星站差分定位系統(tǒng)在海洋工程上的應(yīng)用

高濟(jì)輝

[摘 要]星站差分定位系統(tǒng)通過(guò)海事衛(wèi)星發(fā)布差分信息進(jìn)行位置修正，在近幾年海洋工程建設(shè)上得到廣泛的應(yīng)用。本文主要從星站差分定位系統(tǒng)的組成，性能，工程應(yīng)用三個(gè)方面進(jìn)行了論述，結(jié)合海洋工程導(dǎo)管架安裝項(xiàng)目、海管鋪設(shè)項(xiàng)目的導(dǎo)航定位工作，對(duì)其實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了介紹。

[關(guān)鍵詞]星站差分定位系統(tǒng)；導(dǎo)航定位；導(dǎo)管架安裝

中圖分類(lèi)號(hào)：P631.8；P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2018）17-0394-01

1.引言

隨著海洋工程的大力開(kāi)發(fā)，海洋工程建設(shè)對(duì)導(dǎo)航定位工作的要求也更高，從最初的米級(jí)精度到現(xiàn)在的分米級(jí)、厘米級(jí)精度。因?yàn)楹Ｑ蠊こ淌┕^(qū)域距離岸邊很遠(yuǎn)，所以為海洋工程提供導(dǎo)航定位工作無(wú)法像陸地測(cè)量一樣自己建立RTK基準(zhǔn)站或者使用CORS網(wǎng)絡(luò)。普通岸基差分定位只能提供米級(jí)以上的定位精度，隨著與差分臺(tái)距離的增加精度逐漸降低，在遠(yuǎn)海作業(yè)時(shí)經(jīng)常無(wú)法收到差分信號(hào)。星站差分定位系統(tǒng)可以提供精度高、信號(hào)穩(wěn)定、全球范圍接收的差分信號(hào)，在近幾年海洋工程導(dǎo)航定位應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。

2.系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)主要組成部分包括：參考站；控制中心；基準(zhǔn)站；海事衛(wèi)星；用戶(hù)接收機(jī)；質(zhì)量控制軟件。

星站差分定位系統(tǒng)在全球建立了超過(guò)80個(gè)參考站，并在英國(guó)和新加坡?lián)碛袃蓚€(gè)控制中心?？刂浦行谋O(jiān)控通訊系統(tǒng)的整體性能，也能為用戶(hù)提供有關(guān)系統(tǒng)性能的實(shí)時(shí)信息，同時(shí)，具有開(kāi)啟和關(guān)閉系統(tǒng)的權(quán)限。

星站差分定位系統(tǒng)在上海、深圳、首爾等地建有基準(zhǔn)站。能提供分米級(jí)位置精度，滿(mǎn)足高精度海洋工程施工中的導(dǎo)航定位工作。

星站差分定位系統(tǒng)通過(guò)6顆高功率海事衛(wèi)星和1顆低功率衛(wèi)星發(fā)布信息。采用七顆海事衛(wèi)星進(jìn)行信號(hào)廣播，其中四顆高頻的，三顆低頻的，為用戶(hù)提供高精度的數(shù)據(jù)備份。如圖1：

用戶(hù)接收機(jī)通過(guò)內(nèi)置的雙頻天線可以同時(shí)接收GPS和GLONASS衛(wèi)星信號(hào)，使用星站差分定位系統(tǒng)的差分信號(hào)時(shí)，其定位精度可以高達(dá)分米級(jí)，同時(shí)連接兩個(gè)天線頭時(shí)可以提供船舶艏向（表1）。

質(zhì)量控制軟件（VerifyQC）是一組為專(zhuān)業(yè)用戶(hù)開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件。它被設(shè)計(jì)用來(lái)提供實(shí)時(shí)的可靈活設(shè)置的位置信息以及性能監(jiān)控信息。該軟件具有模塊化和可擴(kuò)展特性，同時(shí)用戶(hù)操作靈活簡(jiǎn)便。Verify有很強(qiáng)的通信協(xié)議的兼容性，可以通過(guò)串口，TCP/IP和數(shù)據(jù)文件進(jìn)行通信，不僅可以實(shí)時(shí)操作處理，而且也保留后處理模式的完備功能。

3.工程應(yīng)用

3.1 設(shè)備安裝與校正

用戶(hù)接收機(jī)被安裝在從事工程作業(yè)的工程船上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況將天線頭架設(shè)在遠(yuǎn)離高大結(jié)構(gòu)物、雷達(dá)、高頻等區(qū)域，保證接收衛(wèi)星信號(hào)穩(wěn)定，兩個(gè)天線頭間距大于10米。在工作中需要知道兩個(gè)天線頭連線與船舶軸線的夾角，采用天文觀測(cè)方法使用全站儀測(cè)定夾角。

3.2 船型測(cè)量

作業(yè)船舶的位置確定，是以船艉中心位置為基點(diǎn)。在導(dǎo)航定位軟件當(dāng)中輸入作業(yè)船舶的長(zhǎng)度、寬度、即可以建立起以船艉中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，以船艏向?yàn)閄軸正向，以平行于右舷方向?yàn)閅軸正向的自定義坐標(biāo)系統(tǒng)，然后測(cè)量GPS天線位置及船舶所有錨纜孔、吊機(jī)中心、設(shè)站點(diǎn)及其他需要使用的關(guān)鍵點(diǎn)在該坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)值，并輸入在導(dǎo)航定位軟件中。

導(dǎo)航定位軟件自動(dòng)接收質(zhì)量控制軟件輸出的高精度位置數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)坐標(biāo)投影計(jì)算出天線位置的實(shí)時(shí)平面坐標(biāo)，結(jié)合實(shí)時(shí)船艏向，推算出船艉中心、錨纜孔、設(shè)站點(diǎn)或作業(yè)船舶上任意一點(diǎn)的平面坐標(biāo)，從而滿(mǎn)足作業(yè)船舶在不同位置進(jìn)行定位工作的需要。導(dǎo)航定位軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換的公式如下：

XP=XGPS+（X1-X0）×Cos （H船）-（Y1-Y0）×Sin（H船）

YP=YGPS+（X1-X0）×Sin （H船）+（Y1-Y0）×Cos（H船）

式中：

XP，YP：船上任意一點(diǎn)P的實(shí)時(shí)坐標(biāo)；

XGPS，YGPS：GPS天線的實(shí)時(shí)坐標(biāo)；

X0，Y0：GPS天線的船型坐標(biāo)；

X1，Y1：船上任意一點(diǎn)P的船型坐標(biāo)；

H船：作業(yè)船的實(shí)時(shí)艏向。

3.3 導(dǎo)管架精確定位

當(dāng)導(dǎo)管架就位時(shí)，在工程船左舷設(shè)站點(diǎn)上架設(shè)全站儀，使用全站儀觀測(cè)導(dǎo)管架與工程船之間的相對(duì)位置，并通過(guò)數(shù)據(jù)電纜把觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至導(dǎo)航定位軟件中，經(jīng)過(guò)計(jì)算后，在定位軟件上實(shí)時(shí)顯示導(dǎo)管架當(dāng)前的實(shí)際位置與設(shè)計(jì)位置的偏差。指揮人員根據(jù)偏差值調(diào)整導(dǎo)管架的位置，當(dāng)實(shí)際位置與方位符合設(shè)計(jì)要求后，導(dǎo)管架座底。待注水完成后，定位人員對(duì)導(dǎo)管架的位置再次測(cè)量，確定滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求后打點(diǎn)記錄導(dǎo)管架的位置。

3.4 導(dǎo)航插樁作業(yè)

導(dǎo)管架的裙樁套筒在水面以下，裙樁套筒與鋼樁之間的縫隙只有0.5米。使用星站差分定位系統(tǒng)的高精度位置數(shù)據(jù)可以引導(dǎo)鋼樁快速、準(zhǔn)確的插入裙樁套筒中。

根據(jù)導(dǎo)航軟件的動(dòng)態(tài)信息，確定吊機(jī)中心至裙樁套筒的距離和方向，并根據(jù)施工船舶吊機(jī)的跨距覆蓋能力調(diào)整船位。在船位穩(wěn)定之后，以吊機(jī)中心坐標(biāo)為基點(diǎn)，定點(diǎn)導(dǎo)航至指定裙樁套筒，在導(dǎo)航軟件中實(shí)時(shí)顯示兩點(diǎn)間的坐標(biāo)方位角和平面距離。項(xiàng)目指揮人員根據(jù)已知坐標(biāo)方位角和平面距離指揮吊機(jī)攜鋼樁轉(zhuǎn)動(dòng)，在吊機(jī)攜鋼樁轉(zhuǎn)動(dòng)接近指定裙樁套筒之后，下放鋼樁。如圖2：

3.5 海管鋪設(shè)導(dǎo)航定位

動(dòng)力定位海管鋪設(shè)船在海管鋪設(shè)時(shí)要根據(jù)GPS提供的位置信息設(shè)定移動(dòng)路線，船上各種傳感器根據(jù)當(dāng)時(shí)的海況、流速流向、船舶狀態(tài)等信息自動(dòng)計(jì)算各個(gè)推進(jìn)器運(yùn)轉(zhuǎn)功率，將作業(yè)船移動(dòng)到指定位置。星站差分定位系統(tǒng)可以提供準(zhǔn)確、穩(wěn)定的GPS位置信息，為作業(yè)船正常工作提供保障。

管線鋪設(shè)過(guò)程中，定位人員在導(dǎo)航定位軟件中將作業(yè)船對(duì)中站的位置設(shè)置為主工作點(diǎn)，海管著泥點(diǎn)設(shè)置為輔工作點(diǎn)，兩個(gè)工作點(diǎn)作為偏航參考點(diǎn)。軟件實(shí)時(shí)顯示工作點(diǎn)的位置、工作點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)管線路由的距離、船艏偏離設(shè)計(jì)管線路由方向的角度。操作人員根據(jù)軟件上所顯示的偏航數(shù)據(jù)進(jìn)行移船以修正偏航值，保持工作點(diǎn)在管線設(shè)計(jì)路由允許偏差范圍內(nèi)。

4.結(jié)論

隨著海洋工程的發(fā)展，施工區(qū)域已經(jīng)由離岸幾十公里發(fā)展到幾百公里，作業(yè)水深也已到達(dá)幾百米，對(duì)導(dǎo)航定位的要求越來(lái)越高。星站差分定位系統(tǒng)經(jīng)過(guò)近幾年在海洋工程上的應(yīng)用已經(jīng)得到了業(yè)主的廣泛認(rèn)可，在海洋工程上的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越普遍。

參考文獻(xiàn)

[1] 從軍.GPS導(dǎo)航定位技術(shù)在海洋工程中的應(yīng)用[J].中國(guó)科技博覽，2015