GATOR綜合導航系統淺析摘要GATOR系統是目前世界上最先進的海底電纜地震勘探綜合導航系統之一，文中闡述了該系統集成化的數據采集及同步控制接口、靈活可變的系統配置、基于無線網絡的數據交互及管理等技術特點。關鍵詞地震勘探海底電纜綜合導航GATOR系統引言綜合導航系統是海上地震勘探的控制核心，其作用為：為地震船行駛提供導航信息；為地震測線、炮點、檢波點定位；控制點火放炮；共反射點面元計算；實時質量控制；與地震勘探儀器交換信息。綜合導航系統實時采集所有定位傳感器的數據，對其進行實時計算處理，在此基礎上進行實時控制。在海上綜合導航方面，中海油服物探事業部新組建的海底電纜隊采用世界地球物理勘探領域最先進的GATOR綜合導航系統進行施工作業，給項目的施工帶來極大的方便。GATOR系統的關鍵技術集成化的數據采集及同步控制接口綜合導航系統所用到的各種導航定位設備，如GPS、電羅經及測深儀等的實時輸入數據，通過PowerRTNu(PowerRealTimeNavigationUnit)，進入到GATOR綜合導航系統中。PowerRTNu是英國IONConcept公司專門為海上地震勘探導航作業設計的一個集成了多種導航定位設備，及采集同步控制的輕便的集成化實時數據采集處理接口單元。它廣泛應用于各種海洋地震勘探中。PowerRTNu為綜合導航系統及整個海上地震勘探的資料采集，提供了精確的基于GPS時間框架的時間同步信息、多個串口通訊協議的外部輸入輸出設備接口以及多個外部輸入輸出觸發信號。PRTNU同導航系統的數據接口通訊，通過EthernetTCP／IP協議實現。PowerRTNu由MVME微處理單元、輸入輸出緩沖接口卡、數據通訊接口卡、GPS芯片、通用電源組成。1．MVME微處理單元MVME微處理單元是一個多協議處理器，內部集成了微處理器和一些控制領域的常用外圍組件。它提供了與外部操作系統之間通訊協議。每個VME處理器板中的RTOS（實時操作系統）是Vxworks，但是它不儲存在PowerRTNu里，每次啟動需要從工作站或者網絡上加載。2．輸入輸出緩沖接口卡輸入輸出緩沖接口卡可以產生閉合或TTL電平形式的觸發信號，也可以接收外部設備輸入的閉合或TTL電平形式的觸發信號。提供最多12個輸出和6個輸入的relay或TTL信號的能力，如果需要的接口數多于15個，則要安裝額外的接口板，增加8個RS232接口。3．數據通訊接口卡數據通訊接口卡控制著PowerRTNu后面板串口的正常工作，同時它把GPS數據從TTL轉換為R$232通訊協議。數據通訊接口卡標準配置是15個接口來接傳感器和外圍設備，其中的7個口可以是RS232/RS422/RS485/NMEA數據，內外部提供帶寬1G的局域網。4．GPS芯片GPS芯片它給PowerRTNu提供精度為20ns的GPS時系的1PPS脈沖，用于精確控制和調整PowerRTNu的內部時鐘，使地震采集時導航系統、槍控制系統、地震記錄系統時間同步。5．通用電源它給PowerRTNu提供電源。整個PRTNU的外殼設計符合EMC標準，VME處理主板的平均故障時間能保證22年。圖1PowerRTNu前面板圖2PowerRTNu后面板圖3BasicPowerRTNu模塊圖圖4PowerRTNu內部GPS芯片圖圖5PowerRTNu數據通訊接口卡模塊圖靈活可變的系統配置GATOR綜合導航系統的主體是基于客戶／服務程序結構體系的。在這種結構體系下，DataServer程序是其動態管理所有實時數據的服務程序，而所有其他的系統程序都是其客戶程序。DataServer程序在系統運行過程中處于被動狀態，所有的數據發送或接收任務，都是由其他客戶程序來完成。DataServer程序在運行時一直處于等待其他客戶程序的數據請求狀態。客戶程序發送數據請求到DataServer程序，通過RPC(remoteprocedurecal1)來實現。這種遠程請求不但可發生在位于不同網絡硬件平臺的不同客戶程序之間，也可發生在同一網絡硬件平臺的眾多客戶程序之間。一旦DataServer程序啟動處于運行狀態，所有客戶程序之間的數據通訊鏈路就暢通有效。各個不同的客戶程序按自己的任務向DataServer程序提交自己的實時數據的更新和變化，也同時向DataServer程序提交(提取)自己特定需求的數據項目，并更新自己產生和提交的數據。在這種客戶程序／服務程序結構體系中，一個數據項可以被多個客戶程序所提取為它們的程序任務所用。各種類型的數據項目包括原始數據、計算處理的中問數據、成果數據以及各個程序的設置參數數據，都被轉發到動態數據庫中，以供其他客戶程序提取。除了DataServer程序外，其他程序相對于DataServer程序，都是客戶程序。每個客戶程序都有自己的特定功能，一系列的客戶程序的組合就能協作完成不同的系統工作和任務。而且客戶程序的平臺可以是UNIX、Linux、Windows等多種不同的配置，從而組成不同應用和高效而方便的系統。圖6GATOR節點連接示意圖基于無線網絡的數據交互及管理海底電纜采用典型的多船作業方式，需要無線網絡技術來控制多船之間的數據傳輸和交換。在海底電纜作業中采用MVRS來實現無線網絡技術的數據傳輸，其中GATOR系統的DTN節點用以控制數據的傳輸。無線網絡技術的傳輸速率現在已經達到llMb／s，傳輸距離可遠至20km以上。無線網絡技術的應用能快速方便地解決使用有線方式不易實現的網絡連通問題。圖7數據通訊交換示意圖GATOR綜合導航系統的無線網絡通訊設備MVRS硬件連接如下圖，采用2.4GHz帶寬擴頻技術的電臺和900MHz的FreeWave電臺，包括900MHZ和2400MHZ的天線，分別通過一個快速抑制器（濾除干擾）和信號放大器（amplifier）連接到MVRS主機，再通過EthernetHub鏈接到PowerRTNu。圖8MVRS后面板接口圖圖9MVRS連接示意圖這兩種電臺的組合使用，同以前導航系統中使用的通訊系統相比，其數據通訊鏈路具有以下幾個特點。1．抗干擾性能強這兩種電臺都采用跳時擴頻信號，系統具有較大的處理增益。在發射時，將微弱的無線電脈沖信號分散在較寬闊的頻帶中，輸出功率比較小；接收時，在解擴過程中產生擴頻增益。2．傳輸速率高2.4GHz電臺的數據速率，可達到每秒幾十兆；900MHz的FreeWave電臺的數據傳輸率，也能達到38400b／s。3.發送功率小系統發射功率小。通信設備只需不到lW的發射功率就能實現通信，低發射功率大大降低了系統的總耗電，而且，發射功率小，其電磁波輻射對人體的影響也就小。GATOR綜合導航系統實現了整個作業船隊專門無線網絡的數據管理，因此，在實際生產作業中，很容易地就實現了船隊中各子船之間的實時數據交換及數據處理。同時，母船能夠實時監控各個作業船只的作業情況，根據地震生產作業具體情況，及時更新或改變作業計劃以及采取各種應急反應。結束語上述幾個方面，是GATOR綜合導航系統特有的關鍵技術。集成化的數據采集及同步控制接口的設計，提供了所有導航定位設備的數據解釋接口及地震同步采集的信號觸發接口；基于客戶程序／服務程序結構體系的系統總體結構框架，是整個系統的核心設計思想，它使系統具有靈活、可變的配置能力；基于無線網絡的數據交互及管理的功能，使野外作業的海底電纜作業船隊實現了實時、靈活且是中央控制管理，提高了野外生產小隊的施工效率及QHSE管理水平。參考