海上風(fēng)電場(chǎng)勘察放樣的幾種方法探討

翁鵬飛

摘 要：近期，隨著遠(yuǎn)離海岸的分布在黃海海岸的大型風(fēng)場(chǎng)基地的選址完成，對(duì)我們勘察設(shè)計(jì)單位的海上風(fēng)電勘察定位提出了新的挑戰(zhàn)和新的要求，必須有一套切實(shí)可行的海上風(fēng)電放樣及復(fù)測(cè)技術(shù)才能滿足海上風(fēng)電的初勘、詳勘工作。為風(fēng)場(chǎng)的順利施工提供可靠的技術(shù)支撐。文章從采用不同的技術(shù)設(shè)備進(jìn)行精密單點(diǎn)定位，通過(guò)比對(duì)、分析判斷，得出在不同的勘察階段應(yīng)該采用的定位技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：勘察；GPS；PPP；星測(cè)差分；海岸

引言

近期，隨著國(guó)家海洋千萬(wàn)級(jí)的風(fēng)電基地在江蘇黃海獲批后，采用傳統(tǒng)的測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量，已經(jīng)滿足不了遠(yuǎn)離海岸風(fēng)電場(chǎng)的勘察放樣、復(fù)測(cè)鉆孔坐標(biāo)等工作需求。為此，文章從遠(yuǎn)離海岸常用的四種方法分別解析其原理、精度指標(biāo)等，分析對(duì)比其優(yōu)缺點(diǎn)。

通過(guò)在不同的勘察設(shè)計(jì)階段可以采用的測(cè)繪方法，指導(dǎo)類(lèi)似遠(yuǎn)離海岸的海洋工程項(xiàng)目的測(cè)繪工作，可以為類(lèi)似于舟山海洋經(jīng)濟(jì)特區(qū)的勘察放樣測(cè)量工作提供一定的參考依據(jù)。

1 幾種方法介紹

1.1 通過(guò)設(shè)立中繼站電臺(tái)

由于工作環(huán)境的復(fù)雜性，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站之間往往無(wú)法避免障礙物對(duì)電臺(tái)通信的影響，此時(shí)中繼站電臺(tái)可以起到比較好的補(bǔ)救作用：一是可以接收來(lái)自基準(zhǔn)站的信號(hào)，又可以將其發(fā)送出去供流動(dòng)站使用；二是中繼站電臺(tái)只轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，不必安排在已知點(diǎn)上，完全可以按需要隨時(shí)任意安排位置。

中繼站電臺(tái)技術(shù)的精度較高（平面可以達(dá)到5cm，高程達(dá)到10cm），可以很好的應(yīng)用于遠(yuǎn)離海岸風(fēng)電場(chǎng)的勘察放樣工作，而且可以保證測(cè)量的精度要求。

1.2 PPP技術(shù)

精密單點(diǎn)定位（Precise point positioning，PPP）技術(shù)是由美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的Zumberge于1997年提出。20世紀(jì)90年代末，由于全球GPS跟蹤站的數(shù)據(jù)量急劇上升，全球GPS數(shù)據(jù)處理工作量不斷增加，計(jì)算時(shí)間呈指數(shù)上升。為了解決此問(wèn)題，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室提出了采用如下方法解決。

在GPS定位中，主要的誤差來(lái)源有衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延時(shí)。如果采用雙頻接收機(jī)，可以利用LC相位組合，消除電離層延時(shí)的影響。如果選擇地心地固系表示衛(wèi)星軌道，計(jì)算的參考框架同為地心地固系，可以消除觀測(cè)方程中的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)。所以，只要給定衛(wèi)星的軌道和精密鐘差，采用精密的觀測(cè)模型，就可像偽距差分一樣，單站計(jì)算出接收機(jī)的精確位置、鐘差、模糊度及對(duì)流層延時(shí)等參數(shù)。

由于在遠(yuǎn)離海岸的風(fēng)電場(chǎng)勘察放樣中，需要及時(shí)的確定實(shí)時(shí)的三維坐標(biāo)（X、Y、H），而PPP技術(shù)屬于數(shù)據(jù)后處理技術(shù)，故而不能有效的使用在勘察設(shè)計(jì)放樣階段。而可以考慮使用在勘察設(shè)計(jì)階段的后期復(fù)測(cè)工作中。

1.3 南方測(cè)繪儀器公司的S750手持機(jī)

實(shí)時(shí)定位精度：?jiǎn)吸c(diǎn)定位可達(dá)2.5米， 差分處理可達(dá)0.2米。

軟件具有四參數(shù)及七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能，可以采用水下地形測(cè)量階段測(cè)繪單位提供的7參數(shù)，輸入到S750后，采用校正向?qū)нM(jìn)行測(cè)區(qū)參數(shù)的校正，以得到正確的測(cè)區(qū)坐標(biāo)進(jìn)行平面位置的勘察階段的鉆孔放樣。

高程可以通過(guò)能收集覆蓋風(fēng)場(chǎng)范圍內(nèi)的驗(yàn)潮資料，采用單站驗(yàn)潮、雙站驗(yàn)潮改正、多站驗(yàn)潮改正三種改正模式進(jìn)行改正，以得到實(shí)際測(cè)量點(diǎn)位的海底高程值。

1.4 星測(cè)差分機(jī)

星測(cè)StarFireTM是全球雙頻GPS差分定位系統(tǒng)，它是目前世界上第一個(gè)可以提供分米級(jí)實(shí)時(shí)精度的星基增強(qiáng)差分系統(tǒng)。與RTK相比星測(cè)StarFireTM系統(tǒng)具有更強(qiáng)的靈活性和易用性。用戶在使用星測(cè)系統(tǒng)時(shí)不需要考慮架設(shè)基準(zhǔn)站的問(wèn)題，可以節(jié)省大量硬件及人力維護(hù)成本，同時(shí)用戶也不需要考慮作業(yè)活動(dòng)范圍，您能夠自由地在全球任何地方得到單機(jī)實(shí)時(shí)的分米級(jí)定位精度。

1.4.1 星測(cè)產(chǎn)品的特點(diǎn)

（1）單機(jī)工作，實(shí)時(shí)定位精度：水平≤10cm、高程≤15cm；（2）GPS/GLONASS/Galileo三合一組合導(dǎo)航定位；（3）無(wú)需架設(shè)基準(zhǔn)站，一臺(tái)即可工作，提高工作效率；（4）不受距離限制，全球任何地方都可測(cè)量定位；（5）一機(jī)多用：RTK、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)多模式操作一應(yīng)俱全；（6）強(qiáng)大的兼容性：可與各品牌RTK產(chǎn)品配套使用；（7）獨(dú)有RTK和RTG聯(lián)合工作模式：RTK和RTG聯(lián)合工作模式時(shí)，當(dāng)RTK通訊鏈中斷時(shí)，利用RTG功能，可在15分鐘內(nèi)保持RTK精度。

1.4.2 星鏈差分原理

（1）系統(tǒng)組成。整個(gè)星測(cè)StarFire系統(tǒng)由五部分組成：a.參考站。均為雙頻GPS接收機(jī)，24小時(shí)連續(xù)作業(yè)采集GPS衛(wèi)星信息，并實(shí)時(shí)向數(shù)據(jù)中心發(fā)送。在世界范圍內(nèi)，這樣的參考站共有55個(gè)。b.數(shù)據(jù)處理中心。圖中方塊為數(shù)據(jù)處理中心，全球有兩個(gè)數(shù)據(jù)處理中心，位于北美。中心從55個(gè)參考站不斷接收數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)分析計(jì)算得到GPS衛(wèi)星軌道改正數(shù)和鐘差改正數(shù)，將其發(fā)送至衛(wèi)星信號(hào)上傳系統(tǒng)。c.注入站。注入站是連接數(shù)據(jù)中心與海事衛(wèi)星的關(guān)鍵部分。它將從數(shù)據(jù)中心接收到的信息實(shí)時(shí)發(fā)送給衛(wèi)星，從而完成地面與衛(wèi)星的信息交換。d.地球同步衛(wèi)星（Inmarsat）。三顆衛(wèi)星即為本系統(tǒng)一般狀態(tài)下使用的衛(wèi)星。三顆衛(wèi)星是沿赤道軌道平行分布的地球同步衛(wèi)星。由于其軌道較高，可以覆蓋南北緯76度之間的所有范圍。也就是說(shuō)，在其覆蓋范圍內(nèi)，均可以接收到穩(wěn)定的、同等質(zhì)量的差分改正信號(hào)，從而達(dá)到世界范圍內(nèi)同等精度。e. 用戶站。用戶接收機(jī)實(shí)際上同時(shí)有兩部分組成，一個(gè)是雙頻GPS接收機(jī)，一個(gè)是L 波段的通信接收器。雙頻GPS 接收機(jī)跟蹤所有可見(jiàn)的衛(wèi)星然后獲得GPS衛(wèi)星的測(cè)量值。同時(shí)，L 波段的接收器通過(guò)L波段的衛(wèi)星改正數(shù)據(jù)。當(dāng)這些改正數(shù)據(jù)應(yīng)用在GPS 測(cè)量中時(shí)，一個(gè)實(shí)時(shí)的高精度點(diǎn)位就被確定了。

（2）工作方式。星測(cè)StarFireTM是在早期的增強(qiáng)差分系統(tǒng)上發(fā)展的，它獨(dú)立地考慮每項(xiàng)GPS衛(wèi)星信號(hào)誤差。在星測(cè)StarFireTM系統(tǒng)中參考站和用戶站都采用雙頻接收機(jī)。根據(jù)參考站的雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)，精確計(jì)算GPS衛(wèi)星軌道改正和鐘差改正。這些改正數(shù)通過(guò)國(guó)際海事衛(wèi)星（Inmarsat）傳輸?shù)接脩粽窘邮諜C(jī)，電離層延遲和對(duì)流層改正是根據(jù)用戶站雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行處理的。同時(shí)，利用NavCom的一項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)，來(lái)大大消除多路徑效應(yīng)的影響。

工作原理如圖1所示：

圖1

數(shù)據(jù)傳遞流程：

星測(cè)接收機(jī)由兩部分組成，一部分是雙頻GPS接收機(jī)，另一部分是L波段的通信接收機(jī)。雙頻GPS接收機(jī)跟蹤所有可見(jiàn)的衛(wèi)星，然后獲得GPS衛(wèi)星的觀測(cè)值。同時(shí)，L波段的接收機(jī)接收星測(cè)starfireTM系統(tǒng)廣播的L波段衛(wèi)星改正數(shù)據(jù)。當(dāng)這些改正數(shù)據(jù)應(yīng)用在GPS測(cè)量中，就可以得到實(shí)施的高精度定位數(shù)據(jù)了。

1.4.3工作模式如圖2所示

2 幾種方法的對(duì)比（優(yōu)缺點(diǎn)）（見(jiàn)表1）

3 結(jié)束語(yǔ)

綜合以上分析，可以得出以下結(jié)論：

3.1 在不同的勘察設(shè)計(jì)階段應(yīng)該采用不同的儀器設(shè)備進(jìn)行放樣，以有效減少測(cè)量放樣的成本、提高工作效率和儀器設(shè)備的有效利用率。在初勘階段，可選用S750儀器進(jìn)行放樣工作，在詳勘階段則選擇星站差分機(jī)比較適合。

3.2 遠(yuǎn)離海岸的風(fēng)場(chǎng)，由于海上只有GPS信號(hào)，一定要注意人員設(shè)備的安全100%保障的情況下，才可以繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量工作。

3.3 不論采用何種測(cè)量?jī)x器進(jìn)行放樣，測(cè)區(qū)測(cè)量七參數(shù)的求取相當(dāng)重要并決定了放樣的精度。求取測(cè)區(qū)七參數(shù)一般應(yīng)該選取距離海岸線陸地范圍與距離海域需要放樣區(qū)域的距離相等，此步驟應(yīng)該在測(cè)量遠(yuǎn)離海岸水下地形階段由承擔(dān)該項(xiàng)目的測(cè)繪單位給出。

3.4 星站差分機(jī)在使用前、中、后應(yīng)及時(shí)校測(cè)高等級(jí)控制點(diǎn)，以保證測(cè)量放樣數(shù)據(jù)的可靠性、穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1]S750儀器說(shuō)明書(shū)[Z].

[2]星站差分系統(tǒng)說(shuō)明書(shū)[Z].

[3]GPS測(cè)量原理及應(yīng)用[M].武漢大學(xué)出版社.