘測(cè)的效率，這對(duì)于井位勘測(cè)工作來(lái)說(shuō)有很高的實(shí)用價(jià)值。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本測(cè)量系統(tǒng)是由基站、測(cè)量點(diǎn)和數(shù)據(jù)鏈組成的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（RTK）系統(tǒng)，無(wú)線數(shù)據(jù)通訊是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的保證[2]，其工作原理是取點(diǎn)位精度較高的控制點(diǎn)作為基站，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，測(cè)量點(diǎn)在接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接收來(lái)自基站上的修正數(shù)據(jù)，測(cè)量點(diǎn)上的處理器根據(jù)相對(duì)定位原理和對(duì)應(yīng)算法快速計(jì)算并顯示出測(cè)量點(diǎn)的精確位置坐標(biāo)和正常高。該GPS井位勘測(cè)儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

基站和測(cè)量節(jié)點(diǎn)的硬件配置很相似，但基站只負(fù)責(zé)差分修正數(shù)據(jù)的求取和發(fā)送，其系統(tǒng)功能與測(cè)量點(diǎn)相比要簡(jiǎn)單很多。本井位勘測(cè)儀采用的差分方式為位置差分，這就要求測(cè)量點(diǎn)和基站要能同時(shí)觀測(cè)同一組衛(wèi)星，故測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)站的運(yùn)動(dòng)范圍受到限制（100 km以內(nèi)），因此在測(cè)量中應(yīng)予以注意[3]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本井位勘測(cè)儀的硬件部分是以Samsung公司的ARM9處理器——S3C2440為核心，ARM9處理器通過(guò)串口驅(qū)動(dòng)GPS模塊和GPRS模塊，GPS模塊接收GPS位置信息，GPRS模塊傳遞差分修正信息。ARM9處理器驅(qū)動(dòng)一塊3.5英寸26萬(wàn)色彩TFT觸摸LCD[4]即可顯示測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)信息，也可將其作為數(shù)據(jù)輸入設(shè)備，該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示（基站和測(cè)量點(diǎn)的硬件組成基本一樣，因此不作重復(fù)展示）。

GPS模塊的型號(hào)為GR-87，其遵循0183標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，傳輸波特率為4800，定位精度小于10m，冷啟動(dòng)時(shí)間小于35s，為全封閉封裝，具有體積小，抗電磁干擾優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)。

GPRS模塊的型號(hào)為GTM900-C，其內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，提供ACK應(yīng)答。作為數(shù)據(jù)鏈的重要組成部分，GPRS模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)差分修正信號(hào)的傳遞功能?；揪C合GPS模塊接收到的GPS信號(hào)和已知的基站自身的精確位置信息，并利用差分算法計(jì)算出差分修正信息，通過(guò)GPRS模塊發(fā)送給各個(gè)測(cè)量點(diǎn)，各個(gè)測(cè)量點(diǎn)接收到差分修正信號(hào)后對(duì)當(dāng)前的坐標(biāo)信息進(jìn)行修正，得到更為精確的坐標(biāo)值。然后經(jīng)過(guò)相應(yīng)的算法將該坐標(biāo)值轉(zhuǎn)化為實(shí)際可用的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)值，并通過(guò)LCD顯示給用戶。

本方案所涉及的算法較為復(fù)雜，對(duì)硬件要求較高，綜合考慮選用ARM9作為系統(tǒng)的微處理器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫，在針對(duì)ARM優(yōu)化的arm-Linux-g++下編譯通過(guò)，采用的工具和函數(shù)庫(kù)能與Linux操作系統(tǒng)兼容，并遵循開源的風(fēng)格，降低了系統(tǒng)的開發(fā)費(fèi)用[5]。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了GPS數(shù)據(jù)讀取、GPS位置差分、WGS-84到北京-54坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換、高程異常值的求取、數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)等功能。以下簡(jiǎn)要介紹基于Qt/Embedded的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

該系統(tǒng)（測(cè)量點(diǎn)）啟動(dòng)后進(jìn)入程序主界面，通過(guò)依次調(diào)用幾個(gè)功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能，這些模塊包括：GPS信號(hào)讀取模塊（Gps_read）；串口通信模塊（SerialPort）；核心算法模塊（Control_centre）；顯示和存儲(chǔ)模塊（Display_storage）等。與測(cè)量點(diǎn)相比，基站平臺(tái)上的軟件系統(tǒng)與測(cè)量點(diǎn)大致相似，并且基站不需要進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，因此對(duì)于基站的軟件系統(tǒng)模塊不再做描述。測(cè)量點(diǎn)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

⑴ 串口通信模塊：負(fù)責(zé)打開、配置、讀寫和關(guān)閉串口。

⑵ GPS數(shù)據(jù)讀取模塊：負(fù)責(zé)讀取GPS模塊接收到的位置信息。

⑶ 核心算法模塊：包括差分算法、由WGS-84到北京-54坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換算法和正常高求取算法。

⑷ 顯示、存儲(chǔ)模塊：負(fù)責(zé)顯示并儲(chǔ)存測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)值和正常高，用戶還可以利用屏幕鍵盤進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入操作。

3.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程

GPS模塊接收并進(jìn)行差分得到較為精確的測(cè)量點(diǎn)的WGS-84大地坐標(biāo)（B，L，H）84，首先將其轉(zhuǎn)換為WGS-84地心坐標(biāo)（以地球質(zhì)心為原點(diǎn)建立的空間直角坐標(biāo)（X，Y，Z）84），然后利用布爾莎-沃爾夫七參數(shù)法或三參數(shù)法將該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為北京-54的地心坐標(biāo)，之后將其轉(zhuǎn)換為北京-54的大地坐標(biāo)并經(jīng)過(guò)投影得到對(duì)應(yīng)的平面坐標(biāo)[6]，并進(jìn)行顯示和儲(chǔ)存，其轉(zhuǎn)換流程如圖4所示。

3.3 正常高的求取

假定某點(diǎn)的正常高為h，大地高為HG（從一地面點(diǎn)沿過(guò)此點(diǎn)的地球橢球面的法線到地球橢球面的距離），則正常高與大地高的關(guān)系為：

h=HG-ε ⑴

式⑴中ε為似大地水準(zhǔn)面（即正常高相應(yīng)的基準(zhǔn)面）與橢球面（即大地高相應(yīng)的基準(zhǔn)面）之間的高程差，即高程異常。

大地高HG可以通過(guò)GPS模塊獲取，所以要想求取測(cè)量點(diǎn)的正常高就必須先求得該地區(qū)的高程異常ε。根據(jù)物理大地測(cè)量學(xué)的理論，高程異常ε包含3個(gè)分量：

⑵

式⑵中為通過(guò)重力場(chǎng)模型計(jì)算出的長(zhǎng)波分量，為用斯托克斯積分公式得到的地面重力異常中波分量，為地形改正對(duì)大地水準(zhǔn)面的影響值。

本方案采用移去恢復(fù)算法來(lái)求取高程異常值，移去恢復(fù)算法的思想就是首先在高程異常中移去長(zhǎng)波分量部分或短波分量部分，對(duì)其剩余值進(jìn)行擬合，然后再在待定點(diǎn)上恢復(fù)移去的長(zhǎng)波分量值或短波分量值[7]。具體步驟如下。

⑴ 移去：設(shè)有m個(gè)GPS水準(zhǔn)重合點(diǎn)，其高程異常為（k=1，…，m），則在這m個(gè)點(diǎn)上利用重力場(chǎng)模型計(jì)算，或利用地形改正公式計(jì)算，求解出未知點(diǎn)的Δεk。

⑵ 擬合：以此m個(gè)點(diǎn)的Δεw和平面坐標(biāo)（差）作為起算數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合，從而求解出未知點(diǎn)的Δεw。

⑶ 恢復(fù)：在未知點(diǎn)上利用重力場(chǎng)模型或地形改正公式計(jì)算出或，再加上Δεw，便得到未知點(diǎn)上高程異常值。

3.4 數(shù)據(jù)測(cè)試

4 結(jié)束語(yǔ)

在油田的井位勘探工作中，對(duì)于井位的測(cè)量大多采用靜態(tài)的處理方式，測(cè)量周期長(zhǎng)，工作效率低。本井位勘測(cè)儀可以實(shí)時(shí)地顯示并存儲(chǔ)測(cè)量點(diǎn)的精確位置信息和正常高，測(cè)量速度快，而且對(duì)數(shù)據(jù)的處理和管理更加合理，具有全天候測(cè)量、作業(yè)靈活的特點(diǎn)。將井位勘測(cè)儀應(yīng)用在以后的井位測(cè)量工作中，能在很大程度上減輕勘測(cè)人員的工作量，提高工作效率，具有很高的實(shí)用價(jià)值。為了進(jìn)一步提高測(cè)量精度，對(duì)于本井位勘測(cè)儀能以精度更高的差分方式（如偽距差分）和更準(zhǔn)確的正常高求取算法可作進(jìn)一步研究，同時(shí)還可對(duì)軟件系統(tǒng)作進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張鳳彬，王香云，岑志勇等.GPS技術(shù)在勘探開發(fā)井位測(cè)量中的應(yīng)用

與分析[J].河南石油，2000.14（4）：16-18

[2] 楊帆，張予杰.GPS_RTK技術(shù)在油田井位測(cè)量中的應(yīng)用[J].全球定位

系統(tǒng)，2005.30（2）：23-26

[3] 夏熙梅.差分GPS定位技術(shù)及應(yīng)用[J].現(xiàn)代情報(bào)，2002.3：99-101

[4] mini2440用戶手冊(cè)[M].廣州友善之臂計(jì)算機(jī)課件有限公司，2010.

[5] 藤永.基于ARM9的嵌入式Linux系統(tǒng)研究及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)

[D].蘭州理工大學(xué)，2011.

[6] 王解先，王軍，陸彩萍.WGS-84與北京54 坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換問題[J].大地

測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2003.23（3）：70-74

[7] 李沖，劉站科.幾種移去恢復(fù)法的比較分析[J].測(cè)繪工程，2009.18（5）：

41-44