DGP在海洋施工中的應(yīng)用

1、一、 引言隨著科技的發(fā)展，海上勘探定位手段也發(fā)生了革命性的變化，衛(wèi)星定位基本取代傳統(tǒng)光學(xué)儀器定位和無線電定位，定位的精度和速度也有了數(shù)量級的提高。目前在海上勘探工程中較為常用的有二種：一是利用無線電指向標(biāo)/差分全球定位系統(tǒng)（RBN-DGPS）定位，二是利用GPS實時動態(tài)相位差分（RTK）定位。二、 RBN-DGPS 系統(tǒng)RBN-DGPS 即無線電指向標(biāo)/差分全球定位系統(tǒng)（Radio Beacon DGPS）是利用無線電指向標(biāo)播發(fā)DGPS 修正信息向用戶提供高精度服務(wù)的導(dǎo)航系統(tǒng)。RBN-DGPS 基本的工作原理是建立在基準(zhǔn)站和用戶站對GPS 衛(wèi)星的同步同軌跡的基礎(chǔ)上，通常認(rèn)為，若基準(zhǔn)站和用戶站同

2、步觀測同一顆衛(wèi)星，且基準(zhǔn)站和用戶站間隔在一定距離內(nèi)（一般不超過150km），則這兩種站上的觀測值相應(yīng)于同一衛(wèi)星的同一軌道弧段，它們之間包含相同的誤差。基準(zhǔn)站實時計算衛(wèi)星偽距差值（GPS 自身定位偽距值與已知偽距值的差量），借助于RBN 的信號調(diào)制發(fā)送功能，調(diào)制成載波差分?jǐn)?shù)據(jù)改正信號，在有效范圍內(nèi)實時、連續(xù)地發(fā)送。用戶站在運動中接收差分?jǐn)?shù)據(jù)改正信號，作為GPS 本機定位的數(shù)據(jù)修正量，實時修正GPS 自身定位的偏差。交通部設(shè)立了20 個RBN-DGPS 無線電指向標(biāo)發(fā)射臺，每個發(fā)射臺的作用距離約300km，覆蓋我國整個沿海地區(qū)，一套完整的RBN-DGPS 系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)臺、發(fā)射機、監(jiān)控臺和監(jiān)控中心

3、組成。基準(zhǔn)臺由兩臺高性能的12 通道GPS 接收機和兩個MSK 調(diào)制器組成，接收機天線安放在已知點上，通過接收到的衛(wèi)星信號，計算出相對于每顆衛(wèi)星的偽距修正信息，并按規(guī)定的數(shù)據(jù)格式傳至調(diào)制器，調(diào)制器再將接收機傳來的修正信息調(diào)制到無線電指向標(biāo)載頻上，以中波（283.5-325.0kHZ）發(fā)布DGPS 改正信息。用戶應(yīng)用信標(biāo)GPS 機進(jìn)行接收RBN-DGPS 信號。以中海達(dá)K7 信標(biāo)GPS 機為例，它能自動搜索和選擇鄰近無線電信標(biāo)臺，接收其GPS差分改正數(shù)RTCM SC-104 Type 9 電文，進(jìn)行偽距差分定位。它能實時顯示出所選坐標(biāo)系上當(dāng)前位置的大地坐標(biāo)、航速和航向、離設(shè)計路由的距離，從而引導(dǎo)

4、施工船只定位。RBN-DGPS 系統(tǒng)精度穩(wěn)定，數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)馁|(zhì)量和可靠性均達(dá)到較高的水平，數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率很低。目前定位精度在l10m 之間，這與距發(fā)射臺的遠(yuǎn)近相關(guān)，距離愈遠(yuǎn)，定位精度愈差。由于采用的是偽距差分，精度很難進(jìn)一步提高，而且三維坐標(biāo)中高程誤差是平面誤差的2倍，這在某些勘探定位工作中需要較高的高程精度時，難以滿足精度要求。三、 RTK 定位技術(shù)RTK 即實時動態(tài)相位差分（Real-Time kinematic）。RTK 定位技術(shù)采用載波相位觀測值，是一種直接應(yīng)用L1 和L2 載波（波長分別為19cm 和24cm）相位的定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r地提供測站點在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到

5、厘米級精度（1cm+1ppm）。在RTK 作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳送給流動站。流動站通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，同時采集GPS 觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實時處理。流動站可處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可處于運動狀態(tài)；可在固定點上先進(jìn)行初始化后再進(jìn)入動態(tài)作業(yè)，也可在動態(tài)條件下直接開機，并在動態(tài)環(huán)境下完成周模糊度的搜索求解。在整周末知數(shù)解固定后，即可進(jìn)行每個歷元的實時處理，只要能保持四顆以上衛(wèi)星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動站可隨時給出厘米級定位結(jié)果。RTK 系統(tǒng)是由基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)通訊鏈和移動站（船臺）所組成，是一種自設(shè)岸臺的差分GPS，它由一個基準(zhǔn)站

6、和若干個移動站組成。在RTK 測量模式下，基準(zhǔn)站安置在具有已知坐標(biāo)值的參考點上，連續(xù)不斷的跟蹤觀測GPS 衛(wèi)星，借助于數(shù)據(jù)鏈將站際信息發(fā)射給移動站（船臺），船臺在觀測GPS 衛(wèi)星的同時通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實時處理，瞬間提供測站點在指定坐標(biāo)系中的三維定位成果，通過計算機屏幕，顯示船臺目前的航速、航向與設(shè)計勘探孔的距離。隨著計算技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在又實現(xiàn)了應(yīng)用RTK 技術(shù)無驗潮水深測量，從而也解決了遠(yuǎn)距離海上測定勘探孔泥面高的難題。RTK 測量在解算整周未知數(shù)時，需要一個近似的估值，該估值是以碼相位常規(guī)差分測量求得的，作用距離太大時，該估值的誤差就大，有可能在運動

7、狀態(tài)下無法搜索到可靠的整周數(shù)解，導(dǎo)致作業(yè)失敗，因此作用距離就非常有限，一般要得到厘米級精度作用距離不能大于1015km。采用GPS 動態(tài)定位時，參考站的選址要注意周圍無障礙物，與微波站、變電站、高壓線保持一定的距離，顧及地球曲率及地形的影響，參考站的站址及電臺發(fā)射天線要有必要的高度，從而使流動站與參考站之間無信號遮擋。四、 兩者比較覆蓋我國整個沿海地區(qū)的RBN-DGPS 基準(zhǔn)臺的布設(shè)，使得在沿海遠(yuǎn)距離進(jìn)行勘探定位工作變的更加容易，對于一些定位精度不是很高的勘探工作，RBN-DGPS 系統(tǒng)可以提供米級的二維或三維坐標(biāo)。但需注意的是：當(dāng)基準(zhǔn)站和用戶站的間距增大時，二者誤差的相關(guān)性減弱，定位精度就會

8、迅速降低。實時動態(tài)相位差分（RTK）定位技術(shù)能達(dá)到厘米級精度，在沿海各種勘探工作特別是對高程精度有較高要求時具有極大的優(yōu)勢。經(jīng)過在長江口深水航道治理工程勘探項目實驗比對，在距岸臺17km 的海上，RTK 測定高程的精度為2030cm，完全滿足海上勘探的精度要求。在遠(yuǎn)離岸線的勘探項目中，則可以考慮可以將RBN-DGPS 系統(tǒng)與PPK 定位技術(shù)結(jié)合起來使用，從而使實際的定位精度保持在厘米級。應(yīng)用RTK 及DGPS 技術(shù)，在定位前，均應(yīng)在已知點上對其坐標(biāo)與高程進(jìn)行比對，并測定12 已知點，由此來檢驗轉(zhuǎn)換參數(shù)的正確性與估算實際的定位精度。五、 中海達(dá)DGPS（K7）技術(shù)參數(shù)K7 采用最新的一體化設(shè)計，

9、內(nèi)置雙 GPS 天線、電子陀螺、傾斜傳感器等，可快速提供準(zhǔn)確的船位和航向，配合中海達(dá)的導(dǎo)航軟件可為海洋工程精確定位與定向。 技術(shù)優(yōu)勢： 巧妙的一體化天線設(shè)計，防水，抗震抗摔，抗曬，抗腐蝕性能高，易于安裝和維護(hù)； 內(nèi)含電子陀螺和傾斜傳感器，在衛(wèi)星信號短時間中斷情況下，仍能保持較高的定向精度； 快速的定位定向數(shù)據(jù)更新率，最高可達(dá) 20Hz/s； 采用了 COAST 技術(shù)，在差分信號中斷的情況下，在 40 分鐘甚至更長的時間內(nèi)，保持準(zhǔn)確定向； 光隔傳輸：采用光電隔離，可防止電腦的電磁干擾，采用 RS-485 遠(yuǎn)距離傳輸。 寬電壓：9-36V 寬直流電源供電，可 12V 蓄電池供電，也可用 24V 船

10、電。 適用范圍廣泛，在內(nèi)陸無信標(biāo)時，可實現(xiàn)高精度定向，性價比高； 技術(shù)參數(shù)： GPS 信號：雙 12 通道；L1,C/A 碼，載波相位平滑； 數(shù)據(jù)更新率：標(biāo)準(zhǔn) 10Hz，最高可達(dá) 20Hz（包括定位和定向）； 定位精度：DGPS(SBAS) 1.0m CEP； 定向精度：<0.5°RMS； 俯仰精度：<1.0°RMS； 啟動時間：<60s； 定向固定時間：<20s； 重捕獲時間：<1s； 數(shù)據(jù)傳輸：光電隔離 RS-485 接口；波特率 4800-38400 bps； 應(yīng)用領(lǐng)域 海洋測量、航道疏浚、管纜鋪設(shè)、海洋工程施工導(dǎo)航。六、 施工定位軟件的

11、應(yīng)用 1、HaiDa海洋施工定位軟件的安裝運行中海達(dá)測繪儀器公司配套光碟中安裝目錄下的SETUP.EXE文件,開始初始化SETUP過程稍等片刻出現(xiàn)圖1-1窗口圖1-1單擊下一步后安裝。安裝主程序完畢后，程序會自動啟動微狗驅(qū)動程序安裝，必須安裝后才能啟動軟件，否則軟件讀不了軟件狗，不能正常進(jìn)行工作圖1-2 軟件狗驅(qū)動程序2、建立任務(wù)參數(shù)表 在測量前應(yīng)建立關(guān)于此次測量的任務(wù)。任務(wù)用來定義測量任務(wù)的位置、大小、比例尺、坐標(biāo)系及投影方法等內(nèi)容的。并且程序自動在安裝路徑下生成一個導(dǎo)航文件（任務(wù)名.nav） 和建一個與任務(wù)名同名的文件夾，以后此次任務(wù)所測的數(shù)據(jù)（定位數(shù)據(jù)、水深數(shù)據(jù)）都放在該文件夾下，以便管

12、理。2-1 任務(wù)名稱及投影要確定一任務(wù)，必須要知道測量范圍的左下點的坐標(biāo)（Xs，Yw）、比例尺、圖寬和圖高，當(dāng)然還要一個圖名（也叫任務(wù)號）。GPS在WGS84坐標(biāo)系中工作，輸出的坐標(biāo)大多是經(jīng)緯度，同時為了保證原始數(shù)據(jù)的通用性，野外采集的坐標(biāo)用經(jīng)緯度存儲。因此，為了工程需要，還必須選定投影。投影方法很多，但我國各測量部門都采用高斯投影。另外要投影還要知道在哪個坐標(biāo)系統(tǒng)的橢球體上投影。任務(wù)參數(shù)決定了坐標(biāo)系以及投影等，同一幅測量圖采用不同的任務(wù)參數(shù)即修改了任務(wù)參數(shù)，整個任務(wù)的坐標(biāo)、計劃線和坐標(biāo)庫也相應(yīng)地改變。2-2 設(shè)置任務(wù)參數(shù)表 運行“HaiDa海洋施工定位軟件”主程序后，如果沒有上次未完成的任務(wù)

13、（在首次使用時），就會需要你新建或套用現(xiàn)有任務(wù)。 選擇“新建任務(wù)”或“套用現(xiàn)有任務(wù)”項則馬上進(jìn)入“設(shè)置任務(wù)參數(shù)”窗口。如果選擇“取消”按鈕，則退出程序。任務(wù)框各標(biāo)簽內(nèi)容說明如下： 坐標(biāo)系 坐標(biāo)系統(tǒng)一項將確定采用的橢球體參數(shù)，這必須與使用的坐標(biāo)系統(tǒng)一致，不是隨意選擇的。要增加一種新的坐標(biāo)系時，可在“橢球體參數(shù)”中來添加橢球長半軸a和扁率e的分母，然后給定一新的名稱，單擊“添加”即可；如果要刪除某一坐標(biāo)系，則先在坐標(biāo)系框里選定，再單擊“刪除”即可。 投影方式 選擇高斯投影度或度時，中央子午線由Yw中的帶號確定，其算法是：三度帶：= n×3 六度帶：= n×63 為中央子午線（度

14、），n為投影帶號。選擇其他投影時，右邊出現(xiàn)“投影參數(shù)”輸入框，輸入工作區(qū)域的投影中央子午線（度:分:秒）、尺度及X常數(shù)Y常數(shù)。對于墨卡托投影還需輸入基準(zhǔn)緯度。 若用戶選擇自定義高斯投影，用戶可以自己選擇任意中央子午線，X常數(shù)、Y常數(shù)用于給投影計算結(jié)果加上一個常數(shù)值，標(biāo)準(zhǔn)的高斯度度帶投影中始終是：X常數(shù)0，常數(shù)500000。尺度常數(shù)用于需尺度變換的場合，一般都選擇，選用UTM投影時，尺度常數(shù)應(yīng)為0.9996。 一級、二級地方坐標(biāo)系變換 當(dāng)需要用地方坐標(biāo)系進(jìn)行測繪時，我們使用四參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)變換，單擊它，使其出現(xiàn)號，表示打開了地方坐標(biāo)系變換，出現(xiàn)“地方坐標(biāo)系變換參數(shù)”，輸入變換的X平移、Y平移、旋轉(zhuǎn)

15、角度（度：分：秒）及尺度。 轉(zhuǎn)換參數(shù)（七參數(shù)） 當(dāng)需要用地方坐標(biāo)系進(jìn)行測繪時，我們使用七參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)變換，單擊它，使其出現(xiàn)號，表示打開了七參數(shù)變換（圖3-7），輸入變換的X平移、Y平移、Z平移及其分別的旋轉(zhuǎn)角度（度：分：秒）及尺度。 圖定義 首先需填入任務(wù)名，也就是一幅測量圖的圖名。測量過程中的所有原始記錄將被存在同名的子目錄下。其次比例尺是用于測圖和繪圖的比例尺。左下點坐標(biāo)Xs、Yw為任務(wù)西南點坐標(biāo)，Xs、Yw要與對應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)相一致，對于“高斯投影度帶”和“高斯投影度帶”時，Yw必須包含帶號，因為這時要根據(jù)帶號確定中央子午線。當(dāng)采用“自定義高斯投影”時，不要帶號，但Xs、Yw必須是經(jīng)X 常

16、數(shù)和Y常數(shù)改正后的值。圖的寬度和高度，以圖上厘米為單位。外業(yè)測量時不受這個尺寸的限制，它只是用來表示區(qū)域。所有設(shè)定完成后，單擊確定鈕，將輸入后的任務(wù)參數(shù)存盤，并進(jìn)入程序自動啟動檢查GPS狀態(tài)。設(shè)置好新的任務(wù)參數(shù)后或打開存在尚未完成的任務(wù)，程序?qū)⒆詣訂訖z查GPS狀態(tài)功能，檢查GPS是否正常工作（是否連接了GPS、GPS是否開機、串口是否設(shè)置正確及GPS數(shù)據(jù)輸出格式是否正確），一切正常，則程序進(jìn)入測量方式，否則進(jìn)入作圖方式。進(jìn)入主窗體，如果是打開任務(wù)，程序?qū)⒆詣訌挠脖P中讀入當(dāng)前任務(wù)的圖文件，并顯示導(dǎo)航圖，恢復(fù)到上次測量退出的狀態(tài)。導(dǎo)航圖內(nèi)包含了已測過的測線航跡線、計劃線（折線）、測量點及必要的文

17、字注記。 GPS信息窗綜合信息窗坐標(biāo)信息窗記錄信息窗主窗體工具條菜單 主窗體主窗體的標(biāo)題條顯示當(dāng)前的工作方式，標(biāo)題條下方為快捷按鈕，包含了大多常用的功能，菜單下面的主屏幕在測量方式和演示方式時，用來顯示導(dǎo)航圖和船位，屏幕移動受船位的限制；在作圖方式時，主屏幕則是作圖窗口，屏幕可任意移動。主屏幕右邊為信息窗，從上至下我們分別稱其為：記錄信息窗、坐標(biāo)信息窗、綜合信息窗、及信息窗。記錄信息窗用于顯示圖號、測線名、存儲路徑、定位點號和水深采集計數(shù)等，在作圖方式時沒有意義。坐標(biāo)信息窗在測量方式時顯示船位的實時坐標(biāo)，在作圖方式時顯示鼠標(biāo)光標(biāo)對應(yīng)的坐標(biāo)，坐標(biāo)窗的第一第二行為圖上厘米坐標(biāo)Xcm、Ycm，圖上厘

18、米坐標(biāo)和直角坐標(biāo)的關(guān)系為： Xcm = (X - Xs) / C Ycm = (Y - Yw) / C 其中X、Y為直角坐標(biāo)，Xs、Yw為任務(wù)左下點坐標(biāo)，C = 比例尺分母/100。坐標(biāo)窗的第三第四行可顯示直角坐標(biāo)或經(jīng)緯度，單擊“BL” 或“XY”按鈕可進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在此區(qū)域單擊右鍵彈出快捷菜單，也可實現(xiàn)坐標(biāo)顯示均值或BL與XY切換。綜合信息窗顯示船的航速、航向、涌浪儀和羅盤儀值、PDOP及當(dāng)前日期、時間，日期時間取自GPS，并自動校正計算機的日期和時間。3、作圖 若電腦到GPS主機的通訊沒有連通，進(jìn)入“HaiDa海洋施工定位軟件”主程序時，將自動進(jìn)入作圖工作方式；若在其它工作方式下，則單擊菜單“

19、工作方式”下的“作圖方式”命令即可進(jìn)入作圖工作方式。進(jìn)入作圖工作方式后，可用鼠標(biāo)或坐標(biāo)作計劃線、測量點及文字注記，也可以用“自動布線”功能進(jìn)行快速布線，還可進(jìn)入圖編輯狀態(tài)，對航跡線（測線）、折線、測量點和文字注記進(jìn)行編輯。坐標(biāo)庫及讀坐標(biāo)庫作圖 坐標(biāo)庫是用來存貯坐標(biāo)的。坐標(biāo)庫中每個記錄都由點號、坐標(biāo)、高程及說明組成。坐標(biāo)有兩種方式供輸入和顯示，即經(jīng)緯度和直角坐標(biāo)。直角坐標(biāo)與本任務(wù)所采用的投影及變換有關(guān)。同一個坐標(biāo)文件，選擇不同的任務(wù)，坐標(biāo)將會相應(yīng)地改變。執(zhí)行“作圖”菜單中的“坐標(biāo)庫”項用于進(jìn)入“坐標(biāo)庫”操作窗口。坐標(biāo)庫窗體標(biāo)題條顯示了當(dāng)前的坐標(biāo)庫文件名，若沒有坐標(biāo)庫文件名，則用菜單“文件”中的“

20、新建”建立一個新文件，或用“打開”打開一個已有的文件，坐標(biāo)庫文件一般以WP作為擴展名。有了文件名后就可以輸入坐標(biāo)了。一個框的數(shù)據(jù)輸入完畢后，要用鼠標(biāo)單擊別的框后才能輸入其他坐標(biāo)；經(jīng)緯度的度、分、秒必須用“：”號分隔；說明欄是輸入該點的簡要說明,可以不輸。輸入的坐標(biāo)庫可用菜單的“打印”功能在打印機上打印出來。在某行按下鼠標(biāo)左鍵不放并拖動鼠標(biāo)到另一行，則兩行之間的點都被選中（成高亮度）；單擊某一行則只選擇一行。被選擇的行可用“刪除”鈕來刪除。單擊“添加行”則在表的最后添加一空行，以供輸入。 單擊“插入行”則在光標(biāo)所在行前插入一空行。 坐標(biāo)庫不但可以逐點輸入，還可以推算和自動生成一系列規(guī)則的線點，這

21、對于作野外導(dǎo)航圖非常有用。選擇“錄入”項，用于從某文本文件讀入坐標(biāo)?？梢宰x入的文本格式為：“B，L，H”、“X，Y，H”；也可以加上描述，執(zhí)行該功能后，在隨后彈出的對話框里選擇文件類型，接著選擇文件即可。坐標(biāo)庫操作完畢后選擇“文件退出”，屏幕提示存盤，確認(rèn)后返回主屏幕。建立了坐標(biāo)庫，就可以用“作圖” 菜單下的“坐標(biāo)作圖”命令進(jìn)入坐標(biāo)作圖狀態(tài)。其中測量點、計劃線及文字注記等三種類型可以用坐標(biāo)作圖產(chǎn)生。 單擊“庫文件”鈕來選擇一個坐標(biāo)庫文件名，確認(rèn)文件名后，再確認(rèn)作圖類型、作圖起點號和終點號，然后單擊“作圖”鈕。如果作的是測量點，則軟件自動在從起點至終點的各點對應(yīng)的坐標(biāo)上都作一個測量點符號。如果作

22、的是計劃線，則軟件自動將從起點到終點的各點連成折線。 如果是作文字注記，則文字串應(yīng)預(yù)先放在坐標(biāo)庫的“說明”項中。 坐標(biāo)作圖完畢后，單擊“退出”以退出坐標(biāo)作圖。 4、設(shè)置船形和錨鏈孔。如下圖所示： a）船的方向：使用K5定位定向儀時選用“定向儀”，會有“基線距離”對話框彈出。輸入0.35后點擊“解算距離”，軟件根據(jù)兩個天線接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，并將結(jié)果在新的對話框內(nèi)顯示。如圖b）船型設(shè)置：船長、船寬。依自身船的船長、船寬設(shè)置，不需精度很高。c）主工作點位置、輔工作點位置、GPS天線位置等船體參數(shù)設(shè)置。主輔工作點位置的設(shè)定目的在于方便施工船的定位和定向。注意：船首方向為X軸正方向，垂直X方向為

23、Y軸方向，以船尾的中心為原點(0,0)輸入，單位均為米。航向輔工作點坐標(biāo)主工作點坐標(biāo)船首定位GPS輔工作點主工作點信息說明圖5、固定偏差改正本功能用于對移動臺的最后坐標(biāo)進(jìn)行一固定差改正，大多用于信標(biāo)機的坐標(biāo)系統(tǒng)改正，在一定范圍內(nèi)（<50km）用這鐘方法改正，比用七參數(shù)轉(zhuǎn)換要方便準(zhǔn)確。把改正數(shù)直接輸入后按“確定”即可。也可以采用自動測定，把GPS天線安裝到已知點上，改正數(shù)輸入0，在校準(zhǔn)點坐標(biāo)一欄中，輸入該點的已知坐標(biāo)，GPS進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，單擊“開始測定”，軟件自動測定差值并取平均值，測定一段時間后（2-5分鐘），單擊“終止測定”，改正數(shù)會自動進(jìn)入改正數(shù)一欄。6、測量方式當(dāng)電腦和GPS主機通訊連通，進(jìn)入HaiDa海洋施工定位軟件時將自動進(jìn)入測量方式。在測量方式時，“