1、GPS 导航定位技术在海洋工程中的应用摘 要本文首先系统论述了 GPS 的工作原理、特点；然后结合其原理全面的讨论了 GPS 导航定位技术在海洋工程中的应用，其中着重对在海上油气勘探工程中的应用作了具体分析和讨论。 关键词GPS；DGPS；导航定位；海上油气勘探 中图分类号：P228.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）42-0354-02 GPS 的全称为全球卫星定位系统（global posioning system，简称GPS）是上世纪 70 年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。 一、GPS 概述和工作原理 全球定位系统（Global Po
2、sitioning System - GPS）是美国从上世纪 70 年代开始研制，历时 20 年，耗资 300 亿美元，于 1994 年全面建成。全球定位系统由三部分构成：（1）地面控制部分，由主控站（负责管理、协调整个地面控制系统的 工作） 、地面天线（在主控站的控制下，向卫星注入寻电文） 、监测站（数据自动收集中心）和通讯辅助系统（数据传输）组成；（2）空间部分，由 24 颗卫星组成，分布在 6 个道平面上；（3）用户装置部分， 主要由 GPS 接收机和卫星天线组成。 全球定位系统 GPS（Global Positioning System）是一个全球性、全天候、全天时、高精度的导航定位和
3、时间传递系统，由地面控制站、GPS 卫星网和 GPS 接收机三部分组成。地面主控站实施对 GPS 卫星的轨道控制及参数修正。GPS 卫星网向地面发射两个频率的定位导航信息，其中包括两个定位码信号：即 C/A 码（民用）及 P 码（美国军用） 。卫星用 2个 L 波段频率发射单向测距信号，区别不同卫星采用码分多址。 GPS 之所以能够定位导航，是因为每台 GPS 接收机无论在任何时刻、在地球上任何位置都可以同时接收到最少 4 颗 GPS 卫星发送的空间轨道信息。接收机通过对接收到的每颗卫星的定位信息的解算，便可确定该接收机的位置，从而提供高精度的三维（经度、纬度、高度） 。GPS 的基本定位原理
4、简单的说就是卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。 GPS 系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。那么 GPS 系统是如何工作的呢？众所周知一共有 24 颗GPS 卫星在离地面 1 万 2 千公里的高空上，以 12 小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到 4 颗以上的卫星。由卫星的位置精确可知，在 GPS 观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用 3 颗卫星，就可以组成3 个方程式，解出观测点的位置（X，Y，Z）
5、 。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有 4 个未知数，X、Y、Z 和钟差，因而需要引入第 4 颗卫星，形成 4 个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。事实上，接收机往往可以锁住 4 颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组 4 颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。 由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的 SA 保护政策，使得民用 GPS 的定位精度只有 100米。为提高定位精度，普遍采用差分 GPS（DGPS）技术，建立基准站（差分台）进行 GPS 观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测
6、值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。现在 DGPS技术已经广泛的应用于陆地，海洋，航空航天等各个领域，为这些领域的发展发挥着重要的作用。 二、GPS 在海洋工程中的应用 随着 GPS 技术的快速发展，现在已经广泛的应用于各个领域，如为船舶，汽车，飞机等运动物体进行定位导航；为电力，邮电，通讯等网络时间同步和授入等；另外 GPS 技术广泛应用于高精度测量。GPS 问世以来，已充分显示了其在导航，定位领域的霸主地位。下面就主要谈一谈GPS 在海洋工程中的应用。 1、GPS 在船舶导航中的应用 各种专用舰船、
7、商用船只只要装上 GPS 接收设备，就可以在全球任何地点，进行定位和测速。舰船根据船用 GPS 系统测得的相对地球速度和用水压计程仪测出相对水的速度，可以直接算出海洋洋流速度，以保证舰船在适宜的洋流区航行。利用 GPS 的定位和测速信息，船只可始终沿大圆航线精确航行，以节省燃料和时间。目前，先进的船用 GPS 接收设备，含有一个在标准海图上进行投影显示的显示屏。这种使用方便的“微型海图”除了显示船位外，还能大大简化导航信息的输入和显示。所有航途基准点、危险点和其它重要标志都能用海图的游标迅速而简便地输入。此外，利用 GPS 接收设备，在狭窄航道和汇流区域，即使在雾天和黑夜能见度下降的情况下，实
8、施海上交通管制，也能使碰撞减至最低限度。尤其是巨轮在港口航行或通过狭窄航道时，可通过差分 GPS 系统以满足相对航道中心高达 5 米的导航精度。美国海岸警备队在圣马斯河进行了成功的实验，证明了在冰块将所有浮标和其他目视标志带走后，差分 GPS 系统能成功地引导舰船在冬季通过狭窄的航道。茫茫大海，船舶上的 GPS 就像船舶的眼睛，有了 GPS 的指引和帮助，船舶才不会迷失，才能顺畅的航行在大海之上。 2、GPS 系统在海上民用业务中的应用 海上民用业务中的海上地球物理测量，对导航定位精度提出了很高的要求，这是因为，在海上地球物理探测中，如果没有获得满足精度要求的位置数据，那么记录下来的地震、重力
9、数据就失去意义了。此外，在收集重力数据过程中，还要求精确知道船只的运动，以修正由运动引起的加速度。采用 GPS 系统在海上进行三维地震测量，则可使得连续导航的定位精度控制在大约 5 米或更小。在美国的实验表明，对于 3000 公里以内的站间距离，GPS 相对定位数据经过精细的处理，可达到？ 3cm左右的三维位置精度。另外，在美国海洋测量局也用 GPS 系统进行水文测量，水文图测量要求精度较高，如在近岸区域，水图的测量精度为 5米，在离岸 100 英里以外的区域测量精度为 8 米，利用差分 GPS 系统则完全能够满足这些要求。目前在海底正铺设越来越多的管路，包括输油管线、海底电缆、光缆等，这些海
10、底管路必须沿着精确测量的通路进行铺设，而 GPS 系统能够满足铺设管线的高标准定位要求。导航浮标的允许距离偏差为 10 米30 米，GPS 系统又可在建立浮标时大显身手。因此，GPS 系统的出现，对海上协同作业、交通管制、海洋测量、石油勘探、海洋捕鱼、暗礁定位等都具有重大意义。 下面着重论述 GPS 导航定位技术在海洋地震勘探中的应用。茫茫无际的海底里埋藏着的大量油气田，看不见，摸不着，怎么找到它？这就要想方设法进行勘探。这就涉及到两个方面，一是怎样确定海底有没有大量油气田，这属于勘探方法范围。二是如果有，那么它的具体位置在哪里？这属于导航定位的范围。目前在海上勘探石油和天然气主要以地震勘探为
11、主，协调配合重力、磁法和测深等地球物理勘探的手段，进行综合海洋地质调查。海洋地震勘探法是利用精密的地震仪，接收由炸药或非炸药震源（目前主要使用的是利用压缩空气瞬间释放爆发作为震源，即气枪）激发引起地壳弹性震动所产生的地震波，在岩层中传播的规律，测定海底岩层的埋藏深度和起伏形状，探索海底的储油结构，了解矿床的分布情况，寻找油气田。地震波的传播速度很快，每秒钟达 25 公里，最快可达 8 公里，几公里深的岩石界面，只要零点几秒，地震波就可以反射到海面上来。地震勘探的施工程序，是把高精密的数字地震仪安装在由专门导航定位设备和其它专用装备的船只上，把地震检波器组阵装在密封的聚氯乙烯套管中成等浮电缆，悬
12、浮在海面下 10 米左右，由船拖曳。在距船尾 100 米左右处，把激发地震波的震源沉放到海水下 5 米左右。船以 710 公里/小时的速度沿设计的测线航行，震源间隔 10 秒左右激发一次，地震仪也以同样间隔时间把海底反射回来的地震波接收记录下来，以此进行海上地震勘探的连续观测。 （原理见图 1）然后将地震记录用电子计算机进行处理，自动绘出地层剖面图和构造图。采用这种勘探方法，每日可完成 100 多公里的剖面测线长度。在实际的勘探调查中，通常又分为二维和三维，二维主要是在较大范围内对综合概查所发现的构造带进行普查，以查明地质构造的分布与特征，并发现局部构造；三维则是在二维基础上对局部构造进行详查
13、，从而最终为海上石油钻探提供精准的井位。 由于海水的流动性和不稳定性，所以在这种海洋地震勘探法中，如何确定地质构造的位置，就显得尤为重要，这就是导航定位所要面临的问题了，而解决这一问题主要就得依靠船载 GPS 和船上的以 GPS 为主体的导航定位系统，这一系统当前最主要、最常用的就是 DGPS 即差分全球定位系统（Differential Global Position System，简称 DGPS）是美国研制的第二代卫星导航系统。DGPS 就是在 GPS 的基础上利用差分技术使用户能够从 GPS 系统中获得更高的精度。它实际上是把一台 GPS 接收机放在位置已被精确测定的点上，组成基准台。基
14、准台接收机接受 GPS 卫星信号，测得并计算出到卫星的伪距，然后将伪距和已知的精确距离相比较，求得该点在 GPS 系统中的伪距测量误差，再将这些误差作为修正值以标准的格式通过播放台向周围空间播发。附近的 DGPS 用户接收到来至基准台的误差修正信息，以此来修正 GPS 的测量值，从而大大提高定位的精度。使用这种差分技术的基础是：在同一片地区内，GPS 缓慢变化的系统误差，包括选择可用性（SA）误差，对基准台及其邻近用户的影响是相同或近似的。应用差分技术可有效地削弱 S/A，电离层延迟，大气层延迟，星历误差，卫星钟误差，达到米级定位精度。这样在海洋地震勘探中，利用 DGPS 提供高精度的定位信息
15、就是必不可少的，它直接影响到整个勘探调查的成果以及后期钻探井位的定位。现在世界上比较常用的差分技术有以下几种；第一种是伪距校正，校正信号通过基准台的天线通过无线电的方式传送的。伪距校正就是利用已知点上观测到的卫星伪距和已知的到卫星的距离相比较，从而得到测量误差，然后把这种校正信息发给周围的用户，从而提高他们的定位精度。这种方法的缺点是要建立比较多的基准台。第二种也是通过伪距校正的方法提高定位的精度，不同的是校正信号是通过地球同步卫星发送，这样信号的覆盖范围比较大。这种方法也称为 WCT（World area Correction Transform） 。第三种方式是通过修正 GPS 卫星的轨道
16、参数和时钟值，从而提高定位的精度，修正信号通过地球同步卫星（比如说 Inmarsat 卫星）传送。这种方法被称为 RTG（Real Time Gipsy） 。DGPS 技术使定位的精度提高到了米级级别。在海洋地震勘探调查中，光有高精度的 DGPS 是不够的。如何控制地震船，地震采集系统，震源按照设计的要求来运作，地震数据采集过程中各系统的时序问题，如何确定震源中心的位置、CMP 点的位置和地震接收电缆每个 SRG 的位置等，这就需要一个复杂有效的系统，这就是综合导航系统。目前比较完善的综合导航系统有 SPECTRA，GATHER。像Spectra 综合导航系统，主要由 Spectra 软件和
17、RTN 硬件组成的。该硬件能够提供准确的 GPS 参考时间，各种数据接口并且能够产生和接收Relay 和 TTL/CMOS 的触发信号，配合在 Spectra 软件中设定的参数，从而使得地震船、地震采集系统和震源按照指定的要求来运作。对于震源中心、CMP 点和电缆的 SRG 位置，Spectra 系统主要通过几何和数学方法来实现。通过已知的精确 DGPS 位置和辅助定位设备计算出的地震船、震源和电缆之间的相对位置，然后通过冗余平差等方法，从而计算出船、震源和电缆实时准确的位置。然后通过这些数据就可以很容易的计算出地震勘探中电缆每次接收到的海底反射地震波所处的位置，进而确定海底地质构造的地理位置
18、。目前比较常用的辅助定位设备主要有 RGPS 和Digicourse 水下声学定位系统。RGPS 系统主要用于测量水面以上设备的相对位置（主要利用 GPS 系统，发出自己的位置信息，然后由共同的接收系统接收，从而计算出相互间的距离和方位） 。Digicourse 主要包括Acoustic CMX、CTX（利用声音在水中的传播，然后根据声音在设备之间的传输时间，从而得出设备间的距离） ，主要用于测量水下设备间的相对位置。有了这样一整套完整的综合导航系统后，就可以在地震勘探调查中，轻松的控制船、震源和电缆按照设计的要求去运作，达到调查目的。有了以 DGPS 为主体的导航定位系统，加上一些辅助定位系
19、统，再加上专业的后处理就能够较准确的找到地质构造的位置，从而最终为海上石油钻探提供更精确的井位，为发现油气构造奠定了基础。 以上主要论述了 GPS 技术在海洋油气勘探中的作用，我们相信随着GPS 技术的发展，导航定位技术也将会越来越先进，定位精度也将会越来越高。 正如人们所说：“GPS 的应用，仅受人们的想象力制约。 ”GPS 已经进入了我们生活的各个领域，为我们带来了方便带来了效率。我相信随着世界科技的发展和文明的进步，GPS 技术将会有更加辉煌的明天，同时也将为人类提供更多的便利和帮助。 参考文献 1 邓中卫， 【GPS 技术应用与市场】 ；航空工业出版社；1996 2 刘基余， 【全球定位系统原理及其应用】 ；测绘出版社；1993。 3 陆基孟，地震勘探原理M，东营：石油大学出版社，1993； 4 刘基余，李征航，王跃虎等，全球定位系统原理及应用M，北京：测绘出版社，1993；
