GNSS 移動(dòng)基站技術(shù)在水運(yùn)工程中的應(yīng)用

汪波，吳彬

（上海達(dá)華測(cè)繪科技有限公司，上海 201208）

0 引言

水運(yùn)工程中施工車(chē)輛及船舶對(duì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位的精度要求較高，主要采用RTK 和星站差分等定位方式[1]。RTK 定位的基站一般固定架設(shè)在近岸，受限于差分信號(hào)傳播距離，其使用范圍較??；星站差分無(wú)需架設(shè)基站，不受離岸距離限制，廣泛應(yīng)用于水運(yùn)工程建設(shè)領(lǐng)域[2-3]。典型的星站差分服務(wù)有Navcom 公司的StarFire、Fugro 公司的StarFix、Hexagon 公司的TerraStar、天寶公司的OmniSTAR和RTX 等，我國(guó)合眾思?jí)蜒邪l(fā)的星站差分服務(wù)“中國(guó)精度”打破了國(guó)外技術(shù)壟斷，提供最高精度優(yōu)于4 cm RMS[4-5]。星站差分操作方便，但服務(wù)費(fèi)用昂貴，特別是水運(yùn)工程中多輛施工車(chē)和多艘施工船舶集群作業(yè)時(shí)，若每輛車(chē)和每艘船均開(kāi)通星站差分服務(wù)，單個(gè)工程區(qū)的總體服務(wù)費(fèi)較高。

GNSS 移動(dòng)基站通過(guò)接收GNSS 信號(hào)和L-Band等通信衛(wèi)星播發(fā)的星站差分改正數(shù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行星站差分定位，獲得全球參考框架下的絕對(duì)坐標(biāo)[6-7]；同時(shí)，GNSS 移動(dòng)基站通過(guò)外掛電臺(tái)及時(shí)向外廣播其GNSS 觀測(cè)值和絕對(duì)坐標(biāo)等RTK 差分?jǐn)?shù)據(jù)。在移動(dòng)基站附近作業(yè)的流動(dòng)站，通過(guò)接收GNSS 信號(hào)和移動(dòng)基站播發(fā)的差分?jǐn)?shù)據(jù)以進(jìn)行RTK 定位[8]。GNSS 移動(dòng)基站同時(shí)作為星站差分流動(dòng)站和RTK基站，融合了星站差分和RTK 定位方式，其基本原理如圖1，將其應(yīng)用于水運(yùn)工程中的實(shí)際效果有待研究。結(jié)合水運(yùn)工程環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計(jì)針對(duì)性試驗(yàn)，充分評(píng)估GNSS 移動(dòng)基站應(yīng)用于水運(yùn)工程中的RTK 流動(dòng)站定位精度及定位定向穩(wěn)定性。

圖1 GNSS 移動(dòng)基站技術(shù)應(yīng)用于水運(yùn)工程的基本原理Fig.1 Basic principle of GNSS mobile base station technology applied in port and waterway engineering

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)場(chǎng)景選擇：選取長(zhǎng)江口區(qū)域的水運(yùn)工程建設(shè)項(xiàng)目，位于上海橫沙島東部海陸連接區(qū)域，臨近長(zhǎng)江深水航道，具有典型的水運(yùn)工程環(huán)境特征；工程區(qū)附近具有1 個(gè)CORS 站，可作為位置基準(zhǔn)，供參考數(shù)據(jù)處理使用。

試驗(yàn)距離限制：考慮移動(dòng)基站播發(fā)的RTK 信號(hào)覆蓋范圍有限，移動(dòng)基站與RTK 流動(dòng)站之間最遠(yuǎn)相對(duì)距離設(shè)定在20 km 左右。

承載方式：選擇機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)的車(chē)載運(yùn)動(dòng)模式，車(chē)速穩(wěn)定控制在20～30 km/h，模擬船舶航行速度；運(yùn)動(dòng)路徑選擇地勢(shì)開(kāi)闊路段，避開(kāi)大功率電磁設(shè)備、高壓線、建筑遮擋物等。移動(dòng)基站與流動(dòng)站天線架設(shè)高度均保持在2 m 左右。

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模式：結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)情況，測(cè)試移動(dòng)基站與流動(dòng)站同步運(yùn)動(dòng)、移動(dòng)基站靜止與流動(dòng)站運(yùn)動(dòng)、移動(dòng)基站運(yùn)動(dòng)和流動(dòng)站靜止等3 種模式下的流動(dòng)站定位狀態(tài)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄：共使用A、B、C 三臺(tái)GNSS接收機(jī)。設(shè)定接收機(jī)A 為移動(dòng)基站，進(jìn)行星站差分定位并向外播發(fā)RTK 差分?jǐn)?shù)據(jù)；設(shè)定接收機(jī)B和接收機(jī)C 為RTK 流動(dòng)站；移動(dòng)基站A、流動(dòng)站B、流動(dòng)站C 同步記錄1 s 采樣率的GNSS 靜態(tài)數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)輸出1 Hz NEMA-0183GGA 格式的RTK結(jié)果。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：以工程區(qū)附近的CORS 站為參考站，處理流動(dòng)站B、C 記錄的靜態(tài)數(shù)據(jù)，計(jì)算其1 s 采樣率的PPK 結(jié)果；將流動(dòng)站B、C 的PPK 結(jié)果和NEMA-0183GGA 格式的RTK 結(jié)果進(jìn)行投影變換，通過(guò)橫軸墨卡托投影（中央子午線123°）轉(zhuǎn)換為N、E、H 格式。

精度統(tǒng)計(jì)及評(píng)定：將單臺(tái)流動(dòng)站（B）的RTK結(jié)果與PPK 結(jié)果作差處理，統(tǒng)計(jì)其北方向偏差為ΔN、東方向偏差為ΔE、高程方向偏差為ΔH，分析三維方向收斂時(shí)間和收斂后的穩(wěn)定性；統(tǒng)計(jì)收斂后20 min 內(nèi)的固定解三維方向偏差均方根（RMS）以評(píng)定精度。

零基線測(cè)試與統(tǒng)計(jì)：分析2 臺(tái)RTK 流動(dòng)站（B和C）的定向精度，采用功分器分流同一GNSS 接收機(jī)天線信號(hào)，兩站基線理論長(zhǎng)度為0 m；對(duì)2個(gè)流動(dòng)站同步定位結(jié)果作差處理，統(tǒng)計(jì)同步定位偏差以分析2 個(gè)流動(dòng)站零基線穩(wěn)定性。

2 流動(dòng)站實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位性能分析

2.1 流動(dòng)站實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位分析

統(tǒng)計(jì)單臺(tái)RTK 流動(dòng)站的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位中的N、E、H 等方向的偏差并繪圖分析。

2.1.1 移動(dòng)基站-流動(dòng)站同步運(yùn)動(dòng)模式

圖2 為移動(dòng)基站運(yùn)動(dòng)時(shí)流動(dòng)站的動(dòng)態(tài)定位情況，N、E 方向開(kāi)始定位持續(xù)約2.5 min 趨向收斂，N 方向收斂后偏差基本保持在4 cm 內(nèi)浮動(dòng)，N 方向收斂后偏差RMS 為0.9 cm；E 方向收斂后偏差基本保持在6 cm 內(nèi)浮動(dòng)，收斂后E 方向偏差RMS 為1.0 cm；H 方向開(kāi)始定位持續(xù)約3.5 min 趨向收斂，H 方向收斂后偏差基本保持在15 cm 內(nèi)浮動(dòng)，H 方向收斂后偏差RMS 為2.7 cm。流動(dòng)站收斂后出現(xiàn)5 處無(wú)定位解。

圖2 移動(dòng)基站運(yùn)動(dòng)時(shí)流動(dòng)站動(dòng)態(tài)定位Fig.2 The dynamic positioning of rover station when mobile base station is kinetic

2.1.2 移動(dòng)基站靜止-流動(dòng)站運(yùn)動(dòng)模式

圖3 為移動(dòng)基站靜止時(shí)流動(dòng)站動(dòng)態(tài)定位情況，N 方向開(kāi)始定位持續(xù)約3 min 趨向收斂，N 方向收斂后偏差基本保持在5 cm 內(nèi)浮動(dòng)，N 方向收斂后偏差RMS 為0.4 cm；E 方向開(kāi)始定位持續(xù)約2 min趨向收斂，E 方向收斂后偏差基本保持在5 cm 內(nèi)浮動(dòng)，E 方向收斂后偏差RMS 為0.8 cm；H 方向開(kāi)始定位持續(xù)約3 min 趨向收斂，H 方向收斂后偏差基本保持在15 cm 內(nèi)浮動(dòng)，H 方向收斂后偏差RMS 為2.5cm。流動(dòng)站收斂后出現(xiàn)1 處無(wú)定位解。

圖3 移動(dòng)基站靜止時(shí)流動(dòng)站動(dòng)態(tài)定位Fig.3 The dynamic positioning of rover station when mobile base station is static

2.1.3 移動(dòng)基站運(yùn)動(dòng)-流動(dòng)站靜止模式

圖4 為移動(dòng)基站運(yùn)動(dòng)時(shí)流動(dòng)站靜止定位情況，N、E、H 方向開(kāi)始定位持續(xù)約2 min 趨向收斂，N、E 方向收斂后偏差均基本保持在6 cm 內(nèi)浮動(dòng)，N、E 方向收斂后偏差RMS 均為1.0 cm；H 方向收斂后偏差基本保持在15 cm 內(nèi)浮動(dòng)，H 方向收斂后偏差RMS 為2.0 cm。

圖4 移動(dòng)基站運(yùn)動(dòng)時(shí)流動(dòng)站靜止定位Fig.4 The static positioning of rover station when mobile base station is kinetic

基于實(shí)時(shí)星站差分定位的移動(dòng)基站播發(fā)RTK差分信號(hào)，RTK 流動(dòng)站定位與同步PPK 定位存在近似系統(tǒng)偏差，考慮為參考框架及參考?xì)v元不同所致。RTK 流動(dòng)站的N、E 方向3 min 內(nèi)可實(shí)現(xiàn)收斂，收斂后基本保持在5 cm 內(nèi)浮動(dòng)，N、E 方向收斂后偏差RMS 不超過(guò)1.0 cm；H 方向4 min 內(nèi)可實(shí)現(xiàn)收斂，收斂后基本保持在15 cm 內(nèi)浮動(dòng)，H方向收斂后偏差RMS 不超過(guò)3.0 cm。

2.2 流動(dòng)站實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位影響因素

針對(duì)移動(dòng)基站-流動(dòng)站同步運(yùn)動(dòng)、移動(dòng)基站靜止-流動(dòng)站運(yùn)動(dòng)兩種模式下出現(xiàn)的無(wú)定位解現(xiàn)象，考慮距離與高差等變化因素對(duì)電磁波傳播路徑的影響，分析移動(dòng)基站與流動(dòng)站相對(duì)距離、相對(duì)高差等變化與流動(dòng)站動(dòng)態(tài)定位狀態(tài)的相關(guān)性，采用PPK 結(jié)果計(jì)算相對(duì)距離與相對(duì)高差。

1）相對(duì)距離變化影響

圖5 為移動(dòng)基站與流動(dòng)站同步運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的相對(duì)距離變化與流動(dòng)站定位狀態(tài)，相對(duì)距離由遠(yuǎn)及近運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，定位解缺失和單點(diǎn)解現(xiàn)象較多集中在相對(duì)距離15 km 以上的過(guò)程，15 km 以下偶見(jiàn)6 處無(wú)定位解。

圖5 同步運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的相對(duì)距離變化與定位狀態(tài)Fig.5 The relative distance and the positioning state when mobile base station and rover station move synchronously

圖6 為移動(dòng)基站靜止與流動(dòng)站運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的相對(duì)距離變化與流動(dòng)站定位狀態(tài)，由圖中可以看出，根據(jù)PPK 結(jié)果計(jì)算可知相對(duì)距離逐漸由遠(yuǎn)及近運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，02:12 左右（約13 km）集中出現(xiàn)無(wú)定位解和單點(diǎn)解現(xiàn)象，其他區(qū)段（約9.5 km）偶見(jiàn)1處無(wú)定位解。

圖6 移動(dòng)基站靜止、流動(dòng)站運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的相對(duì)距離變化與定位狀態(tài)Fig.6 The relative distance and the positioning state when mobile base station is static and rover station is kinetic

2）相對(duì)高差變化影響

圖7 為移動(dòng)基站與流動(dòng)站同步運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的相對(duì)高差變化與流動(dòng)站定位狀態(tài)，移動(dòng)基站相對(duì)流動(dòng)站的高差變化整體較平穩(wěn)，06:00 出現(xiàn)1 處突然升高，并未造成顯著的GNSS 無(wú)定位解及單點(diǎn)解現(xiàn)象。

圖7 移動(dòng)基站與流動(dòng)站同步運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的相對(duì)高差變化與定位狀態(tài)Fig.7 The height difference and the positioning state when mobile base station and rover station move synchronously

圖8 為移動(dòng)基站靜止與流動(dòng)站運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的相對(duì)高差變化與流動(dòng)站定位狀態(tài)，移動(dòng)基站相對(duì)流動(dòng)站高差變化整體較平穩(wěn)，在02:10—02:13 出現(xiàn)2 處突然下降，均出現(xiàn)GNSS 無(wú)定位解現(xiàn)象，其中第2 次下降幅度較大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且伴隨單點(diǎn)解現(xiàn)象。

圖8 移動(dòng)基站靜止、流動(dòng)站運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的相對(duì)高差變化與定位狀態(tài)Fig.8 The height difference and the positioning state when mobile base station is static and rover station is kinetic

基于實(shí)時(shí)星站差分定位的移動(dòng)基站播發(fā)RTK差分信號(hào)，RTK 流動(dòng)站動(dòng)態(tài)定位過(guò)程中偶見(jiàn)無(wú)定位解和單點(diǎn)解現(xiàn)象，移動(dòng)基站相對(duì)流動(dòng)站距離變化在15 km 以上時(shí)，出現(xiàn)定位不佳的概率較大；移動(dòng)基站相對(duì)流動(dòng)站高差突然升高時(shí)對(duì)流動(dòng)站定位無(wú)影響，移動(dòng)基站相對(duì)流動(dòng)站高差突然降低時(shí)對(duì)流動(dòng)站定位影響較大，流動(dòng)站出現(xiàn)定位不佳的概率較大。

3 流動(dòng)站零基線（定向）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析

施工車(chē)輛及船舶在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)配備多臺(tái)GNSS 差分定位設(shè)備，完成定位定向以輔助施工。統(tǒng)計(jì)2 個(gè)流動(dòng)站同步定位差值并繪圖分析。

3.1 移動(dòng)基站-流動(dòng)站同步運(yùn)動(dòng)模式

圖9 為移動(dòng)基站運(yùn)動(dòng)時(shí)2 個(gè)流動(dòng)站動(dòng)態(tài)定位差，N、E 方向定位差值基本保持在毫米級(jí)，N、E 方向在01:42、01:45 出現(xiàn)小幅度波動(dòng)，振幅不超過(guò)±0.8 cm，N、E 方向整過(guò)程定位較穩(wěn)定；2 個(gè)流動(dòng)站H 方向定位差值基本保持在±1.5 cm 以內(nèi)浮動(dòng)。

圖9 移動(dòng)基站運(yùn)動(dòng)時(shí)2 個(gè)流動(dòng)站動(dòng)態(tài)定位差Fig.9 The dynamic positioning difference between two rover stations when mobile base station is kinetic

3.2 移動(dòng)基站靜止-流動(dòng)站運(yùn)動(dòng)模式

圖10 為移動(dòng)基站靜止時(shí)2 個(gè)流動(dòng)站動(dòng)態(tài)定位差，開(kāi)始定位出現(xiàn)跳躍并很快趨于穩(wěn)定，02: 11后出現(xiàn)1 次跳點(diǎn)，對(duì)應(yīng)圖8 中的單點(diǎn)解。N、E 方向定位差值基本保持在毫米級(jí)，N、E 方向整過(guò)程定位較穩(wěn)定；2 個(gè)流動(dòng)站H 方向定位差值基本保持在±1.5 cm 內(nèi)浮動(dòng)。

圖10 移動(dòng)基站靜止時(shí)2 個(gè)流動(dòng)站動(dòng)態(tài)定位差Fig.10 The dynamic positioning difference between two rover stations when mobile base station is static

3.3 移動(dòng)基站運(yùn)動(dòng)-流動(dòng)站靜止模式

圖11 為移動(dòng)基站運(yùn)動(dòng)時(shí)2 個(gè)流動(dòng)站靜止定位差，N、E 方向定位差值基本保持在毫米級(jí)，N、E 方向整過(guò)程定位較穩(wěn)定；2 個(gè)流動(dòng)站H 方向定位差值基本保持在±1.5 cm 內(nèi)浮動(dòng)。

圖11 移動(dòng)基站運(yùn)動(dòng)時(shí)2 個(gè)流動(dòng)站靜止定位差Fig.11 The static positioning difference between two rover stations when mobile base station is kinetic

基于實(shí)時(shí)星站差分定位的移動(dòng)基站播發(fā)RTK差分信號(hào)，2 個(gè)流動(dòng)站在移動(dòng)基站-流動(dòng)站同步運(yùn)動(dòng)、移動(dòng)基站靜止-流動(dòng)站運(yùn)動(dòng)、移動(dòng)基站運(yùn)動(dòng)-流動(dòng)站靜止3 種模式下的零基線測(cè)試顯示，N、E方向的定位差值基本保持在毫米級(jí)，不超過(guò)1.0 cm；H 方向的定位差值不超過(guò)±1.5 cm，定位系統(tǒng)總體內(nèi)部誤差較小，可提供穩(wěn)定的高精度定位定向服務(wù)。

4 結(jié)語(yǔ)

GNSS 移動(dòng)基站應(yīng)用于水運(yùn)工程中，通過(guò)試驗(yàn)評(píng)估該作業(yè)模式下RTK 流動(dòng)站的定位性能。與同步PPK 定位比較，RTK 流動(dòng)站的N、E 方向可在3 min 內(nèi)實(shí)現(xiàn)收斂，收斂后20 min 內(nèi)偏差RMS 不超過(guò)1.0 cm；H 方向可在4 min 內(nèi)實(shí)現(xiàn)收斂，收斂后20 min 內(nèi)偏差RMS 不超過(guò)3.0 cm。移動(dòng)基站與RTK 流動(dòng)站相對(duì)距離在15 km 以上時(shí)出現(xiàn)定位不佳的概率較大；移動(dòng)基站與RTK 流動(dòng)站相對(duì)高差突然降低時(shí)易造成RTK 流動(dòng)站定位不佳。2 個(gè)流動(dòng)站零基線定位的N、E 方向差值保持在毫米級(jí)，H 方向差值不超過(guò)±1.5 cm，定位定向穩(wěn)定性高。針對(duì)極少數(shù)無(wú)定位解或單點(diǎn)解現(xiàn)象，可通過(guò)實(shí)時(shí)濾波進(jìn)行處理。GNSS 移動(dòng)基站可實(shí)現(xiàn)其高精度星站差分能力的共享，極大降低車(chē)輛及船舶集群作業(yè)的星站差分服務(wù)費(fèi)。本試驗(yàn)采用車(chē)載方式，試驗(yàn)環(huán)境局限于臨海陸域；船載通訊設(shè)備多、電磁干擾大，遠(yuǎn)海水域風(fēng)浪條件復(fù)雜，船載及遠(yuǎn)海水域應(yīng)用效果還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。