海上風電場勘察放樣的幾種方法探討

翁鵬飛

摘 要：近期，隨著遠離海岸的分布在黃海海岸的大型風場基地的選址完成，對我們勘察設計單位的海上風電勘察定位提出了新的挑戰和新的要求，必須有一套切實可行的海上風電放樣及復測技術才能滿足海上風電的初勘、詳勘工作。為風場的順利施工提供可靠的技術支撐。文章從采用不同的技術設備進行精密單點定位，通過比對、分析判斷，得出在不同的勘察階段應該采用的定位技術手段。

關鍵詞：勘察；GPS；PPP；星測差分；海岸

引言

近期，隨著國家海洋千萬級的風電基地在江蘇黃海獲批后，采用傳統的測量方法進行測量，已經滿足不了遠離海岸風電場的勘察放樣、復測鉆孔坐標等工作需求。為此，文章從遠離海岸常用的四種方法分別解析其原理、精度指標等，分析對比其優缺點。

通過在不同的勘察設計階段可以采用的測繪方法，指導類似遠離海岸的海洋工程項目的測繪工作，可以為類似于舟山海洋經濟特區的勘察放樣測量工作提供一定的參考依據。

1 幾種方法介紹

1.1 通過設立中繼站電臺

由于工作環境的復雜性，基準站和流動站之間往往無法避免障礙物對電臺通信的影響，此時中繼站電臺可以起到比較好的補救作用：一是可以接收來自基準站的信號，又可以將其發送出去供流動站使用；二是中繼站電臺只轉發信號，不必安排在已知點上，完全可以按需要隨時任意安排位置。

中繼站電臺技術的精度較高（平面可以達到5cm，高程達到10cm），可以很好的應用于遠離海岸風電場的勘察放樣工作，而且可以保證測量的精度要求。

1.2 PPP技術

精密單點定位（Precise point positioning，PPP）技術是由美國噴氣推進實驗室的Zumberge于1997年提出。20世紀90年代末，由于全球GPS跟蹤站的數據量急劇上升，全球GPS數據處理工作量不斷增加，計算時間呈指數上升。為了解決此問題，美國噴氣推進實驗室提出了采用如下方法解決。

在GPS定位中，主要的誤差來源有衛星軌道誤差、衛星鐘差、電離層延時。如果采用雙頻接收機，可以利用LC相位組合，消除電離層延時的影響。如果選擇地心地固系表示衛星軌道，計算的參考框架同為地心地固系，可以消除觀測方程中的地球自轉參數。所以，只要給定衛星的軌道和精密鐘差，采用精密的觀測模型，就可像偽距差分一樣，單站計算出接收機的精確位置、鐘差、模糊度及對流層延時等參數。

由于在遠離海岸的風電場勘察放樣中，需要及時的確定實時的三維坐標（X、Y、H），而PPP技術屬于數據后處理技術，故而不能有效的使用在勘察設計放樣階段。而可以考慮使用在勘察設計階段的后期復測工作中。

1.3 南方測繪儀器公司的S750手持機

實時定位精度：單點定位可達2.5米， 差分處理可達0.2米。

軟件具有四參數及七參數坐標轉換功能，可以采用水下地形測量階段測繪單位提供的7參數，輸入到S750后，采用校正向導進行測區參數的校正，以得到正確的測區坐標進行平面位置的勘察階段的鉆孔放樣。

高程可以通過能收集覆蓋風場范圍內的驗潮資料，采用單站驗潮、雙站驗潮改正、多站驗潮改正三種改正模式進行改正，以得到實際測量點位的海底高程值。

1.4 星測差分機

星測StarFireTM是全球雙頻GPS差分定位系統，它是目前世界上第一個可以提供分米級實時精度的星基增強差分系統。與RTK相比星測StarFireTM系統具有更強的靈活性和易用性。用戶在使用星測系統時不需要考慮架設基準站的問題，可以節省大量硬件及人力維護成本，同時用戶也不需要考慮作業活動范圍，您能夠自由地在全球任何地方得到單機實時的分米級定位精度。

1.4.1 星測產品的特點

（1）單機工作，實時定位精度：水平≤10cm、高程≤15cm；（2）GPS/GLONASS/Galileo三合一組合導航定位；（3）無需架設基準站，一臺即可工作，提高工作效率；（4）不受距離限制，全球任何地方都可測量定位；（5）一機多用：RTK、靜態、動態多模式操作一應俱全；（6）強大的兼容性：可與各品牌RTK產品配套使用；（7）獨有RTK和RTG聯合工作模式：RTK和RTG聯合工作模式時，當RTK通訊鏈中斷時，利用RTG功能，可在15分鐘內保持RTK精度。

1.4.2 星鏈差分原理

（1）系統組成。整個星測StarFire系統由五部分組成：a.參考站。均為雙頻GPS接收機，24小時連續作業采集GPS衛星信息，并實時向數據中心發送。在世界范圍內，這樣的參考站共有55個。b.數據處理中心。圖中方塊為數據處理中心，全球有兩個數據處理中心，位于北美。中心從55個參考站不斷接收數據，然后經過分析計算得到GPS衛星軌道改正數和鐘差改正數，將其發送至衛星信號上傳系統。c.注入站。注入站是連接數據中心與海事衛星的關鍵部分。它將從數據中心接收到的信息實時發送給衛星，從而完成地面與衛星的信息交換。d.地球同步衛星（Inmarsat）。三顆衛星即為本系統一般狀態下使用的衛星。三顆衛星是沿赤道軌道平行分布的地球同步衛星。由于其軌道較高，可以覆蓋南北緯76度之間的所有范圍。也就是說，在其覆蓋范圍內，均可以接收到穩定的、同等質量的差分改正信號，從而達到世界范圍內同等精度。e. 用戶站。用戶接收機實際上同時有兩部分組成，一個是雙頻GPS接收機，一個是L 波段的通信接收器。雙頻GPS 接收機跟蹤所有可見的衛星然后獲得GPS衛星的測量值。同時，L 波段的接收器通過L波段的衛星改正數據。當這些改正數據應用在GPS 測量中時，一個實時的高精度點位就被確定了。

（2）工作方式。星測StarFireTM是在早期的增強差分系統上發展的，它獨立地考慮每項GPS衛星信號誤差。在星測StarFireTM系統中參考站和用戶站都采用雙頻接收機。根據參考站的雙頻觀測數據，精確計算GPS衛星軌道改正和鐘差改正。這些改正數通過國際海事衛星（Inmarsat）傳輸到用戶站接收機，電離層延遲和對流層改正是根據用戶站雙頻觀測數據和模型進行處理的。同時，利用NavCom的一項專利技術，來大大消除多路徑效應的影響。

工作原理如圖1所示：

圖1

數據傳遞流程：

星測接收機由兩部分組成，一部分是雙頻GPS接收機，另一部分是L波段的通信接收機。雙頻GPS接收機跟蹤所有可見的衛星，然后獲得GPS衛星的觀測值。同時，L波段的接收機接收星測starfireTM系統廣播的L波段衛星改正數據。當這些改正數據應用在GPS測量中，就可以得到實施的高精度定位數據了。

1.4.3工作模式如圖2所示

2 幾種方法的對比（優缺點）（見表1）

3 結束語

綜合以上分析，可以得出以下結論：

3.1 在不同的勘察設計階段應該采用不同的儀器設備進行放樣，以有效減少測量放樣的成本、提高工作效率和儀器設備的有效利用率。在初勘階段，可選用S750儀器進行放樣工作，在詳勘階段則選擇星站差分機比較適合。

3.2 遠離海岸的風場，由于海上只有GPS信號，一定要注意人員設備的安全100%保障的情況下，才可以繼續進行測量工作。

3.3 不論采用何種測量儀器進行放樣，測區測量七參數的求取相當重要并決定了放樣的精度。求取測區七參數一般應該選取距離海岸線陸地范圍與距離海域需要放樣區域的距離相等，此步驟應該在測量遠離海岸水下地形階段由承擔該項目的測繪單位給出。

3.4 星站差分機在使用前、中、后應及時校測高等級控制點，以保證測量放樣數據的可靠性、穩定性。

參考文獻

[1]S750儀器說明書[Z].

[2]星站差分系統說明書[Z].

[3]GPS測量原理及應用[M].武漢大學出版社.