何水原
（广州海洋地质调查局 广州 510760）
作者简介：何水原，男，1974年出生，物探工程师，主要从事海洋调查的导航定位及各种工程测量工作。
摘要 本文通过Seamap公司生产的Buoylink EX GPS tracking system 尾标定位系统在长排列地震调查中的应用，阐述了尾标定位系统的工作原理，以及它在地震调查中的重要性和实用性，为常规地震及三维地震调查中尾标定位的使用提供参考。
关键词 海洋地震调查 导航定位 尾标定位
1 前言
随着时代的发展，科学技术的进步，海上地震调查技术也有了很大的发展。简单的常规地震调查也将被多元化、综合性较强、多手段的调查所代替，而长排列、大容量的地震调查技术以其在深水海洋的调查优势和其对中深层地质信息反映明显而被目前海洋地震调查领域广泛使用。地震调查中所有的定位数据将由综合导航定位系统提供，导航系统的数据主要来自GPS、罗经等外设的原始数据。导航系统提供的很多位置数据则为系统推算的数据，这些数据的精度随定位设备的精度而变化。为了提高调查中的定位精度，尾标定位系统被广泛应用于二维常规地震调查中。
2 尾标定位系统在长排列地震调查中的重要性
随着长排列、大容量地震调查技术在海洋地质调查上的使用，调查中使用的电缆要比常规二维地震调查的电缆长。在这种调查中，往往使用480道电缆进行工作，其工作段长度为6km，根据弹性段使用的不同，尾标离船参考点的距离往往达到6.6km左右，这样尾标的定位显得十分必要。
在常规的二维地震调查中，由于使用的电缆工作道数少，电缆长度较短，尾标离船参考点相当近，为了节省成本，大多数的二维地震调查都不使用尾标定位设备，调查中的尾标数据是由综合导航系统根据船台上的GPS、船上的罗经以及电缆上安装的罗盘水鸟的有关数据推算出尾标位置。这样，尾标位置数据的准确度，即尾标定位的精度，就受到了GPS、罗经及罗盘水鸟精度的影响。如果电缆上使用的罗盘水鸟较少，罗盘精度较差，那么导航综合系统推算出来的尾标的位置必将与实际位置存在着很大的偏差。另外，为了减少电缆的抖动，电缆在头部和尾部都使用了弹性段，这些弹性段的实际拉伸长度是跟涌浪的大小有着密切关系的，涌浪作用大则拉伸变形较大，尾标的推算值也与实际位置相差较大。因此，在电缆受涌浪等外界因素影响大的时候，电缆形状并非直线的情况下，导航系统对尾标位置的推算将会存在较大的偏差。尾标实时定位就显得非常重要。
在地震调查的导航定位中，最终生成的后处理数据包含了各设备的位置、船参考点的位置、共中心点的位置、电缆各检波器的位置等数据，这些数据都是经过导航后处理系统最终的平差后生成的。在平差过程中，需要使用到GPS原始数据、罗经、罗盘和尾标的数据。如果尾标的位置来自综合导航定位系统推算值，那么最终生成的后处理数据必将与实际位置存在较大的偏差，这必将影响系统的综合定位精度。所以，尾标定位系统使用于长排列地震调查中是非常必要的。
3 尾标定位的工作原理
3.1 系统的组成
尾标定位系统通常由室内和室外两大部分组成。
室内部分有：GPS处理单元、串口单元、供电箱体、数据处理计算机。室外部分为：主船体部分和尾标部分。其中主船体部分由主GPS天线（基准台）、无线通信发射台（无线通信数据链）组成；而尾标部分则由尾标载体和尾标定位GPS及无线传送单元组成。
3.2 尾标定位系统的工作原理
3.2.1 两点间的距离与角度的求解
该系统主要是通过某一坐标系中两个已知点坐标去求解两点间的方位和距离的原理来实现尾标定位的。两点间的距离与角度的求解原理如下：如图1所示，当A1和A2点的位置已经知道，假设它们分别为A1（X1，Y1），A2（X2，Y2），那么A1和A2之间的距离L就可以通过这两点的位置坐标求算出来。
图1 两点间的长度与角度求解图
Fig.1 Rang and Angle Diagram
南海地质研究.2006
而其角度a也可以通过两个已知点的位置数据求算出来。
南海地质研究.2006
在尾标定位系统中，每个尾标GPS内部都安装了GPS接收器与内置的GPS天线单元，这样尾标任何时刻的位置就可以通过GPS来进行定位（袁建平等，2003）提供。另外，在船台上，该系统还有另外一套GPS进行船台的定位（刘基余，2003），这样船台和尾标就相当于已经知道位置的两个点。系统便能计算出尾标离船台的距离和角度。
3.2.2 尾标定位系统的工作原理
在尾标上RGPS接收机和在船台上的GPS接收机同时接收到卫星信号，RGPS接收到的GPS信号通过其无线电发射装置以902 MHz到928 MHz频率的无线电波发射回来给无线通信台，无线通信台把该信号传送给GPS接口单元；而船台上的GPS天线则直接将此GPS信号通过天线馈线发送给GPS接口单元。因此，该GPS接口单元同时接收到此两路信号，并将这两路信号分离及处理后，获得有关的GPS原始数据，然后将这些数据通过串口单元传送给数据解算计算机。数据解算计算机通过有关的识别软件（Seamap 使用Buoy Link Ex Gate和Buoy Link Ex Demultiplexer）和差分解算软件（Seamap 使用RtkNav R20）对这些数据按照GPS测量（张勤等，2005）解算原理进行实时动态差分解算，解算出船台GPS和尾标RGPS的位置数据以及它们之间的相对方位和相对距离，然后通过串口单元把该方位和距离发送给综合导航定位系统进行尾标的监控和系统的综合计算。
4 尾标定位的应用
为了更准确地获得尾标的位置数据，目前很多地震调查都使用了尾标定位系统。市场上也出现了各种不同型号、不同厂商生产的尾标定位系统，China Offshore Fugro GeoSolutions生产了他们自己的尾标定位系统，而Seamap Pte.Ltd.公司作为专门生产尾标定位系统的公司，其产品得到了市场的认可和用户的拥戴。下面我们将以Seamap 的尾标定位系统为例，阐述尾标定位系统的应用。
4.1 Seamap尾标定位系统的组成和连接
Seamap尾标定位系统和其他的尾标定位系统一样由室内和室外两大部分组成。
图2 结构连接图
Fig.2 Structure Diagram
系统连接如图2。首先，将16路串口单元连接到主计算机（此计算机运行于Windows XP操作系统下）的串口卡中，此卡在计算机背面有两个连接口，一个标示为“1-8”口，另一个标示为“9-16”口。这样就相当于给解算计算机提供了16个串口，这些串口可以通过软件在Windows的“设备管理”中改变接口协议，以RS232、RS422和RS485的方式进行数据的交换。接着，连接GPS处理单元和串口单元。使用串口连接线连接串口单元的COM1口和GPS处理单元Radio Com 口；使用同样的方法连接串口单元的COM 2和GPS处理单元GPS COM 1，连接串口单元的COM 3和GPS处理单元GPS COM 2。将串口单元的COM 4和Spectra的RTNU的串口相连。最后将主GPS天线连接到GPS处理单元的GPS ANT口，将无线通信发射台连接到GPS处理单元的Master Radio口。将震源上的GPS电源连接到电源单元，为震源上的GPS提供36 VDc电源。
这样，系统的室内部分就连接好了。室外，将震源GPS接上，将尾标GPS的外置天线连上，然后将它上面的两个接头一个连接到地震电缆，另一个连接电池。此时，GPS底部可看到红绿灯闪烁，它们分别表示GPS接收机和无线电传输单元已经正常工作。
4.2 系统的配置
对任何一套新的尾标定位系统来说，系统参数的配置是必不可少的。对于Seamap的尾标定位系统来说它的配置主要包括尾标 GPS 单元的配置、Buoy Link Ex Gate和 Buoy Link Ex Demultiplexer信号识别软件的配置和RtkNav R20解算软件的配置。
4.2.1 尾标GPS 单元的配置
对于Seamap尾标定位系统来说，GPS单元主要包括尾标上和震源上的GPS单元以及船台的GPS单元。尾标和震源的GPS单元主要是通过红外线通信进行配置，而船台的GPS单元则可以通过GPS接口单元的Radio开关（拨到Program位置）也进行主台GPS的配置。
尾标上和震源上的GPS配置方法如下：连接GPS电源，将计算机的红外线接头对准GPS的红外线接头，运行超级终端软件，GPS将与计算机连接。输入Help将显示有关的操作指令，按指令执行即可。
这里，我们主要用到的命令有“rs485 swith=n”更改数据输出的方式；“config？”用于显示GPS里面已经配置好的信息。该系统的说明书中还提到如何设置GPS、如何检测有关GPS信息等解决方案，这些操作都会更改GPS的配置，一旦设置不对GPS将无法工作，因此不建议对其进行配置更改。
4.2.2 尾标定位系统软件的配置
Seamap尾标定位系统的软件主要由三部分（ExGATE.exe，ExDMX.exe，RtkNav.exe）组成，其中ExGATE.exe、ExDMX.exe为信号识别和分离软件，它们的设置是相同的，这两个软件使用同一个配置文件；RtkNav.exe为数据解算软件。
4.2.2.1 ExGATE.exe、ExDMX.exe 的配置
在主菜单的“tool”菜单下点击“edit configuration”选择配置文件后进入配置界面。在配置窗口（Network setup）中编号“No.”是无需更改的，按数字顺递增，可以通过左下角的“New”、“insert”增加或插入新的编号、新的内容。界面中第二列为设备的类型“type”。其中，用“R”表示无线电波传输数据；“L2”表示双通道的RS485有线控制模式；“L1”表示单通道的有线控制模式；而“G”只使用于信号分离器（Demultiplexer）中，表示正在接收GPS数据；其中，用“U”表示遥控单元有用户数据接入。界面中第三列为尾标或震源GPS 无线模块的系列号、有线控制单元到计算机的连接串口号及在EXDMX中的连接口。此列中，如果“TYPE”为R则写入GPS无线部件号；如果为L2则写入GPS连接的串口号和波特率。在Demultiplexer中应该写入与Remote Units中与Ref相同的信息和GPS类型。如果Ref为TB而使用的GPS为NOV（Novatel），这里应该为TB：NOV。界面中第四列为计算机的IP口。我们使用的是本计算机的口，一般写入“thisPC：6401”或“127.0.0.1：6401”。在Remote Units单元中，此端口地址为GPS数据进入计算机的端口地址，在Demultiplexer中此端口为信号分离后数据传输给RtkNav.exe程序的端口。这两个端口不能相同，但Demultiplexer中端口号必须和RtkNav中的输入端口号相同。界面中第五列对所定义GPS进行描述“Description”，这里可以用数字或文字进行任意描述。界面中的第六列为参考信息“Ref.”这里写入的简短信息必须和“Demultiplexer”中“Radio SN/Com Port/Remote Port”的一致。这样设置便完成了。
4.2.2.2 RtkNav.exe 的配置
在RtkNav.exe界面中点击“File”下的“New Project”进行新文件配置，或在文件中选取已有文件进行参数编辑修改。首先，对GPS接收机进行配置，点击“Add GPS Unit”出现的界面如图3。我们需要先配置船台GPS，它接在Serial Port的COM2口，波特率为19200。然后点击“next”进入下一步的界面，选择GPS的类型和用途。（主台GPS 为NOVATEL OEM4）。此界面中还需点选“Base”使得此GPS作为主台使用。并选上从主GPS获取位置进行差分“Use Coordinates Output from the Base Receive”。点击“next”对GPS接口和数据更新率及数据处理模式进行设置。作为主GPS需选A口，数据更新率为1秒，“in what processing mode will this unit start”中选运动差分模式Kinematic（海上工作必须选此差分模式）。另外，如果需对输出的数据进行记录则在“log this unit′s data to a file”中选上“yes”。上述操作完了之后，点击“Finish”完成主台GPS的配置。
图3 RtkNav中GPS通信图
Fig.3 RtkNav GPS Communication Diagram
下面对尾标GPS和震源GPS进行配置。它们的配置方法和船台GPS配置的方法相同，但选择的接口等不一样。它们是通过网络端口进行数据交换，需选“TCP/IP Network”端口、TCP网络协议，Client网络模式，该网络端口号必须和EXDMX中的端口号不同，因为在EXDMX中的端口号是指进入和输出该软件的端点号，而这里的端口号是指输入RtkNav的端口号。Destination IP Address 是本机地址“127.0.0.1”。设置完成后点击“Next”进入GPS类型和通讯协议的设置。它们都为“ASHTECH DG16”类型，其工作方式为“Remote”，都使用“B”口，其更新率和数据处理模式都和主台GPS设置一样。如果震源GPS使用有线传送数据方式，则把它设置成从串口输入数据。
接着我们对软件的处理方式进行配置。点击配置界面的“Processing”。这里，我们在“Receiver data”中选“Single Frequency”。在“processing configuration”中选择“Manual Start-up”。在“Moving Baseline”中选“Moving Baseline On”，在“Lineup toleracnce”中选择“Remote data must be received within specified time 1800 毫秒”。另外需注意的是“Kinematic Ambiguity Resolution（KAR）选项中的KAR On”不能选。
最后，对输出数据进行配置。在配置界面中点击“Output”选卡出现数据输出的配置菜单，按照综合导航系统所需要的数据格式和通信协议设置即可。
4.3 尾标GPS的试验
每个尾标GPS在出厂前都经过检验的，但对消费者来说自己亲自做完试验后才完全相信它的精度。对于尾标GPS来说其精度直接受到内在的GPS接收器精度影响。因此对该GPS接收机的精度评价将可以获得尾标GPS的定位精度指标。该试验相对简单，连接好系统后，将尾标GPS或震源GPS放置于空旷的已知点上，并运行该系统，对尾标GPS按照普通GPS接收机的方法，以NMEA0183中GGA的数据格式进行数据记录。数据采集完后，可以运行ASHTECH EVALUATE SOFTWARE GUIDE 分析软件进行数据分析，如图4所示。最后我们对某一个尾标GPS进行了5小时的试验，通过数据分析，发现该尾标GPS定位精度在3m以内，满足各项野外地震调查的需要。
图4 误差分析图
Fig.4 Position Error Analysis Diagram
4.4 地震调查中尾标定位系统的应用
4.4.1 尾标系统的使用
在地震调查中尾标GPS安装在尾标上，连接好船台的系统后，打开供电箱体的电源，给震源上的GPS供电，打开GPS处理单元的电源。此时，面板上的GPS position灯CTS和TX亮绿灯。当与尾标GPS和震源GPS通信正常时，CD绿灯闪亮（每秒闪一次）。然后，在Windows XP操作系统中分别依次点击ExGATE.exe、ExDMX.exe、RtkNav.exe图标运行相关程序。系统将输出综合导航系统所需的尾标数据。
4.4.2 尾标系统对综合定位的影响
为了考究尾标定位对综合定位的精度影响，我们以某次南海野外工作的数据为例进行研究。在该次调查中，电缆使用480道，道间距为12.5m，电缆工作段长6.0km，加上弹性段和前导段等，尾标到船参考点约为6.6km。下面我们来看看本次工作中测线长度为73km线名为XXXX-V5G8S9的测线在使用和不使用尾标定位时的差别。
图5 电缆羽角图
Fig.5 Feather Diagram
（1）工作情况
首先，了解一下整条测线完成过程中的一些情况。图5是该测线工作过程中各炮点的电缆羽角曲线图，在该图中，可以看出开始时，电缆羽角越来越小，在3488到2400炮点处，羽角较小，并且相对稳定，而在2400炮点以后，水流变大，电缆羽角也随之增大。
图6为记录的尾标数据图，在图中，上面部分为尾标方位数据曲线，它记录了整条测线工作过程中，尾标的方位在60°附近波动，也就是说尾标在不断的左右摆动。而图中的下面部分则是尾标距离船参考点的距离。随着水流的影响，该值也在6.6km附近波动。这说明了电缆的弹性段有可能被拉长了。当然，也有可能是尾标在测线方向上的左右摆动使得该值在变化。不管怎样，尾标的位置是随着水流的影响在不断地变化着的。可见，如果综合导航定位系统按直线方式对尾标的距离进行推算的话，其推算值必定和实际值存在着一定的差别。
（2）在偏离测线左右方向上的比较
了解该测线的工作情况后，现在比较使用和不使用尾标定位系统存在的区别。首先，在偏离测线左右方向的定位上进行比较。图7为测线在1611到881炮点处的比较，图上部分为近道（第一道）的比较，而底部为远道（第480道）的比较，其中白色说明相差很小，黑色表示相差很大。从图了解该测线的工作情况后，现在比较使用和不使用尾标定位系统存在的区别。首先，在偏离测线左右方向的定位上进行比较。图8为测线在1611到881炮点处的比较，图上部分为近道（第一道）的比较，而底部为远道（第480道）的比较，其中白色说明相差很小，黑色表示相差很大。从图中，我们知道，近道使用和不使用尾标定位在偏离测线左右方向上相差很小，而在远道上相差很大。这说明尾标定位对远道的定位非常有效，而且随着电缆长度的增加，其优势就越明显。
图6 尾标数据图
Fig.6 Data of Tail Buoy Diagram
图7 在测线沿线方向的比较图
Fig.7 Comparing at Along Diagram
表1中的数据也说明了这个问题。这是该测线总共2921个定位点的统计，这里我们列举了近道（1到5道）、中道（238到242道）、远道（476到480道）比较的数据。从表中，我们可以看到使用和不使用尾标定位系统在偏离测线左右方向的数据在近道上相差很小，而在中道上，相差较大，在远道上的相差是最大的。这也证明了尾标定位对远道的定位非常有效，而且随着电缆长度的增加，其优势就越明显。
表1 尾标左右偏离测线方向比较 Table1 Tail Buoy Comparing at Across Diagram
（3）在沿线方向上的比较
通过同样的数据处理方式，我们获得了在测线沿线方向上的比较图和有关数据。
图8 在偏离测线左右方向的比较图
Fig.8 Comparing at Across Diagram
图8为测线在1611到881炮点处的比较，图中顶的上部分为近道（第一道）的比较，而底部为远道（第480道）的比较，其中浅色（白色）的部分说明相差很小，深色（黑色）则表示相差很大。从图中，我们知道，总体上使用和不使用尾标定位系统在沿线方向上的差距没有在偏离测线左右方向上的差距那么大。同样近道使用和不使用尾标定位在测线沿线方向上相差很小，而在远道上相差较大。这也说明尾标定位对远道的定位非常有效，而且随着电缆长度的增加，其优势就越明显。
表2中的数据也说明了这个问题。这也是该测线总共2921个定位点的统计，这里我们同样列举了近道（1到5道）、中道（238到242道）、远道（476到480道）的比较数据进行阐述。从表中，我们可以看到使用和不使用尾标定位系统在测线沿线方向的数据在近道上相差很小，而在中道上，相差较大，在远道上的相差是最大的。
表2 尾标测线沿线方向的比较 Table2 Tail Buoy Comparing Along Across Diagram
从数据的比较上，我们很容易看出在此方向上的相差比在左右方向上的偏差要小很多。不管怎样，都说明了尾标定位对最终的导航定位都存在影响。而且，使用的电缆越长，尾标离船尾越远，设计测线的长度越大，定位精度影响越大，特别是在受涌浪影响大的地方，设计测线较长时，影响将更大。
4.5 尾标定位系统的缺点分析
1）由于该系统使用GPS进行定位，其精度受到GPS本身的定位精度限制（梁开龙，1994）。不同的厂商使用的GPS的精度不同，其尾标定位的精度也不同。使用双频的GPS接收板的尾标定位，其定位精度必将比使用单频的精度要高。
2）由于尾标上的GPS数据信号是通过902Mhz到928Mhz的无线电波传播的，其传播距离受到一定程度的影响。尾标定位系统使用的无线电为高频信号，其传播接近直线方式。由于地球表面是曲面，当尾标离船台较远时，受地球曲面的影响和涌浪的影响，直线传播的高频无线电信号将被地球表面和涌浪所遮挡，信号链将呈现出断路现象，这时船台上的无线电台将无法与尾标进行通信，系统也将无法对尾标进行跟踪定位。因此，为了提高该系统的性能，尾标上的无线电发射天线和船台上的无线电发射台尽量架设在最高点，以确保无线电信号链的正常连接，保证系统的正常运行。
5 结论
1）使用了尾标定位系统，可提高尾标的定位精度。在导航后处理软件中，对使用和不使用尾标定位系统的数据进行了对比处理发现，根据测线长度的不同，涌浪影响的不同，电缆状态的不同，使用尾标定位，其精度有显著提高，两数值相差几十米左右，也就是说使用尾标定位最大可提高约几十米左右的定位精度。
2）由于尾标定位系统的精度受到GPS本身的定位精度影响。因此用户在选用或研发尾标定位系统时，应当尽量选用定位精度高的GPS板件作为GPS的接收板件。
3）由于尾标上的GPS数据信号是通过高频无线电波几乎直线传播的，其传播距离受到影响，因此，为了提高该系统的性能，尾标上的无线电发射天线和船台上的无线电发射台需尽量架设在最高点。
参考文献及资料
梁开龙，暴景阳，刘雁春.1994.GPS动态测量方法研究.导航（1）：16～22
刘基余.2003.GPS卫星导航定位原理与方法.北京：科技出版社
袁建平，等.2003.卫星导航原理与应用.北京：中国宇航出版社
张勤，李家权，等.2005.GPS测量原理及应用.北京：科学出版社，42～68
Buoyling EX GPS Tracking system Operators Manual，9～69
Vkaduslav Dushatshy.Ivan Iordansky Natiala Roudakova，Ashtech Evaluate User′s Guide version 5.24～25
The Applications of Tail Buoy Position in the Long Array Seismic Survey
He Shuiyuan
（Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，510760）
Abstract：Using Buoylink EX GPS tracking system，as an example，in the long array seismic survey，we explain the working theory of the tail buoy position system，and how it is used in the survey.This article would be useful in the normal and 3 D seismic survey.
Key Words：Marine Seismic Survey Navigation and Position Tail Buoy Position