衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在海洋工程中的應(yīng)用

鄒偉,王世明

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306)

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衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在海洋工程中的應(yīng)用

鄒偉,王世明

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306)

簡要介紹了GPS和北斗系統(tǒng)的組成、特點,并從水下測量/定位、海上定位、海洋觀測、海事應(yīng)用、海上施工這幾方面探討了GPS和北斗系統(tǒng)在海洋工程中的應(yīng)用情況,指出了我國北斗系統(tǒng)在海洋工程中的應(yīng)用與GPS相比的不足。對促進衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用尤其是我國的北斗在我國海洋工程的全面應(yīng)用提供助力。

GPS;北斗導(dǎo)航系統(tǒng);海洋工程

0　引　言

海洋工程是指以開發(fā)、利用、保護、恢復(fù)海洋資源為目的，并且工程主體位于海岸線向海一側(cè)的新建、改建、擴建工程。一般認為海洋工程的主要內(nèi)容可分為資源開發(fā)技術(shù)與裝備設(shè)施技術(shù)兩大部分，具體包括：圍填海、海上堤壩工程，人工島、海上和海底物資儲藏設(shè)施、跨海橋梁、海底隧道工程，海底管道、海底電(光)纜工程，海洋礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)及其附屬工程。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于通訊、交通、航空、航海、氣象等領(lǐng)域[1]。本文從水下測量/定位、海上定位、海事應(yīng)用、海上施工這幾方面闡述GPS 和北斗系統(tǒng)在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用情況。

1　衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

當(dāng)今世界主要有四個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),它們分別是美國的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS),中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS),俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)(GLONASS)以及歐洲的伽利略系統(tǒng)(Galileo)。本文主要涉及GPS和我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

GPS是于1958年美國軍方的一個項目開始研制，并在1964年投入使用。20世紀70年代,新一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS在美國陸?？杖娐?lián)合研制下獲得成功[2]。其主要的目的是為陸?？杖箢I(lǐng)域提供實時、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù),并用于核爆監(jiān)測、情報搜集和應(yīng)急通訊等軍事目的,整個系統(tǒng)經(jīng)過20多年的研究實驗,一共耗資300億美元,到1994年,完成了24顆GPS衛(wèi)星星座的布設(shè),使其在全球的覆蓋率達到了98%.

GPS作為一種全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),具有全天候、全方位、全時段、高精度的特點,能為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置、速度和精確定時等導(dǎo)航信息,是衛(wèi)星通信技術(shù)在導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用典范,它積極地推動了數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展,提高了地球的信息化水平[3]。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是我國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由空間端、地面端和客戶端三部分組成,可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度導(dǎo)航、定位和授時服務(wù),并具短報文通信能力,在區(qū)域?qū)Ш?、定位和授時方面已取得初步成就,測速精度0.2 m/s,定位精度10 m,授時精度10 ns[4].

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間端由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成,現(xiàn)在“北斗”系統(tǒng)已經(jīng)覆蓋亞太地區(qū),可以為該地區(qū)提供定位、導(dǎo)航和授時以及短報文通信服務(wù)能力,預(yù)計到2020年左右將覆蓋全球。

北斗是后起之秀,有些方面雖然還比不上GPS,不過北斗也具有眾多優(yōu)勢。北斗系統(tǒng)的定位精度與GPS旗鼓相當(dāng),并且比GPS多了一種重要功能——短報文通信,尤其適用于需要導(dǎo)航與移動數(shù)據(jù)通信相結(jié)合的用戶[12]。北斗系統(tǒng)與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間具有良好的兼容與互操作性,目的是促進衛(wèi)星定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)在更廣泛領(lǐng)域深度應(yīng)用,推動衛(wèi)星導(dǎo)航及相關(guān)產(chǎn)業(yè)全面發(fā)展。

目前我國北斗高精度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是國際上唯一具有同步軌道衛(wèi)星并能支持三個頻率工作的系統(tǒng),它在高精度導(dǎo)航定位方面比GPS等其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)更有優(yōu)勢[13]。經(jīng)相關(guān)測定,目前GPS在東南亞的自主定位精度為10 m左右,而北斗自主定位精度可以達到3 ～ 5 m,說明北斗星座系統(tǒng)在赤道附近是最佳的導(dǎo)航系統(tǒng)。靠近赤道,GPS的覆蓋較小,而北斗密集覆蓋,北斗定位精度大大優(yōu)于GPS.所以,在我國尚無星基增強系統(tǒng)(SBAS)提供實時位置改正服務(wù)的情況下,對遠離大陸、沒有固定坐標(biāo)基準的遠海海域,使用北斗系統(tǒng)導(dǎo)航定位是很好的選擇。

2　衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在海洋工程中的應(yīng)用

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的快速發(fā)展,現(xiàn)在已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域,如為船舶、汽車飛機等動物體進行定位導(dǎo)航;為電力、郵電、通訊等網(wǎng)絡(luò)提供時間同步;另外衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)廣泛應(yīng)用于高精度測量，特別是在海洋工程方面的應(yīng)用也開始深入。

2.1水下測量/定位

探測和定位組成了水下地形測量兩方面,構(gòu)成了水下地形測量的兩大主題。在水下定位主要有全站儀定位、經(jīng)緯儀定位、天文定位、物理測距定位、GPS 定位等方法。目前,全站儀定位和GPS 定位是用得最為廣泛的兩種方法。全站儀測量定位具有一定的局限性,它僅適用于港口及沿岸。而GPS定位具有全天候、全覆蓋、高精度的特點,尤其是RTK 的定位精度已達厘米級,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水下定位。

使用GPS測量水下地形,需要將GPS坐標(biāo)傳遞到測深儀換能器。特別是GPS差分技術(shù),它是利用一臺接收機固定在已知的基準點上,其他的接收機在運動載體上,作為流動站,同時觀測衛(wèi)星,不僅提高了精度而且加快了速度,可保證全天候作業(yè)。

近年來,GPS技術(shù)的廣泛應(yīng)用在對傳統(tǒng)水下定位技術(shù)的發(fā)展上發(fā)揮了巨大的作用。目前海洋技術(shù)研究的重點問題是利用GPS技術(shù)對水下運動目標(biāo)進行精確定位。在這一領(lǐng)域我國的北斗系統(tǒng)雖然和GPS還有一定的差距,但隨著北斗系統(tǒng)的快速發(fā)展,尤其是基于海洋開發(fā)和維護我國海洋主權(quán)的問題上,應(yīng)加快部署我國的北斗系統(tǒng)。

2.2海上定位

海上定位通常指在海上確定船位的工作。為了獲得較好的海上定位精度,采用GPS接收機與船上的導(dǎo)航設(shè)備組合起來進行定位。例如,在GPS偽距法定位的同時,用船上的計程儀(或多普勒聲納)、陀螺儀的觀測值聯(lián)合推求船位。

對于近海海域,還可采用在岸上或島嶼上設(shè)立基準站,采用差分技術(shù)或動態(tài)相對定位技術(shù)進行高精度海上定位。如果一個基準站能覆蓋150 km范圍,那么在我國沿海只需設(shè)立三到四個基準站便可在近海海域進行高精度海上定位。經(jīng)多年研究,不斷成熟的廣域差分技術(shù)(WASGPS),可以實現(xiàn)在一個國家或幾個國家范圍內(nèi)的廣大區(qū)域進行差分定位[5]。2000年之后,將利用建成的純民間系統(tǒng)GNSS進行全球范圍內(nèi)的導(dǎo)航定位。

我國北斗系統(tǒng)近些年在海上定位方面取得了驕人的成績。由交通運輸部北海航海保障中心建設(shè)完成的,我國首個自主研發(fā)的沿海北斗連續(xù)運行參考站系統(tǒng)——“北方海區(qū)3D高精度定位渤海灣示范系統(tǒng)”已經(jīng)投入運行。這標(biāo)志著我國海上定位系統(tǒng)首次進入“厘米時代”,將為船舶安全航行、海道測量、海洋資源勘探等提供更加精準的三維(3D)定位服務(wù)。

這套系統(tǒng)由參考站網(wǎng)、控制中心、數(shù)據(jù)中心、用戶終端、通信網(wǎng)絡(luò)共5個子系統(tǒng)組成,其中,參考站網(wǎng)由建設(shè)在京唐港、天津港和東營港的3個北斗連續(xù)運行參考站組成。系統(tǒng)全部采用我國自主研制的接收機、北斗高精度定位定軌處理軟件等具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的軟硬件設(shè)備,徹底改變了我國沿海導(dǎo)航定位完全依賴國外技術(shù)的現(xiàn)狀[6]。經(jīng)嚴格測試,這套系統(tǒng)定位精度達到平面優(yōu)于3 cm,垂直優(yōu)于4 cm,有效覆蓋范圍為離岸83 km,可以在任何天氣條件下,向渤海灣地區(qū)水上航行的船舶提供實時厘米級定位和分米級導(dǎo)航服務(wù),并能獲得高精度的高程信息,為深吃水船舶乘潮進出港提供安全保障。

目前,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對外提供的定位導(dǎo)航服務(wù)采用二維技術(shù),精度在10 m左右,基本能夠滿足船舶在海上航行的需要,但超大型船舶進出港或多艘船舶同時作業(yè)時,其定位精度稍顯不夠。

2.3海洋觀測

目前國際上正在應(yīng)用的重要對地觀測手段主要是基于GPS連續(xù)運行觀測站,用于地殼運動檢測、空間基準維持、地球動力學(xué)研究、大氣和海面監(jiān)測等方面。

1) 提供潮汐觀測站站址的周、月、年變化率,監(jiān)測海平面實際變化

GPS業(yè)務(wù)化觀測,將提供沿海海洋站站址水平和垂直的周、月、年變化率,結(jié)合潮汐測數(shù)據(jù),能夠準確地揭示沿海海平面的真實變化。目前我國監(jiān)測海平面變化以驗潮資料為主,輔以衛(wèi)星測高資料。通過增加GPS連續(xù)運行觀測站,在海面變化監(jiān)測中有三大優(yōu)勢: ① 將沿海海洋站資料納入統(tǒng)一的參考框架中,綜合分析區(qū)域性海面的整體變化趨勢。 ② 分離驗潮站基巖的垂直運動,準確地揭示海面的真實變化規(guī)律。 ③ 在沿岸和近海提供厘米級的定位服務(wù),標(biāo)定TOPEX/Poseidon等測高衛(wèi)星的系統(tǒng)性差異。結(jié)合驗潮站潮汐和水文氣象資料,準確反映海平面的變化[6]。

2) 及時提供沿海大氣水汽含量變化信息,為海洋氣象預(yù)報服務(wù)

GPS數(shù)據(jù)處理中心每15 min能提供一次水汽變化信息以及沿海各海洋站上空水汽含量數(shù)據(jù),這對災(zāi)害海洋天氣的監(jiān)測和預(yù)報非常有益。目前,短期預(yù)報的準確性受制于初始水汽場,通過沿海GPS連續(xù)觀測站的建設(shè),具有如下作用: ① 增加了實時水汽含量觀測值,提供了新的海洋環(huán)境信息。 ② 基于海洋站觀測到的水汽變化信息,能準確地預(yù)報、監(jiān)測和掌握災(zāi)害性天氣的發(fā)生、發(fā)展和演化。 ③ 為海洋氣象預(yù)報實時提供初始的水汽場,以提高預(yù)報的準確度[7]。

3) 在線提供空間位置基準,為海岸帶和近海海洋調(diào)查服務(wù)

在海洋站上增設(shè)的GPS連續(xù)運行觀測站,構(gòu)成了海洋的空間基準,能夠為近海調(diào)查提供精密定位服務(wù),也為海島調(diào)查提供統(tǒng)一基準,同時也為國內(nèi)外海洋劃界等勘測提供全球統(tǒng)一的參考框架。為海底和近岸地震等災(zāi)害的監(jiān)測和預(yù)報提供定量依據(jù)。由于地震與地殼運動有這密切的關(guān)系,地殼運動的監(jiān)測一直是地震預(yù)測預(yù)報的研究的重要手段和依據(jù)。在沿海地區(qū)增設(shè)GPS連續(xù)運行觀測站,能夠高精度、實時、連續(xù)地獲取板塊間相互作用引起的地殼運動[8]。

目前我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在海洋觀測方面主要用于海洋氣象和海洋災(zāi)害的探測。利用北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)可定量遙感水汽和電離層電子濃度,可以提高暴雨暴雪的預(yù)報能力和增強近海大風(fēng)大霧的預(yù)報和服務(wù)能力?；诒倍穼?dǎo)航衛(wèi)星的大氣、海洋和空間監(jiān)測預(yù)警應(yīng)用,將通過對臺風(fēng)結(jié)構(gòu)的探測提高臺風(fēng)路徑的預(yù)報能力,探測水汽輸送,通過岸基探測海風(fēng)海浪,增強近海天氣預(yù)報的精度。通過衛(wèi)星探測手段的提升,提高對關(guān)鍵氣象災(zāi)害的預(yù)報能力。

在北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的技術(shù)支持下,近年來我國在氣象災(zāi)害預(yù)報和防災(zāi)減災(zāi)能力有了較大的提高,在奧運國慶等重大氣象保障中發(fā)揮了重要作用。我國是世界上自然災(zāi)害最嚴重的國家之一,氣象災(zāi)害就占70%以上,增強防災(zāi)減災(zāi),構(gòu)筑全方位、全時空、快速反應(yīng)的氣象服務(wù)體系,對于保持經(jīng)濟社會持續(xù)快速健康發(fā)展具有重要意義。

2.4海事應(yīng)用

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可應(yīng)用于船只導(dǎo)航、海洋捕撈、海運跟蹤、海上事故搜救、海洋勘探及海屬范圍劃分等許多方面,應(yīng)該說GPS和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在海事方面都有相當(dāng)成功的應(yīng)用。比如我國的海洋漁業(yè),經(jīng)過長年的捕撈,近海的魚類資源已趨于枯竭,漁民又不愿去深海,因為深海遠離陸地,水深浪急,在茫茫深海里找不到方向與位置,有可能不知不覺就進入禁漁區(qū)、甚至越過國界,遇險時搜救很困難等等[9]。因此,利用衛(wèi)星定位導(dǎo)航監(jiān)控系統(tǒng),能隨時獲知漁船方位,引導(dǎo)漁船進入深海作業(yè),對遇險船只準確搜救,及時警告越界或進入禁區(qū)的漁船等,為海洋捕魚作業(yè)帶來了革命性的轉(zhuǎn)變。

我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)可以為漁業(yè)管理部門提供船位監(jiān)控、緊急救援、政策發(fā)布、漁船出入港管理服務(wù)等;向海上漁船提供導(dǎo)航定位、遇險求救、航海通告、增值信息(如天氣、海浪、漁市行情)等服務(wù)[10];相較于GPS,北斗獨特的短消息功能能使得船與船、船與岸之間進行消息互通等。漁政執(zhí)法船能同時安裝北斗增強監(jiān)測接收機、普通型北斗海洋漁業(yè)船載終端等設(shè)備,海上漁船安裝普通型北斗海洋漁業(yè)船載終端,組成移動指揮管理系統(tǒng),實現(xiàn)漁政執(zhí)法船在海上航行執(zhí)法下移動指揮管理。通過北斗增強監(jiān)測接收機可實時接收遠近距離安裝有北斗海洋漁業(yè)船載終端設(shè)備的漁船的位置、緊急報警信息,實現(xiàn)緊急情況下的遇險搜救及聯(lián)絡(luò)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航通信技術(shù)在漁業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用,使?jié)O民可獲得天氣、海浪、赤潮、魚汛、漁市價格等增值信息,并迅速發(fā)布漁獲物的信息,提高生產(chǎn)效率,降低交易風(fēng)險,增加漁民收入。漁業(yè)經(jīng)營者能夠在最早的時間內(nèi)獲得捕撈信息,縮短交易時間,降低交易成本[11]。有效地整合漁業(yè)生產(chǎn)、管理和交易信息資源、擴大信息的利用價值,通過高科技手段,為漁業(yè)管理部門和漁民提供管理和作業(yè)提供決策支持服務(wù),促進海洋漁業(yè)生產(chǎn)和交易的集團化和規(guī)?；l(fā)展。

2.5海上施工

我國正在建設(shè)的沿海大中型港口碼頭、航道和海上人工島正面臨新的問題:遠離大陸的人工島礁建設(shè)需要的高精度定位問題和建設(shè)監(jiān)控信息,如何能夠高效、費用低廉?茫茫大海中的跨海大橋,如何高精度定位?如何實時監(jiān)控?離岸航道疏浚,如何保證潮位控制、測量數(shù)據(jù)及時更新?如何保證施工精度?在政治敏感區(qū)域,如何保障我們的信息安全?

海洋土木工程投資大、風(fēng)險高、重型裝備使用量大、技術(shù)和管理難度大,工作環(huán)境遠離陸地、地質(zhì)復(fù)雜、工況惡劣、腐蝕嚴重,甚至涉及敏感地區(qū)[12]。擁有自主技術(shù)的高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位、圖文信息傳輸技術(shù)是實施海洋工程必備的技術(shù)保障手段。通過北斗系統(tǒng)的RDSS和RNSS雙重技術(shù)體系與兼容GPS等系統(tǒng)的多模集成應(yīng)用,并與其他無線數(shù)傳技術(shù)互補,不僅可實現(xiàn)全海域的無線數(shù)傳服務(wù),而且能夠?qū)崿F(xiàn)海洋工程船舶厘米級的精準定位服務(wù)?；诒倍废到y(tǒng)的海洋土木工程的信息化建設(shè),是提升海洋土木工程項目整體水平的突破點。

我們的目標(biāo)是研制智能位置服務(wù)平臺及其終端設(shè)備,建立船岸數(shù)據(jù)通信協(xié)議,實現(xiàn)標(biāo)準化接入、自動數(shù)據(jù)交換,與其他數(shù)傳方式互補,實現(xiàn)無縫連接,水平定位以北斗系統(tǒng)逐步兼容、替代GPS,開發(fā)可視化三維船舶監(jiān)控、施工效果優(yōu)化分析調(diào)度系統(tǒng),滿足用戶遠程監(jiān)控與報警和遠程故障診斷需求,開拓北斗系統(tǒng)在工程船舶海洋工程中應(yīng)用新領(lǐng)域[13]。

3　結(jié)束語

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在海洋工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,推動了海洋科技的進步并且?guī)恿撕Ｑ蠼?jīng)濟的高速發(fā)展,使得人類對于海洋的探索和利用更加地深入。今年我國成功發(fā)射了第五顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星,北斗導(dǎo)航從區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)向全球衛(wèi)星導(dǎo)航體系正式邁進,隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷發(fā)展,在國家衛(wèi)星導(dǎo)航科技專項和相關(guān)政策推動下,我國北斗系統(tǒng)在海洋工程的應(yīng)用將更上新臺階。

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Application of Satellite Navigation System for Ocean Engineering

ZOU Wei,WANG Shiming

(SchoolofEngineering,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

This paper systematically discusses the composition of GPS and Beidou satellite navigation system, discusses and explores the GPS satellite navigation system in marine engineering about underwater survey/positioning, offshore positioning, ocean observations, maritime applications and offshore construction, obtains Beidou system playing an important role in the development of China's marine engineering, it points out the shortcomings of the BeiDou system in the marine engineering applications compared with GPS.

GPS; BeiDou navigation system; ocean engineering

2016-03-04

國家海洋可再生能源專項資金項目(編號:SHME2013JS01); 上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室青年基金資助項目(編號:1303); 上海海洋大學(xué)科技發(fā)展專項基金資助項目(編號:1416)

P752

A

1008-9268(2016)03-0121-05

鄒偉(1989-),男,碩士生,主要研究方向為海洋新能源裝備。

王世明(1964-),男,博士,教授。主要研究方向為車輛和海洋工程的先進設(shè)計制造及智能控制。

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.03.026

聯(lián)系人： 鄒偉 E-mail: zouwei0302@163.com