海上地震勘探綜合導航模擬測試系統軟件設計與實現

翟慧杰 張昊楠

（中海油田服務股份有限公司物探事業部，天津 300450）

0 引言

拖纜地震勘探是海洋油氣勘探的主要施工方式之一，在其作業過程中，綜合導航系統處于指揮和控制中心地位。綜合導航系統在作業中需要接入DGNSS、電羅經、測深儀、RGNSS 及水鳥等多種數據，這些數據的格式不同，采樣率從0.1 秒到數十秒，通過網絡及串口傳輸，同時綜合導航系統還需控制觸發拖纜控制與定位系統、地震采集系統及槍控系統，在整個作業過程中涉及大量的數據交互及命令控制。中海油田服務股份有限公司經過多年技術攻關，形成了以海途HQI-Navi?實時綜合導航系統軟件及導航采集控制平臺INSP （Integrated navigation system platform）在內的拖纜綜合導航系統產品。

由于海上試驗環境特殊，系統無法長期在海上進行試驗，而室內測試，則難以搭建測試環境，因此需開發一套綜合導航模擬測試軟硬件系統，可模擬海上試驗場景。QT 是一個基于C++語言開發的跨平臺圖形化用戶界面應用程序開發框架，文獻[5]設計了一套基于QT 多線程多串口的綜合導航模擬上位機軟件，但該軟件直接通過串口連接到導航INSP 箱體，無法對觸發信號進行配置及控制，且對數據的支持格式有限。本文針對海上拖纜地震勘探綜合導航系統的室內開發測試需求，設計了一套可與綜合導航模擬測試系統硬件相配合的上位機軟件，對軟件的需求及設計方案進行探討，并進行功能模塊劃分和設計開發。

1 需求分析

海上拖纜地震勘探作業中，綜合導航系統收發的數據可分為3 類：

（1）被動接收，接入的傳感器種類多，數量大，包含DGNSS、RGNSS、電羅經、測深儀、水速儀等，其中DGNSS 和電羅經一般需要各接入3 套，數據格式也存在差異，該類數據完全按照傳感器自身的采樣間隔，通過RS232 或RS422 串口，遵循相應的通信參，持續不斷發送到導航系統中。

（2）是通過導航控制平臺主動觸發后接收到的數據，主要包括槍陣數據和羅經鳥、聲學鳥、水平鳥、聲速鳥等數據，一般槍陣數據每炮觸發采集1 次，通過串口發送到導航系統，各類水鳥數據按照作業配置1～2 炮觸發采集1 次，主要通過網絡傳輸，羅經鳥數據也可支持串口傳輸。

（3）主動發送，每炮響炮前將炮號和炮源發送給震源控制系統，響炮后收到槍數據，合并生成儀器頭段數據，發送給拖纜采集系統，2 種數據均通過串口發送。不同傳感器數據的具體信息見表1。

表1 傳感器采樣間隔

上位機軟件需要完成數據模擬及抽取，并通過通信接口將模擬數據發送給導航模擬測試機箱（硬件設備）進行進一步的格式、內容和時序的處理操作。同時，需要配合模擬實際作業中槍控、鳥控、采集系統的觸發控制，數據的發送依賴于特定的時序。此外，上位機還可監控導航系統發出的槍頭段和儀器頭段。具體如下：

（1）二維、三維導航定位數據抽取及模擬。

（2）串口數據模擬發送：實現對DGPS、RGPS、電羅經、測深儀、羅經鳥、槍陣、頭段數據的模擬發送，可進行串口配置。

（3）網絡數據模擬發送：實現對聲學鳥、水平鳥、羅經鳥、聲速鳥等數據的模擬發送，通過導航模擬測試機箱以網絡方式發送給綜合導航系統。

（4）同步控制：模擬實際作業中槍控、鳥控、采集等系統的觸發控制，數據的發送依賴于特定的時序。

（5） 能夠與導航模擬測試機箱進行數據通信，支持通信參數配置。

2 導航數據模擬方法

數據模擬是上位機軟件的主要功能之一，主要實現方式為解析P294 文件，按照配置格式，生成每個傳感器數據的數據文件及時間間隔文件。

P294 是國際通用的拖纜地震勘探原始數據交換文件，由頭信息和數據信息兩部分構成，其中頭信息規定了勘探船的作業配置信息，包括傳感器的種類、數量，各傳感器的觀測值ID、掛載位置等信息，數據信息部分按照P294 規定的數據格式，記錄傳感器數據。P294 中記錄的數據格式與傳感器的原始數據格式不同，因此在進行數據模擬時，首先，根據P294 文件頭的配置信息確定數據種類、數據格式，以及數據對應的觀測值ID；其次，在P294 文件數據記錄部分，將各傳感器數據，按照導航控制平臺可接收的數據格式，進行數據合成，生成每個傳感器的數據文件，同時根據各傳感器相鄰數據的時間間隔，生成對應的時間間隔文件。RGNSS 數據中包含了多個傳感器數據，但在P294 文件中僅定義了一個觀測值ID，需在生成數據文件前，對每個RGNSS 傳感器配置獨立的ID，該ID配置需和綜合導航系統中的參數配置保持一致，才可使得數據發送到綜合導航系統時被正常解析。

除了水鳥數據外，所有數據格式均為標準ASCII數據串，水鳥數據為16 進制格式，在解析P294 文件進行模擬數據生成時也需按照綜合導航系統中的參數進行拖纜的平臺配置。

3 軟件設計及實現

3.1 架構設計

綜合導航模擬測試系統的軟件報告上位機軟件和ARM 嵌入式軟件兩部分。軟件架構示意圖如圖1所示，考慮到上位機與嵌入式設備性能上的差異，上位機軟件主要用于與用戶進行交互，實現數據處理與顯示等復雜功能。嵌入式軟件主要用于數據的接收與轉發。上位機軟件與ARM 嵌入式軟件使用網絡通信方式連接，通過socket 相交互，擁有該socket 的類，通過對接收的協議數據進行解析，控制數據的發送。

圖1 軟件架構示意圖

3.2 軟件設計及實現

綜合導航模擬測試系統的上位機軟件基于QT5開發，采用C++語言，可跨平臺運行在有Windows 或Linux 操作系統的計算機上，以實現導航原始數據的模擬及多種指定格式數據的控制發送，配置通信參數，監控系統的運行狀態。其主要功能為：

（1）系統參數配置，包括網絡配置、P2 文件抽取文件目錄及參數配置、串口通信參數配置、觸發端口及觸發時序配置等，參數配置可保存及加載。

（2）導航數據模擬，對P2 文件解析及數據抽取，支持多種數據種類及數據格式，支持整個文件抽取及部分炮號抽取。

（3）顯示數據發送、接收及觸發狀態，監控收到的頭端數據內容。

（4）系統運行控制，包括打開與關閉串口、開始與結束發送、數據計數清零等；綜合導航模擬測試系統上位機軟件運行界面如圖2 所示。

圖2 上位機軟件

4 結語

本軟件針對多套拖纜導航數據進行了數據模擬及發送測試，能有效支持拖纜綜合導航系統的室內開發測試，后續將進一步增加對海底電纜P2 數據的支持，為海底地震勘探綜合導航系統的研發提供支撐。