北斗二號(hào)設(shè)備在海洋工程中實(shí)驗(yàn)比對(duì)研究

王在峰 張 磊 王志超 尹彥坤

（1. 中海油信息科技有限公司，北京 100027；2. 中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南 海口 570311）

0 引言

長期以來，在海洋工程導(dǎo)航定位領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的是全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）設(shè)備，隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（下文簡(jiǎn)稱北斗系統(tǒng)）逐步發(fā)展，北斗二號(hào)設(shè)備逐漸在海洋工程導(dǎo)航定位中占據(jù)了一席之地。盡管北斗系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到了北斗三號(hào)時(shí)代，但是由于設(shè)備更新?lián)Q代需要時(shí)間，大量北斗二號(hào)設(shè)備仍在普遍應(yīng)用中。現(xiàn)有的研究主要集中在對(duì)北斗系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（或組合系統(tǒng)）的陸地靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究[1-3]，或利用特定網(wǎng)站已有觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)北斗/GPS組合系統(tǒng)定位精度進(jìn)行進(jìn)一步的評(píng)價(jià)與分析上[4,5]，對(duì)北斗二號(hào)設(shè)備與GPS設(shè)備在海上實(shí)際應(yīng)用中的導(dǎo)航定位性能研究不足。

本研究利用海洋工程現(xiàn)用的北斗二號(hào)設(shè)備和GPS設(shè)備開展了海上現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析了北斗設(shè)備和GPS設(shè)備獲取的船艏向數(shù)據(jù)，并以GPS坐標(biāo)為基準(zhǔn)，對(duì)北斗系統(tǒng)的定位精度進(jìn)行了比對(duì)分析。

1 試驗(yàn)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，GPS系統(tǒng)在海洋工程導(dǎo)航定位領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的是高精度差分GPS技術(shù)，在近海海域，主要采用GPS差分定位技術(shù)，遠(yuǎn)海則采用GPS星基差分技術(shù)進(jìn)行定位，本研究中海上試驗(yàn)地點(diǎn)在近海。

北斗海上動(dòng)態(tài)導(dǎo)航定位技術(shù)主要有精密單點(diǎn)定位技術(shù)和載波相位差分定位技術(shù)兩種[6]，海洋工程導(dǎo)航定位作業(yè)主要采用載波相位差分定位技術(shù)，利用B1、B2頻段載波相位觀測(cè)值形成雙差組合觀測(cè)值，通過解算寬巷載波相位組合觀測(cè)值的整周模糊度，進(jìn)一步得到載波相位觀測(cè)值的整周模糊度，從而計(jì)算出觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)定位[7,8]。

北斗系統(tǒng)由三部分組成，分別是空間段、地面段和用戶段[9,10]。利用差分定位技術(shù)進(jìn)行海洋工程導(dǎo)航定位作業(yè)時(shí)，系統(tǒng)組成可分為北斗衛(wèi)星系統(tǒng)、地面差分站和船載終端。其中，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)為海洋工程導(dǎo)航定位提供基礎(chǔ)服務(wù)；地面差分站用于對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，以獲取高精度定位信息；北斗船載終端利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，為船舶提供實(shí)時(shí)高精度定位和導(dǎo)航服務(wù)。技術(shù)人員利用導(dǎo)航定位軟件及設(shè)置在工程船舶上的顯示屏，即可實(shí)時(shí)獲取并觀測(cè)各施工船舶的相對(duì)位置，并可便捷地設(shè)置導(dǎo)航定位參數(shù)，以便施工人員將工程船舶行駛至指定位置。

本研究中，選取一套海洋工程現(xiàn)用的北斗二號(hào)設(shè)備作為船載終端，在海上實(shí)際試驗(yàn)過程中，船載終端將導(dǎo)航數(shù)據(jù)傳輸至導(dǎo)航定位軟件中。同時(shí)，利用一套海洋工程現(xiàn)用的GPS設(shè)備，同船開展海上測(cè)試。需測(cè)兩套衛(wèi)星系統(tǒng)單獨(dú)解算的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，即單北斗差分解算數(shù)據(jù)和單GPS差分解算數(shù)據(jù)。

1.2 設(shè)備及軟件系統(tǒng)

1.2.1 主要設(shè)備

本次試驗(yàn)所采用的主要設(shè)備如表1所示。

表1 設(shè)備一覽表

（1）北斗二號(hào)設(shè)備

北斗二號(hào)設(shè)備支持雙天線進(jìn)行定位測(cè)向解算，可廣泛應(yīng)用于海上施工定位、測(cè)深勘測(cè)、船舶導(dǎo)航等方面。北斗二號(hào)設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如表2所示，表2中：RTK（Real-time Kinematic Survey）為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，DGPS（Differential Global Position System）為差分全球定位系統(tǒng)，SBAS（Satellitebased Augmentation system）為星基增強(qiáng)系統(tǒng)；

表2 北斗二號(hào)終端設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

（2）GPS設(shè)備

GPS定位定向儀主要技術(shù)參數(shù)如表3所示，表3中：CEP（Circular Error Probable）為圓概率誤差，是GPS定位精度單位。GPS定位定向儀安裝簡(jiǎn)單，兩個(gè)天線安裝在配置好的標(biāo)準(zhǔn)1m安裝支架上。

表3 GPS定位定向儀主要技術(shù)參數(shù)

1.2.2 軟件系統(tǒng)

本次北斗系統(tǒng)應(yīng)用于海洋工程導(dǎo)航定位所使用的軟件系統(tǒng)為自主開發(fā)系統(tǒng)，軟件功能包括串口調(diào)試、船型參數(shù)設(shè)置、定位位置計(jì)算等。該軟件可根據(jù)海上施工導(dǎo)航定位軟件進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性強(qiáng)，窗口簡(jiǎn)潔、友好，圖標(biāo)清新可人，操作方式人性化等特點(diǎn)。該軟件可用于高斯-克呂格投影和墨卡托投影，系統(tǒng)內(nèi)置北京54坐標(biāo)系（BJ-54）、WGS-84大地坐標(biāo)系（World Geodetic system -84）、WGS-72大地坐標(biāo)系（World Geodetic system -72）等多種坐標(biāo)系統(tǒng)。只需要在任務(wù)參數(shù)設(shè)置中選擇所需的坐標(biāo)參數(shù)，該軟件系統(tǒng)便可以與任何坐標(biāo)系統(tǒng)連接，是一套開放性很強(qiáng)的導(dǎo)航定位軟件系統(tǒng)。

1.3 實(shí)地測(cè)試

1.3.1 陸地靜態(tài)試驗(yàn)

為保證北斗二號(hào)終端設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，在進(jìn)行海上動(dòng)態(tài)試驗(yàn)前，首先對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了系統(tǒng)兼容性及穩(wěn)定性測(cè)試，陸地靜態(tài)測(cè)試在陸上某地進(jìn)行，測(cè)試方案如下：

將北斗接收機(jī)置于室內(nèi)，北斗定位定向天線置于室外無遮擋處，確保天線能夠接收到4顆及以上衛(wèi)星信號(hào)，接收機(jī)與天線之間通過線纜連接（如圖1所示），接收機(jī)通過線纜接入導(dǎo)航定位電腦。

圖1 接收機(jī)與天線陸地現(xiàn)場(chǎng)連接圖（上圖為接收機(jī)，下圖為天線）

利用軟件開展串口調(diào)試，根據(jù)接收機(jī)接入導(dǎo)航定位電腦接口的不同，對(duì)串口進(jìn)行設(shè)置。串口調(diào)試窗口輸出全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System, GNSS）數(shù)據(jù)，其中包含接收機(jī)的時(shí)間、位置及定位相關(guān)數(shù)據(jù)。測(cè)試過程中，軟件能夠接收到接收機(jī)發(fā)送的位置和航向信息，表明軟硬件系統(tǒng)可以正常工作。

1.3.2 海上動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

選取近海某海域開展海上現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，將北斗、GPS設(shè)備及天線搭載至相關(guān)船只，出海開展數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)。本次海上試驗(yàn)采用了動(dòng)態(tài)差分定位技術(shù)，選取合適的路線進(jìn)行測(cè)試，需測(cè)單北斗差分解算數(shù)據(jù)和單GPS差分解算數(shù)據(jù)。

（1）基線選擇

一般而言，可利用卷尺等工具精確測(cè)量?jī)商炀€中心之間的距離以確定基線長度，兩天線中心之間距離的測(cè)量精度會(huì)直接影響到側(cè)向的效果。由于海上導(dǎo)航定位作業(yè)的特殊性，天線難以固定以準(zhǔn)確測(cè)定基線長度。為保證基線長度的精確性，需預(yù)先在陸地定制固定長度的基線，在進(jìn)行海上導(dǎo)航定位作業(yè)時(shí)，只需將帶有衛(wèi)星天線的基線利用扎帶固定于船舷或空曠處即可。

本次海上試驗(yàn)中，根據(jù)不同接收機(jī)型號(hào)使用不同的基線長度。對(duì)北斗二號(hào)定位定向接收機(jī)，使用2m基線；對(duì)GPS定位定向接收機(jī)，使用1m基線。基線設(shè)計(jì)如圖2所示；

圖2 北斗二號(hào)接收機(jī)基線設(shè)計(jì)圖（2m基線）

（2）設(shè)備安裝

本次海上試驗(yàn)中將衛(wèi)星天線置于右側(cè)船舷，GPS接收機(jī)天線的前端天線用于定位，后端天線用于定向，北斗二號(hào)接收機(jī)天線則與之相反，前端天線用于定向，后端天線用于定位，衛(wèi)星天線安裝位置見圖3所示；

圖3 北斗接收機(jī)及GPS接收機(jī)海上現(xiàn)場(chǎng)接線圖

（3）定位點(diǎn)選擇

受限于船體本身，北斗和GPS定位天線通常無法準(zhǔn)確安裝在船體需要定位的點(diǎn)，實(shí)際操作中一般選取船上容易固定、不易滑落且無遮擋的相對(duì)開闊區(qū)域作為天線的安裝位置。在導(dǎo)航定位作業(yè)過程中，定位參考點(diǎn)的選取尤為重要，利用選取的固定參數(shù)，加上對(duì)應(yīng)的船型參數(shù)，便可相對(duì)準(zhǔn)確地解算出船體的位置和實(shí)際大小。

在導(dǎo)航定位過程中，為了使定位參數(shù)統(tǒng)一，一般會(huì)以船體為基準(zhǔn)，虛擬出平面坐標(biāo)系。在作業(yè)過程中以船尾的中點(diǎn)作為平面坐標(biāo)系的原點(diǎn)，右舷方向?yàn)閤軸正方向，左舷方向以x軸負(fù)方向，船頭方向?yàn)閥軸正方向，而坐標(biāo)原點(diǎn)即為實(shí)際定位點(diǎn)。

實(shí)際操作中，需要對(duì)天線定位點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到船尾中點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)（大地坐標(biāo)）。在作業(yè)過程中，導(dǎo)航定位電腦中顯示的定位點(diǎn)即為船尾中點(diǎn)坐標(biāo)。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖如圖4所示，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式（1）所示：

圖4 北斗及GPS天線安裝位置示意圖

式中：Xp、Yp為定位點(diǎn)平面直角坐標(biāo)（大地坐標(biāo)）；

X0、Y0為天線位置直角坐標(biāo)（大地坐標(biāo)）；

xp、yp為定位點(diǎn)船型坐標(biāo)（以船尾中點(diǎn)為原點(diǎn)）；

x0、y0為天線位置船型坐標(biāo)（以船尾中點(diǎn)為原點(diǎn)）；

Hg為船艏向；

（4）軟件設(shè)置

設(shè)備安裝及接線完成后，需要在導(dǎo)航定位軟件中進(jìn)行警戒圓設(shè)置、定點(diǎn)導(dǎo)航設(shè)置和船型設(shè)置（主船設(shè)置、拖輪船型設(shè)置）。軟件設(shè)置完成后，即可進(jìn)行導(dǎo)航定位作業(yè)。本次海上動(dòng)態(tài)試驗(yàn)只對(duì)拖船導(dǎo)航定位進(jìn)行了測(cè)試，并以GPS定位數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對(duì)北斗系統(tǒng)導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)進(jìn)行了定位精度分析。

2 結(jié)果和討論

2.1 船艏向?qū)Ρ确治?/h3>

根據(jù)海上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析可知，本次海上試驗(yàn)過程中，北斗設(shè)備和GPS設(shè)備獲取的船艏數(shù)據(jù)均為偏西向（如圖5所示）。船的實(shí)際航行軌跡為南偏西60°左右，而北斗設(shè)備和GPS設(shè)備測(cè)得的船艏向數(shù)據(jù)為偏西向，實(shí)際航行軌跡與測(cè)得的船艏向呈現(xiàn)約30°的夾角，這是由試驗(yàn)過程中風(fēng)和洋流的因素引起的。

圖5 北斗系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)測(cè)得船艏向圖

2.2 定位精度分析

北斗系統(tǒng)在海洋工程中的應(yīng)用主要分為導(dǎo)航和定位兩部分，其中，船舶導(dǎo)航對(duì)定位精度要求較低，而在淺海區(qū)域海洋石油平臺(tái)導(dǎo)管架就位、上部組塊的安裝及重塊位置確定等海洋工程定位領(lǐng)域，則對(duì)定位精度具有較高的要求。一般而言，在海洋石油領(lǐng)域，高精度定位作業(yè)一般要求精度控制在亞米級(jí)。

海上現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中，GPS所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS-84系統(tǒng)，而北斗所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)為CGCS2000（國家2000大地坐標(biāo)系），這兩種坐標(biāo)可以通過導(dǎo)航定位轉(zhuǎn)件進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換，最終輸出數(shù)據(jù)格式為WGS-84坐標(biāo)。

選取北斗系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)時(shí)間重合段進(jìn)行分析，其中北斗系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)頻率為2s，而GPS獲取數(shù)據(jù)頻率為1s，即北斗系統(tǒng)每2s獲取一組導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)，GPS每1s獲取一組導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)。選取北斗與GPS時(shí)間重疊時(shí)段的航跡數(shù)據(jù)對(duì)北斗二號(hào)設(shè)備的定位精度進(jìn)行分析，航跡數(shù)據(jù)誤差分析表如表4所示。以GPS測(cè)量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)點(diǎn)，表中Δx是北斗二號(hào)設(shè)備與GPS設(shè)備在x軸方向的定位數(shù)據(jù)差值，Δy是北斗二號(hào)設(shè)備與GPS設(shè)備在y軸方向的定位數(shù)據(jù)差值，t是時(shí)間。

表4 北斗設(shè)備與GPS設(shè)備航跡數(shù)據(jù)誤差分析表

由表4可知，北斗設(shè)備與GPS設(shè)備橫軸方向高精度定位誤差范圍是-0.18～0.27m，縱軸方向高精度定位誤差范圍是-0.17～0.14m，橫、縱軸誤差均在亞米范圍內(nèi)。

以GPS測(cè)量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)點(diǎn)，北斗系統(tǒng)平均精度如式（2）所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，北斗二號(hào)設(shè)備既滿足海洋工程拖船導(dǎo)航定位作業(yè)需求，也滿足主作業(yè)船海洋工程高精度定位作業(yè)需求。

3 結(jié)語

北斗二號(hào)終端上市多年，出產(chǎn)量比較大，雖然已經(jīng)進(jìn)入了北斗三號(hào)時(shí)代，但是大量北斗二號(hào)設(shè)備仍在應(yīng)用中。在對(duì)精度要求亞米級(jí)的實(shí)際海洋工程中，北斗二號(hào)設(shè)備已具備代替GPS設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)航定位的能力。利用北斗及GPS設(shè)備進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，可提高定位穩(wěn)定性，降低錯(cuò)誤率。