DGP在海洋施工中的应用

1、一、 引言随着科技的发展，海上勘探定位手段也发生了革命性的变化，卫星定位基本取代传统光学仪器定位和无线电定位，定位的精度和速度也有了数量级的提高。目前在海上勘探工程中较为常用的有二种：一是利用无线电指向标/差分全球定位系统（RBN-DGPS）定位，二是利用GPS实时动态相位差分（RTK）定位。二、 RBN-DGPS 系统RBN-DGPS 即无线电指向标/差分全球定位系统（Radio Beacon DGPS）是利用无线电指向标播发DGPS 修正信息向用户提供高精度服务的导航系统。RBN-DGPS 基本的工作原理是建立在基准站和用户站对GPS 卫星的同步同轨迹的基础上，通常认为，若基准站和用户站同

2、步观测同一颗卫星，且基准站和用户站间隔在一定距离内（一般不超过150km），则这两种站上的观测值相应于同一卫星的同一轨道弧段，它们之间包含相同的误差。基准站实时计算卫星伪距差值（GPS 自身定位伪距值与已知伪距值的差量），借助于RBN 的信号调制发送功能，调制成载波差分数据改正信号，在有效范围内实时、连续地发送。用户站在运动中接收差分数据改正信号，作为GPS 本机定位的数据修正量，实时修正GPS 自身定位的偏差。交通部设立了20 个RBN-DGPS 无线电指向标发射台，每个发射台的作用距离约300km，覆盖我国整个沿海地区，一套完整的RBN-DGPS 系统主要由基准台、发射机、监控台和监控中心

3、组成。基准台由两台高性能的12 通道GPS 接收机和两个MSK 调制器组成，接收机天线安放在已知点上，通过接收到的卫星信号，计算出相对于每颗卫星的伪距修正信息，并按规定的数据格式传至调制器，调制器再将接收机传来的修正信息调制到无线电指向标载频上，以中波（283.5-325.0kHZ）发布DGPS 改正信息。用户应用信标GPS 机进行接收RBN-DGPS 信号。以中海达K7 信标GPS 机为例，它能自动搜索和选择邻近无线电信标台，接收其GPS差分改正数RTCM SC-104 Type 9 电文，进行伪距差分定位。它能实时显示出所选坐标系上当前位置的大地坐标、航速和航向、离设计路由的距离，从而引导

4、施工船只定位。RBN-DGPS 系统精度稳定，数据链传输的质量和可靠性均达到较高的水平，数据传输的误码率很低。目前定位精度在l10m 之间，这与距发射台的远近相关，距离愈远，定位精度愈差。由于采用的是伪距差分，精度很难进一步提高，而且三维坐标中高程误差是平面误差的2倍，这在某些勘探定位工作中需要较高的高程精度时，难以满足精度要求。三、 RTK 定位技术RTK 即实时动态相位差分（Real-Time kinematic）。RTK 定位技术采用载波相位观测值，是一种直接应用L1 和L2 载波（波长分别为19cm 和24cm）相位的定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到

5、厘米级精度（1cm+1ppm）。在RTK 作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站通过数据链接收来自基准站的数据，同时采集GPS 观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成周模糊度的搜索求解。在整周末知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果。RTK 系统是由基准站、数据通讯链和移动站（船台）所组成，是一种自设岸台的差分GPS，它由一个基准站

6、和若干个移动站组成。在RTK 测量模式下，基准站安置在具有已知坐标值的参考点上，连续不断的跟踪观测GPS 卫星，借助于数据链将站际信息发射给移动站（船台），船台在观测GPS 卫星的同时通过数据链接收来自基准站的数据，在系统内组成差分观测值进行实时处理，瞬间提供测站点在指定坐标系中的三维定位成果，通过计算机屏幕，显示船台目前的航速、航向与设计勘探孔的距离。随着计算技术的发展，现在又实现了应用RTK 技术无验潮水深测量，从而也解决了远距离海上测定勘探孔泥面高的难题。RTK 测量在解算整周未知数时，需要一个近似的估值，该估值是以码相位常规差分测量求得的，作用距离太大时，该估值的误差就大，有可能在运动

7、状态下无法搜索到可靠的整周数解，导致作业失败，因此作用距离就非常有限，一般要得到厘米级精度作用距离不能大于1015km。采用GPS 动态定位时，参考站的选址要注意周围无障碍物，与微波站、变电站、高压线保持一定的距离，顾及地球曲率及地形的影响，参考站的站址及电台发射天线要有必要的高度，从而使流动站与参考站之间无信号遮挡。四、 两者比较覆盖我国整个沿海地区的RBN-DGPS 基准台的布设，使得在沿海远距离进行勘探定位工作变的更加容易，对于一些定位精度不是很高的勘探工作，RBN-DGPS 系统可以提供米级的二维或三维坐标。但需注意的是：当基准站和用户站的间距增大时，二者误差的相关性减弱，定位精度就会

8、迅速降低。实时动态相位差分（RTK）定位技术能达到厘米级精度，在沿海各种勘探工作特别是对高程精度有较高要求时具有极大的优势。经过在长江口深水航道治理工程勘探项目实验比对，在距岸台17km 的海上，RTK 测定高程的精度为2030cm，完全满足海上勘探的精度要求。在远离岸线的勘探项目中，则可以考虑可以将RBN-DGPS 系统与PPK 定位技术结合起来使用，从而使实际的定位精度保持在厘米级。应用RTK 及DGPS 技术，在定位前，均应在已知点上对其坐标与高程进行比对，并测定12 已知点，由此来检验转换参数的正确性与估算实际的定位精度。五、 中海达DGPS（K7）技术参数K7 采用最新的一体化设计，

9、内置双 GPS 天线、电子陀螺、倾斜传感器等，可快速提供准确的船位和航向，配合中海达的导航软件可为海洋工程精确定位与定向。 技术优势： 巧妙的一体化天线设计，防水，抗震抗摔，抗晒，抗腐蚀性能高，易于安装和维护； 内含电子陀螺和倾斜传感器，在卫星信号短时间中断情况下，仍能保持较高的定向精度； 快速的定位定向数据更新率，最高可达 20Hz/s； 采用了 COAST 技术，在差分信号中断的情况下，在 40 分钟甚至更长的时间内，保持准确定向； 光隔传输：采用光电隔离，可防止电脑的电磁干扰，采用 RS-485 远距离传输。 宽电压：9-36V 宽直流电源供电，可 12V 蓄电池供电，也可用 24V 船

10、电。 适用范围广泛，在内陆无信标时，可实现高精度定向，性价比高； 技术参数： GPS 信号：双 12 通道；L1,C/A 码，载波相位平滑； 数据更新率：标准 10Hz，最高可达 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； 启动时间：<60s； 定向固定时间：<20s； 重捕获时间：<1s； 数据传输：光电隔离 RS-485 接口；波特率 4800-38400 bps； 应用领域 海洋测量、航道疏浚、管缆铺设、海洋工程施工导航。六、 施工定位软件的

11、应用 1、HaiDa海洋施工定位软件的安装运行中海达测绘仪器公司配套光碟中安装目录下的SETUP.EXE文件,开始初始化SETUP过程稍等片刻出现图1-1窗口图1-1单击下一步后安装。安装主程序完毕后，程序会自动启动微狗驱动程序安装，必须安装后才能启动软件，否则软件读不了软件狗，不能正常进行工作图1-2 软件狗驱动程序2、建立任务参数表 在测量前应建立关于此次测量的任务。任务用来定义测量任务的位置、大小、比例尺、坐标系及投影方法等内容的。并且程序自动在安装路径下生成一个导航文件（任务名.nav） 和建一个与任务名同名的文件夹，以后此次任务所测的数据（定位数据、水深数据）都放在该文件夹下，以便管

12、理。2-1 任务名称及投影要确定一任务，必须要知道测量范围的左下点的坐标（Xs，Yw）、比例尺、图宽和图高，当然还要一个图名（也叫任务号）。GPS在WGS84坐标系中工作，输出的坐标大多是经纬度，同时为了保证原始数据的通用性，野外采集的坐标用经纬度存储。因此，为了工程需要，还必须选定投影。投影方法很多，但我国各测量部门都采用高斯投影。另外要投影还要知道在哪个坐标系统的椭球体上投影。任务参数决定了坐标系以及投影等，同一幅测量图采用不同的任务参数即修改了任务参数，整个任务的坐标、计划线和坐标库也相应地改变。2-2 设置任务参数表 运行“HaiDa海洋施工定位软件”主程序后，如果没有上次未完成的任务

13、（在首次使用时），就会需要你新建或套用现有任务。 选择“新建任务”或“套用现有任务”项则马上进入“设置任务参数”窗口。如果选择“取消”按钮，则退出程序。任务框各标签内容说明如下： 坐标系 坐标系统一项将确定采用的椭球体参数，这必须与使用的坐标系统一致，不是随意选择的。要增加一种新的坐标系时，可在“椭球体参数”中来添加椭球长半轴a和扁率e的分母，然后给定一新的名称，单击“添加”即可；如果要删除某一坐标系，则先在坐标系框里选定，再单击“删除”即可。 投影方式 选择高斯投影度或度时，中央子午线由Yw中的带号确定，其算法是：三度带：= n×3 六度带：= n×63 为中央子午线（度

14、），n为投影带号。选择其他投影时，右边出现“投影参数”输入框，输入工作区域的投影中央子午线（度:分:秒）、尺度及X常数Y常数。对于墨卡托投影还需输入基准纬度。 若用户选择自定义高斯投影，用户可以自己选择任意中央子午线，X常数、Y常数用于给投影计算结果加上一个常数值，标准的高斯度度带投影中始终是：X常数0，常数500000。尺度常数用于需尺度变换的场合，一般都选择，选用UTM投影时，尺度常数应为0.9996。 一级、二级地方坐标系变换 当需要用地方坐标系进行测绘时，我们使用四参数进行坐标变换，单击它，使其出现号，表示打开了地方坐标系变换，出现“地方坐标系变换参数”，输入变换的X平移、Y平移、旋转

15、角度（度：分：秒）及尺度。 转换参数（七参数） 当需要用地方坐标系进行测绘时，我们使用七参数进行坐标变换，单击它，使其出现号，表示打开了七参数变换（图3-7），输入变换的X平移、Y平移、Z平移及其分别的旋转角度（度：分：秒）及尺度。 图定义 首先需填入任务名，也就是一幅测量图的图名。测量过程中的所有原始记录将被存在同名的子目录下。其次比例尺是用于测图和绘图的比例尺。左下点坐标Xs、Yw为任务西南点坐标，Xs、Yw要与对应的坐标系统相一致，对于“高斯投影度带”和“高斯投影度带”时，Yw必须包含带号，因为这时要根据带号确定中央子午线。当采用“自定义高斯投影”时，不要带号，但Xs、Yw必须是经X 常

16、数和Y常数改正后的值。图的宽度和高度，以图上厘米为单位。外业测量时不受这个尺寸的限制，它只是用来表示区域。所有设定完成后，单击确定钮，将输入后的任务参数存盘，并进入程序自动启动检查GPS状态。设置好新的任务参数后或打开存在尚未完成的任务，程序将自动启动检查GPS状态功能，检查GPS是否正常工作（是否连接了GPS、GPS是否开机、串口是否设置正确及GPS数据输出格式是否正确），一切正常，则程序进入测量方式，否则进入作图方式。进入主窗体，如果是打开任务，程序将自动从硬盘中读入当前任务的图文件，并显示导航图，恢复到上次测量退出的状态。导航图内包含了已测过的测线航迹线、计划线（折线）、测量点及必要的文

17、字注记。 GPS信息窗综合信息窗坐标信息窗记录信息窗主窗体工具条菜单 主窗体主窗体的标题条显示当前的工作方式，标题条下方为快捷按钮，包含了大多常用的功能，菜单下面的主屏幕在测量方式和演示方式时，用来显示导航图和船位，屏幕移动受船位的限制；在作图方式时，主屏幕则是作图窗口，屏幕可任意移动。主屏幕右边为信息窗，从上至下我们分别称其为：记录信息窗、坐标信息窗、综合信息窗、及信息窗。记录信息窗用于显示图号、测线名、存储路径、定位点号和水深采集计数等，在作图方式时没有意义。坐标信息窗在测量方式时显示船位的实时坐标，在作图方式时显示鼠标光标对应的坐标，坐标窗的第一第二行为图上厘米坐标Xcm、Ycm，图上厘

18、米坐标和直角坐标的关系为： Xcm = (X - Xs) / C Ycm = (Y - Yw) / C 其中X、Y为直角坐标，Xs、Yw为任务左下点坐标，C = 比例尺分母/100。坐标窗的第三第四行可显示直角坐标或经纬度，单击“BL” 或“XY”按钮可进行转换。在此区域单击右键弹出快捷菜单，也可实现坐标显示均值或BL与XY切换。综合信息窗显示船的航速、航向、涌浪仪和罗盘仪值、PDOP及当前日期、时间，日期时间取自GPS，并自动校正计算机的日期和时间。3、作图 若电脑到GPS主机的通讯没有连通，进入“HaiDa海洋施工定位软件”主程序时，将自动进入作图工作方式；若在其它工作方式下，则单击菜单“

19、工作方式”下的“作图方式”命令即可进入作图工作方式。进入作图工作方式后，可用鼠标或坐标作计划线、测量点及文字注记，也可以用“自动布线”功能进行快速布线，还可进入图编辑状态，对航迹线（测线）、折线、测量点和文字注记进行编辑。坐标库及读坐标库作图 坐标库是用来存贮坐标的。坐标库中每个记录都由点号、坐标、高程及说明组成。坐标有两种方式供输入和显示，即经纬度和直角坐标。直角坐标与本任务所采用的投影及变换有关。同一个坐标文件，选择不同的任务，坐标将会相应地改变。执行“作图”菜单中的“坐标库”项用于进入“坐标库”操作窗口。坐标库窗体标题条显示了当前的坐标库文件名，若没有坐标库文件名，则用菜单“文件”中的“

20、新建”建立一个新文件，或用“打开”打开一个已有的文件，坐标库文件一般以WP作为扩展名。有了文件名后就可以输入坐标了。一个框的数据输入完毕后，要用鼠标单击别的框后才能输入其他坐标；经纬度的度、分、秒必须用“：”号分隔；说明栏是输入该点的简要说明,可以不输。输入的坐标库可用菜单的“打印”功能在打印机上打印出来。在某行按下鼠标左键不放并拖动鼠标到另一行，则两行之间的点都被选中（成高亮度）；单击某一行则只选择一行。被选择的行可用“删除”钮来删除。单击“添加行”则在表的最后添加一空行，以供输入。 单击“插入行”则在光标所在行前插入一空行。 坐标库不但可以逐点输入，还可以推算和自动生成一系列规则的线点，这

21、对于作野外导航图非常有用。选择“录入”项，用于从某文本文件读入坐标。可以读入的文本格式为：“B，L，H”、“X，Y，H”；也可以加上描述，执行该功能后，在随后弹出的对话框里选择文件类型，接着选择文件即可。坐标库操作完毕后选择“文件退出”，屏幕提示存盘，确认后返回主屏幕。建立了坐标库，就可以用“作图” 菜单下的“坐标作图”命令进入坐标作图状态。其中测量点、计划线及文字注记等三种类型可以用坐标作图产生。 单击“库文件”钮来选择一个坐标库文件名，确认文件名后，再确认作图类型、作图起点号和终点号，然后单击“作图”钮。如果作的是测量点，则软件自动在从起点至终点的各点对应的坐标上都作一个测量点符号。如果作

22、的是计划线，则软件自动将从起点到终点的各点连成折线。 如果是作文字注记，则文字串应预先放在坐标库的“说明”项中。 坐标作图完毕后，单击“退出”以退出坐标作图。 4、设置船形和锚链孔。如下图所示： a）船的方向：使用K5定位定向仪时选用“定向仪”，会有“基线距离”对话框弹出。输入0.35后点击“解算距离”，软件根据两个天线接收到的卫星数据进行解算，并将结果在新的对话框内显示。如图b）船型设置：船长、船宽。依自身船的船长、船宽设置，不需精度很高。c）主工作点位置、辅工作点位置、GPS天线位置等船体参数设置。主辅工作点位置的设定目的在于方便施工船的定位和定向。注意：船首方向为X轴正方向，垂直X方向为

23、Y轴方向，以船尾的中心为原点(0,0)输入，单位均为米。航向辅工作点坐标主工作点坐标船首定位GPS辅工作点主工作点信息说明图5、固定偏差改正本功能用于对移动台的最后坐标进行一固定差改正，大多用于信标机的坐标系统改正，在一定范围内（<50km）用这钟方法改正，比用七参数转换要方便准确。把改正数直接输入后按“确定”即可。也可以采用自动测定，把GPS天线安装到已知点上，改正数输入0，在校准点坐标一栏中，输入该点的已知坐标，GPS进入稳定状态后，单击“开始测定”，软件自动测定差值并取平均值，测定一段时间后（2-5分钟），单击“终止测定”，改正数会自动进入改正数一栏。6、测量方式当电脑和GPS主机通讯连通，进入HaiDa海洋施工定位软件时将自动进入测量方式。在测量方式时，“