GPS井位勘測儀的研制與應用

摘 要： 在實際井位測量中，由于數據處理的滯后導致無法實時解算出定位結果，也無法對測量數據進行檢核，這就很難保證測量數據的質量，一旦經內業處理后發現精度不合要求，還須返測，工作效率低下。為此介紹了一種以ARM9為開發平臺，基于LINUX操作系統的手持式GPS井位勘測儀的實現原理，并給出了GPS井位勘測儀的總體結構設計、系統硬件設計和系統軟件設計方案。該勘測儀能大幅提高油田井位勘測的工作效率，具有很高的實用價值。

關鍵詞： 井位勘測； GPS定位； 北京-54坐標； WGS-84坐標

中圖分類號：TP391/TP311 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2013）03-11-02

0 引言

井位勘測是油田勘探開發中最為基礎和不可替代的工作，目前井位勘測技術主要有兩類：光電測量技術和GPS衛星定位技術。光電測量技術是傳統的測量技術，使用光電測量儀進行野外井位測量，雖然檢測精度高，但也有測量速度慢、受環境因素影響大、對控制點的依賴性強等缺點。GPS衛星定位技術作為目前發展較為成熟的新興測量技術，具有測量速度快、全天候測量、作業靈活、對控制點依賴低、精度較高等特點[1]。

油田井位工程測量具有精度要求不是很高，測量周期較短，作業強度大，檢測條件差的特點。如果能研制出一種基于GPS的井位勘測儀，勘測時能夠直接顯示當前井位的國家坐標系統值和井位高程的正常高，就會大幅提高井位勘測的效率，這對于井位勘測工作來說有很高的實用價值。

1 總體結構設計

本測量系統是由基站、測量點和數據鏈組成的實時動態定位（RTK）系統，無線數據通訊是實時動態測量的保證[2]，其工作原理是取點位精度較高的控制點作為基站，對衛星進行連續觀測，測量點在接收衛星信號的同時，通過數據鏈接收來自基站上的修正數據，測量點上的處理器根據相對定位原理和對應算法快速計算并顯示出測量點的精確位置坐標和正常高。該GPS井位勘測儀的系統結構框圖如圖1所示。

基站和測量節點的硬件配置很相似，但基站只負責差分修正數據的求取和發送，其系統功能與測量點相比要簡單很多。本井位勘測儀采用的差分方式為位置差分，這就要求測量點和基站要能同時觀測同一組衛星，故測量點相對于基準站的運動范圍受到限制（100 km以內），因此在測量中應予以注意[3]。

2 系統硬件設計

本井位勘測儀的硬件部分是以Samsung公司的ARM9處理器——S3C2440為核心，ARM9處理器通過串口驅動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處理器驅動一塊3.5英寸26萬色彩TFT觸摸LCD[4]即可顯示測量點的坐標信息，也可將其作為數據輸入設備，該系統硬件結構如圖2所示（基站和測量點的硬件組成基本一樣，因此不作重復展示）。

GPS模塊的型號為GR-87，其遵循0183標準協議，傳輸波特率為4800，定位精度小于10m，冷啟動時間小于35s，為全封閉封裝，具有體積小，抗電磁干擾優異的優點。

GPRS模塊的型號為GTM900-C，其內嵌TCP/IP協議，提供ACK應答。作為數據鏈的重要組成部分，GPRS模塊負責實現差分修正信號的傳遞功能。基站綜合GPS模塊接收到的GPS信號和已知的基站自身的精確位置信息，并利用差分算法計算出差分修正信息，通過GPRS模塊發送給各個測量點，各個測量點接收到差分修正信號后對當前的坐標信息進行修正，得到更為精確的坐標值。然后經過相應的算法將該坐標值轉化為實際可用的當地坐標值，并通過LCD顯示給用戶。

本方案所涉及的算法較為復雜，對硬件要求較高，綜合考慮選用ARM9作為系統的微處理器。

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件結構

系統軟件采用C語言編寫，在針對ARM優化的arm-Linux-g++下編譯通過，采用的工具和函數庫能與Linux操作系統兼容，并遵循開源的風格，降低了系統的開發費用[5]。系統實現了GPS數據讀取、GPS位置差分、WGS-84到北京-54坐標系統的轉換、高程異常值的求取、數據顯示和存儲等功能。以下簡要介紹基于Qt/Embedded的應用程序設計和實現。

該系統（測量點）啟動后進入程序主界面，通過依次調用幾個功能模塊來實現不同的功能，這些模塊包括：GPS信號讀取模塊（Gps_read）；串口通信模塊（SerialPort）；核心算法模塊（Control_centre）；顯示和存儲模塊（Display_storage）等。與測量點相比，基站平臺上的軟件系統與測量點大致相似，并且基站不需要進行相應的坐標系統的轉換，因此對于基站的軟件系統模塊不再做描述。測量點軟件系統結構如圖3所示。

⑴ 串口通信模塊：負責打開、配置、讀寫和關閉串口。

⑵ GPS數據讀取模塊：負責讀取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坐標系統轉換算法和正常高求取算法。

⑷ 顯示、存儲模塊：負責顯示并儲存測量點的坐標值和正常高，用戶還可以利用屏幕鍵盤進行相應的數據輸入操作。

3.2 坐標轉換流程

GPS模塊接收并進行差分得到較為精確的測量點的WGS-84大地坐標（B，L，H）84，首先將其轉換為WGS-84地心坐標（以地球質心為原點建立的空間直角坐標（X，Y，Z）84），然后利用布爾莎-沃爾夫七參數法或三參數法將該坐標轉換為北京-54的地心坐標，之后將其轉換為北京-54的大地坐標并經過投影得到對應的平面坐標[6]，并進行顯示和儲存，其轉換流程如圖4所示。

3.3 正常高的求取

假定某點的正常高為h，大地高為HG（從一地面點沿過此點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系為：

h=HG-ε ⑴

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

大地高HG可以通過GPS模塊獲取，所以要想求取測量點的正常高就必須先求得該地區的高程異常ε。根據物理大地測量學的理論，高程異常ε包含3個分量：

⑵

式⑵中為通過重力場模型計算出的長波分量，為用斯托克斯積分公式得到的地面重力異常中波分量，為地形改正對大地水準面的影響值。

本方案采用移去恢復算法來求取高程異常值，移去恢復算法的思想就是首先在高程異常中移去長波分量部分或短波分量部分，對其剩余值進行擬合，然后再在待定點上恢復移去的長波分量值或短波分量值[7]。具體步驟如下。

⑴ 移去：設有m個GPS水準重合點，其高程異常為（k=1，…，m），則在這m個點上利用重力場模型計算，或利用地形改正公式計算，求解出未知點的Δεk。

⑵ 擬合：以此m個點的Δεw和平面坐標（差）作為起算數據，構建數學模型進行擬合，從而求解出未知點的Δεw。

⑶ 恢復：在未知點上利用重力場模型或地形改正公式計算出或，再加上Δεw，便得到未知點上高程異常值。

3.4 數據測試

4 結束語

在油田的井位勘探工作中，對于井位的測量大多采用靜態的處理方式，測量周期長，工作效率低。本井位勘測儀可以實時地顯示并存儲測量點的精確位置信息和正常高，測量速度快，而且對數據的處理和管理更加合理，具有全天候測量、作業靈活的特點。將井位勘測儀應用在以后的井位測量工作中，能在很大程度上減輕勘測人員的工作量，提高工作效率，具有很高的實用價值。為了進一步提高測量精度，對于本井位勘測儀能以精度更高的差分方式（如偽距差分）和更準確的正常高求取算法可作進一步研究，同時還可對軟件系統作進一步的優化和改進。

參考文獻：

[1] 張鳳彬，王香云，岑志勇等.GPS技術在勘探開發井位測量中的應用

與分析[J].河南石油，2000.14（4）：16-18

[2] 楊帆，張予杰.GPS_RTK技術在油田井位測量中的應用[J].全球定位

系統，2005.30（2）：23-26

[3] 夏熙梅.差分GPS定位技術及應用[J].現代情報，2002.3：99-101

[4] mini2440用戶手冊[M].廣州友善之臂計算機課件有限公司，2010.

[5] 藤永.基于ARM9的嵌入式Linux系統研究及設備驅動程序的開發

[D].蘭州理工大學，2011.

[6] 王解先，王軍，陸彩萍.WGS-84與北京54 坐標的轉換問題[J].大地

測量與地球動力學，2003.23（3）：70-74

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

41-44