星站差分定位系統在海洋工程上的應用

高濟輝

[摘 要]星站差分定位系統通過海事衛星發布差分信息進行位置修正，在近幾年海洋工程建設上得到廣泛的應用。本文主要從星站差分定位系統的組成，性能，工程應用三個方面進行了論述，結合海洋工程導管架安裝項目、海管鋪設項目的導航定位工作，對其實際應用進行了介紹。

[關鍵詞]星站差分定位系統；導航定位；導管架安裝

中圖分類號：P631.8；P228.4 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）17-0394-01

1.引言

隨著海洋工程的大力開發，海洋工程建設對導航定位工作的要求也更高，從最初的米級精度到現在的分米級、厘米級精度。因為海洋工程施工區域距離岸邊很遠，所以為海洋工程提供導航定位工作無法像陸地測量一樣自己建立RTK基準站或者使用CORS網絡。普通岸基差分定位只能提供米級以上的定位精度，隨著與差分臺距離的增加精度逐漸降低，在遠海作業時經常無法收到差分信號。星站差分定位系統可以提供精度高、信號穩定、全球范圍接收的差分信號，在近幾年海洋工程導航定位應用中發揮了重要作用。

2.系統介紹

系統主要組成部分包括：參考站；控制中心；基準站；海事衛星；用戶接收機；質量控制軟件。

星站差分定位系統在全球建立了超過80個參考站，并在英國和新加坡擁有兩個控制中心。控制中心監控通訊系統的整體性能，也能為用戶提供有關系統性能的實時信息，同時，具有開啟和關閉系統的權限。

星站差分定位系統在上海、深圳、首爾等地建有基準站。能提供分米級位置精度，滿足高精度海洋工程施工中的導航定位工作。

星站差分定位系統通過6顆高功率海事衛星和1顆低功率衛星發布信息。采用七顆海事衛星進行信號廣播，其中四顆高頻的，三顆低頻的，為用戶提供高精度的數據備份。如圖1：

用戶接收機通過內置的雙頻天線可以同時接收GPS和GLONASS衛星信號，使用星站差分定位系統的差分信號時，其定位精度可以高達分米級，同時連接兩個天線頭時可以提供船舶艏向（表1）。

質量控制軟件（VerifyQC）是一組為專業用戶開發的數據處理軟件。它被設計用來提供實時的可靈活設置的位置信息以及性能監控信息。該軟件具有模塊化和可擴展特性，同時用戶操作靈活簡便。Verify有很強的通信協議的兼容性，可以通過串口，TCP/IP和數據文件進行通信，不僅可以實時操作處理，而且也保留后處理模式的完備功能。

3.工程應用

3.1 設備安裝與校正

用戶接收機被安裝在從事工程作業的工程船上，根據現場情況將天線頭架設在遠離高大結構物、雷達、高頻等區域，保證接收衛星信號穩定，兩個天線頭間距大于10米。在工作中需要知道兩個天線頭連線與船舶軸線的夾角，采用天文觀測方法使用全站儀測定夾角。

3.2 船型測量

作業船舶的位置確定，是以船艉中心位置為基點。在導航定位軟件當中輸入作業船舶的長度、寬度、即可以建立起以船艉中心為坐標原點，以船艏向為X軸正向，以平行于右舷方向為Y軸正向的自定義坐標系統，然后測量GPS天線位置及船舶所有錨纜孔、吊機中心、設站點及其他需要使用的關鍵點在該坐標系統的坐標值，并輸入在導航定位軟件中。

導航定位軟件自動接收質量控制軟件輸出的高精度位置數據，并經過坐標投影計算出天線位置的實時平面坐標，結合實時船艏向，推算出船艉中心、錨纜孔、設站點或作業船舶上任意一點的平面坐標，從而滿足作業船舶在不同位置進行定位工作的需要。導航定位軟件進行轉換的公式如下：

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P的實時坐標；

XGPS，YGPS：GPS天線的實時坐標；

X0，Y0：GPS天線的船型坐標；

X1，Y1：船上任意一點P的船型坐標；

H船：作業船的實時艏向。

3.3 導管架精確定位

當導管架就位時，在工程船左舷設站點上架設全站儀，使用全站儀觀測導管架與工程船之間的相對位置，并通過數據電纜把觀測數據實時傳送至導航定位軟件中，經過計算后，在定位軟件上實時顯示導管架當前的實際位置與設計位置的偏差。指揮人員根據偏差值調整導管架的位置，當實際位置與方位符合設計要求后，導管架座底。待注水完成后，定位人員對導管架的位置再次測量，確定滿足設計要求后打點記錄導管架的位置。

3.4 導航插樁作業

導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的高精度位置數據可以引導鋼樁快速、準確的插入裙樁套筒中。

根據導航軟件的動態信息，確定吊機中心至裙樁套筒的距離和方向，并根據施工船舶吊機的跨距覆蓋能力調整船位。在船位穩定之后，以吊機中心坐標為基點，定點導航至指定裙樁套筒，在導航軟件中實時顯示兩點間的坐標方位角和平面距離。項目指揮人員根據已知坐標方位角和平面距離指揮吊機攜鋼樁轉動，在吊機攜鋼樁轉動接近指定裙樁套筒之后，下放鋼樁。如圖2：

3.5 海管鋪設導航定位

動力定位海管鋪設船在海管鋪設時要根據GPS提供的位置信息設定移動路線，船上各種傳感器根據當時的海況、流速流向、船舶狀態等信息自動計算各個推進器運轉功率，將作業船移動到指定位置。星站差分定位系統可以提供準確、穩定的GPS位置信息，為作業船正常工作提供保障。

管線鋪設過程中，定位人員在導航定位軟件中將作業船對中站的位置設置為主工作點，海管著泥點設置為輔工作點，兩個工作點作為偏航參考點。軟件實時顯示工作點的位置、工作點偏離設計管線路由的距離、船艏偏離設計管線路由方向的角度。操作人員根據軟件上所顯示的偏航數據進行移船以修正偏航值，保持工作點在管線設計路由允許偏差范圍內。

4.結論

隨著海洋工程的發展，施工區域已經由離岸幾十公里發展到幾百公里，作業水深也已到達幾百米，對導航定位的要求越來越高。星站差分定位系統經過近幾年在海洋工程上的應用已經得到了業主的廣泛認可，在海洋工程上的應用將會越來越普遍。

參考文獻

[1] 從軍.GPS導航定位技術在海洋工程中的應用[J].中國科技博覽，2015