MarineSTAR星站差分定位技術(shù)在水深測量中的應(yīng)用

李 江,葉土兵

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200032)

MarineSTAR星站差分GPS技術(shù)是近幾年逐漸興起的一項(xiàng)新興的GPS技術(shù)，它保留了傳統(tǒng)的RTK(real time kinematic)測量的高精度定位，不受時間和氣候的限制，不需要在地面架設(shè)基準(zhǔn)站[1]，它通過接收天上衛(wèi)星基準(zhǔn)站——海事衛(wèi)星(高度3萬多公里)發(fā)送的差分?jǐn)?shù)據(jù)來精確定位，因?yàn)楣?jié)省了人力、物力和時間等成本，還提高了外業(yè)工作效率，所以越來越受到用戶的重視和應(yīng)用。

1 項(xiàng)目背景

項(xiàng)目位于巴布亞新幾內(nèi)亞科考瑞，此地為入?？谌侵薜貛?，擬建新科考瑞港位于該地區(qū)一條河流的上游，需要測量從入?？诘缴嫌螖M建港區(qū)位置約39 km的進(jìn)港航道水深。測區(qū)除了河道就是茂密的熱帶雨林，雨林里有蟒蛇和毒蛇，河道沿岸人煙稀少，經(jīng)常有鱷魚出現(xiàn)，而且地勢較低，高潮時地面都被海水淹沒，地表面都是較軟的淤泥質(zhì)土，現(xiàn)場自然環(huán)境非常惡劣。

水深測量的常規(guī)方法是在岸上架設(shè)基準(zhǔn)站、船上安裝測深儀和流動站。采用常規(guī)方法，基準(zhǔn)站需要等待潮水退去架設(shè)，潮水上漲拆除，需要留人留船看守。水深測量要等基準(zhǔn)站架設(shè)好后才能進(jìn)行。國內(nèi)現(xiàn)在較普遍使用的CORS系統(tǒng)(Continuous Operational Reference System)[2]在該國還沒有建立。當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境惡劣且治安環(huán)境差，存在很大的安全隱患，采用常規(guī)方法，成本高、工期難以保證。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和踏勘比選，采用星站差分技術(shù)來定位，能滿足本項(xiàng)目水深測量定位的精度要求，也能避免上述不利因素。

2 MarineSTAR星站差分定位系統(tǒng)介紹

常見的星站差分服務(wù)有4種——VeriPos、Starfire、OmniStar、MarineSTAR。Veripos系統(tǒng)由英國Subsea7公司建立[3]；Starfire系統(tǒng)為美國航空航天局下屬的噴氣動力實(shí)驗(yàn)室和美國NAVCOM公司聯(lián)合創(chuàng)建[4]；OmniStar系統(tǒng)原屬荷蘭FUGRO公司運(yùn)營，于2011年3月出售給Trimble公司運(yùn)營，僅限全球76°N～76°S范圍內(nèi)陸地區(qū)域使用[5]；MarineSTAR系統(tǒng)是荷蘭FUGRO公司另一項(xiàng)覆蓋全球的高精度GPS增強(qiáng)系統(tǒng)，在全球76°N～76°S范圍內(nèi)海域和陸地區(qū)域都可使用。在本次水深測量中使用的定位儀器是開通了MarineSTAR星站差分服務(wù)的Trimble SPS986 GNSS智能接收機(jī)，開通的是G2+(GPS+GLONASS+北斗等)的服務(wù)。

2.1 MarineSTAR星站差分定位原理

在通過衛(wèi)星提供增強(qiáng)的GPS數(shù)據(jù)方面，MarineSTAR為世界市場的領(lǐng)先者。MarineSTAR星站差分系統(tǒng)有5個部分：參考站、數(shù)據(jù)處理中心、注入站、海事衛(wèi)星(inmarsat)、用戶站，見圖1。參考站共有70個，均為雙頻GPS接收機(jī)，分布在世界各地，24 h連續(xù)作業(yè)采集GPS衛(wèi)星信息，并實(shí)時向數(shù)據(jù)中心發(fā)送。數(shù)據(jù)處理中心接收參考站的數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析計(jì)算得到GPS衛(wèi)星軌道改正數(shù)和鐘差改正數(shù)，并將其發(fā)送至衛(wèi)星信號上傳系統(tǒng)(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)時發(fā)送給海事衛(wèi)星，海事衛(wèi)星再將差分改正數(shù)據(jù)廣播給用戶，從而完成地面與衛(wèi)星的信息交換[6-7]。

圖1 星站差分結(jié)構(gòu)原理

2.2 MarineSTAR星站差分技術(shù)指標(biāo)和特點(diǎn)

1)MarineSTAR提供多種GPS差分等級的服務(wù)：VBSHPXPG2G4G2+G4+。VBS 是一個亞米級的服務(wù)；XP服務(wù)提供短期幾英寸和長期重復(fù)性優(yōu)于20 cm(95% CEP)的精度,它稍微比HP精度低，它是全世界范圍內(nèi)可用；HP服務(wù)在2σ(95%)的置信度下的水平位置偏差小于10 cm，3σ(99%)的水平位置偏差小于15 cm，在某些國家沒有HP服務(wù)。G2和G4服務(wù)的定位精度與HP的精度基本相同，G2+和G4+的定位精度高于HP。用戶在購買具有MarineSTAR功能的GPS接收機(jī)后，可向MarineSTAR的服務(wù)商交納服務(wù)費(fèi)用，申請開通相應(yīng)服務(wù)。目前在中國地區(qū)可支持VBSHPXPG2G4G2+G4+的服務(wù)。按照現(xiàn)行 JTS 131—2012《水運(yùn)工程測量規(guī)范》[8]，XP和HP的精度能夠滿足大比例尺水深測量的定位精度要求。

2)目前，在MarineSTAR信號覆蓋范圍內(nèi)，星站差分GPS初始化成功后，平面和高程的定位精度可小于15 cm(CEP)，而且隨著時間的增長其定位精度可收斂至5 cm以內(nèi)。

3)MarineSTAR星站差分系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)提供GPS差分信號發(fā)布服務(wù)，它提供了獨(dú)一無二的可靠性和空前的精度，改正信號通過海事衛(wèi)星進(jìn)行傳播，無須建立當(dāng)?shù)氐幕鶞?zhǔn)站或后處理，在76°N～76°S的任何地球表面，都能提供同樣的精度。因?yàn)樗幕臼翘焐系男l(wèi)星，所有星站差分系統(tǒng)又被稱為“天際增強(qiáng)系統(tǒng)”和“天上的RTK基準(zhǔn)站”。

4)GPS系統(tǒng)具有以下主要誤差源:衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星時鐘誤差、電離層延遲誤差、對流層誤差、多路徑效應(yīng)、固體潮、接收機(jī)時鐘誤差、接收機(jī)跳變。消除誤差的方式可以分為兩大類，即差分GPS(DGPS)和全球星際增強(qiáng)系統(tǒng)(GSBAS,global satellite-based augmentation system)。后者將每顆GPS衛(wèi)星的誤差源都作為獨(dú)立變量解算。最主要的GPS衛(wèi)星軌道誤差和時鐘誤差通過遍布全球的雙頻接收機(jī)觀測網(wǎng)來跟蹤并解算，解算結(jié)果再使用海事衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈直接發(fā)送到MarineSTAR接收機(jī)用戶，所以不需要地面基準(zhǔn)站，對測量范圍沒限制，可以是全球任何位置。

5)用戶站有兩部分組成，雙頻GPS接收機(jī)和L波段的通信接收器，雙頻GPS接收機(jī)跟蹤所有可見的衛(wèi)星然后獲得GPS衛(wèi)星的測量值，L波段的接收器接收L波段的海事衛(wèi)星播發(fā)的改正數(shù)據(jù)。

6)通常情況下設(shè)備開機(jī)到平面和高程精度收斂達(dá)到0.1 m以內(nèi)，需要15～25 min，收斂達(dá)到0.05 m以內(nèi)，需要25～40 min。 收斂時間與所處環(huán)境有關(guān)。一般在1 d內(nèi)，第一次開機(jī)收斂較慢，之后若因失鎖等原因中斷再收斂就很快，收斂到0.1 m以內(nèi)需5～10 min。

7)GPS接收機(jī)帶有wifi裝置，可以接收和發(fā)射，在水深測量時，可以不用串口線，而直接用wifi進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

8)星站差分內(nèi)置高頻電臺，具有超過50%的信噪比優(yōu)勢，并結(jié)合了干涉抑制、多路徑效應(yīng)緩解和高測量精度等技術(shù)，可以避免與外界無線電信號產(chǎn)生沖突，抗干擾性能強(qiáng)。

9)星站差分定位系統(tǒng)通過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7顆海事衛(wèi)星進(jìn)行信號廣播，其中4顆高頻的、3顆低頻的，為用戶提供高精度的數(shù)據(jù)備份。

3 水深測量應(yīng)用實(shí)例

巴布亞新幾內(nèi)亞新科考瑞港項(xiàng)目39 km長的航道水深測量，河道兩岸惡劣的環(huán)境難以依托，運(yùn)用MarineSTAR星站差分定位技術(shù)進(jìn)行三維水深測量，這也是首次在國外使用，需要將國內(nèi)積累的使用經(jīng)驗(yàn)在國外進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 控制測量

根據(jù)現(xiàn)場了解的情況，測區(qū)和測區(qū)附近都沒有控制點(diǎn)資料，需要自己建立坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)?？刂泣c(diǎn)埋設(shè)在測區(qū)附近村莊中地勢相對高的地方，按照E級網(wǎng)的要求進(jìn)行了觀測平差，建立了UTM坐標(biāo)系和獨(dú)立坐標(biāo)系。

3.2 求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)

靜態(tài)測量平差的WGS 84大地坐標(biāo)與MarineSTAR星站差分定位得出的大地坐標(biāo)屬于兩個框架，差異在米級以上，為了將兩個框架里的大地坐標(biāo)統(tǒng)一到一個框架下，需要到控制點(diǎn)上采集MarineSTAR框架下的大地坐標(biāo)，采集時，選取3個控制點(diǎn)，在每個控制點(diǎn)上用三腳架架設(shè)GPS，平面和高程精度收斂到0.1 m以內(nèi)后，每隔5 min記錄1個大地坐標(biāo)和大地高，連續(xù)測量1 h，條件允許可分上午和下午各測1次或隔日再測1次，取平均值作為各個控制點(diǎn)的已知坐標(biāo)，選用1～2個點(diǎn)求解平差的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到以MarineSTAR模式測量的大地坐標(biāo)的三參數(shù)，將兩套坐標(biāo)統(tǒng)一到MarineSTAR框架里，再求解大地坐標(biāo)與平面坐標(biāo)間的七參數(shù)，將七參數(shù)輸入到儀器里，與未參與求解三參數(shù)和七參數(shù)的控制點(diǎn)進(jìn)行比對，比對結(jié)果見表1。從表1可以看出，平面精度及高程精度都符合系統(tǒng)的精度指標(biāo)。

表1 MarineSTAR模式定位比對

3.3 水深測量

水深測量是以MarineSTAR模式定位，實(shí)時測出測點(diǎn)坐標(biāo)和水面高程，定位數(shù)據(jù)采用wifi無線傳輸?shù)诫娔X，測深儀同步測量水深，水深數(shù)據(jù)用串口線進(jìn)行傳輸，由HydroSurvey水深測量軟件將定位數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)融合在一起，再進(jìn)行后處理。另外使用RTK定位模式抽樣測量了一部分水深，通過重合點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，水深點(diǎn)高程中誤差為0.15 m，符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。

4 結(jié)語

1)MarineSTAR星站差分的平面高程定位精度能夠滿足大比例尺水深測量的要求。

2)MarineSTAR星站差分定位精度高，精度均勻，無須逐級控制。擺脫了傳統(tǒng)GPS RTK對離岸作業(yè)距離的限制，非常適用于國外、遠(yuǎn)離基站和中國海岸信標(biāo)臺以及沒有CORS信號的測量項(xiàng)目。

3)MarineSTAR星站差分系統(tǒng)與常規(guī)的GPS RTK工作模式比較，更加靈活，不需要在地面架設(shè)基準(zhǔn)站，不受與基站距離的限制，只需要一臺流動站就可以作業(yè)，可以提高工作效率30%以上，星站差分系統(tǒng)在水深測量方面應(yīng)用前景會越來越廣泛。

4)MarineSTAR星站差分在本次境外水深測量項(xiàng)目中使用，無須架設(shè)和拆收基準(zhǔn)站，節(jié)省了每天潮水漲落的等待時間，測量船直接開到測區(qū)工作，當(dāng)天結(jié)束直接開回，節(jié)省了人力物力和時間，極大地提高了外業(yè)的工作效率，又避免了許多安全隱患，一舉多得。

5)MarineSTAR星站差分GPS儀器適用于水上、山區(qū)、沙漠等野外開闊地帶，在有樹木和建筑物遮擋的區(qū)域不宜使用。

6)MarineSTAR星站差分可用于潮位觀測。