多功能一體化信標機在海洋施工的應用

艾澤宇，嵇建扣

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230)

1 技術現狀

1.1 RTK

實時動態(real-time kinematic，RTK)作為精度最高、應用最廣的差分方式，是實時處理兩個測量站載波相位觀測量的差分方法，將基準站采集的載波相位發給用戶接收機，進行求差解算坐標。RTK是能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法，它采用了載波相位動態實時差分方法，是GPS應用的重大里程碑，一經推出就得到了迅速發展。RTK測量較常用的模式有電臺模式和CORS模式兩種。

1.2 信標差分

信標差分定位系統(RBN/DGPS)是在無線電指向標(radio beacon)的基礎上發展而來，利用無線電指向標強大的無線電傳送功能，將GPS衛星定位系統與指向標系統結合在一起，利用RBN/DGPS臺在發射導航無線電碼的同時，也發射DGPS差分信號。

作為國家基礎設施，我國在沿海建立了信標差分基站，實行全天候運行，實時發射差分改正信號，通信距離達300 km，形成了一個探入內陸、延伸入海的沿海岸線分布的信號覆蓋區域，供用戶免費使用。

1.3 星站差分

星站差分系統由5部分組成，分別為：①全球參考站；②數據處理中心；③注入站；④地球同步衛星；⑤用戶站。

全球參考站網絡由雙頻GNSS接收機組成，每時每刻都在接收來自GNSS衛星的信號，參考站獲得的數據被送到數據處理中心，經過處理后生成差分改正數據，差分改正數據通過數據通信鏈路傳送到衛星注入站并上傳至同步衛星，向全球發布。

用戶站的GPS接收機實際上同時有兩個接收部分，一個是GPS接收機，另一個是L波段的通信接收器。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波段的衛星接收改正數據。當這些改正數據被應用在GPS測量中時，一個實時的高精度的點位就確定了。

目前全球星站差分服務商主要及其主要特點見表1。

表1 星站差分市場表

2 海洋GNSS定位導航系統設計方案

2.1 差分信號

隨著我國綜合國力的提升，我國海洋工程逐步由大陸架沿海區域向深海、全球延伸。在南海，我國正在緊鑼密鼓準備深海油氣資源勘探開發，并將南海權益列為中國核心利益，遠海項目會逐步增多，海上風電逐步走向深海，深海、遠海項目處于快速增長期。在亞非拉地區，隨著“一帶一路”倡議的實施和拓展，越來越多中國公司走向海外，中交四航院的項目已遍及全球50多個國家和地區。基于以上考慮，本文海洋GNSS定位導航系統選擇同時采用信標差分和星站差分作為差分信號源，實現近海、遠海高精度定位無縫連接。在星站差分信號源上，中國精度(China CM)具有服務費最低、開放性最廣和適用范圍最廣的特點，故選擇中國精度(China CM)為星站差分解決方案。

2.2 設備外觀

2.2.1 接收機外觀

本產品外觀主要分為上蓋、下蓋、防護圈和控制面板4個部分，如圖1所示。

2.2.2 LED面板

LED面板主要包含的按鍵及指示燈，如圖2所示。

2.2.3 下 殼

下殼包括串口及防護塞、序列號、連接螺孔、SIM卡槽等，如圖3所示。

2.3 功能模塊

系統功能模塊如圖4所示。具體如下：

(1) 電源模塊：本設備有外部供電和鋰電池供電兩種模式。

(2) 系統控制模塊：系統控制模塊負責和各個模塊相互間通信。

(3) 信標模塊：信標模塊通過天線接收信標信號，內部解算成信標差分數據，通過串口發送給系統控制模塊；系統控制模塊通過串口將信標差分數據轉發給GNSS板卡，再由板卡解析差分數據，實現信標定位功能。

(4) GNSS板卡：負責計算GNSS位置坐標信息。

(5) 藍牙模塊：外部手簿通過搜索、配對藍牙實現連接到藍牙模塊，藍牙通過串口和處理器相互通信，用戶通過手簿上的上位機軟件讀取設備基本信息和GNSS定位信息等，同時通過藍牙可對設備進行設置和控制。

(6) iNAND模塊：由于單片機的內存較小，無法滿足大量數據的存儲需求，因此系統的iNAND模塊主要作系統存取GNSS靜態數據。

(7) 用戶交互模塊：用戶交互模塊主要是前面板上的LED顯示燈、按鍵及對外的Lemo接頭。

3 系統特色與優勢

3.1 優 勢

本文系統集信標差分、星站差分、靜態GPS測量于一體的便攜、易操作的FHDI-M60一體化信標機，其與傳統信標機相比，存在顯著優勢，部分參數對比見表2。

表2 FHDI-M60一體化信標機與傳統信標機對比

從參數對比來看，本文研發小組研制的信標機不僅定位精度在行業內達到國內領先水平，其突出的輕便性和多功能性都能為測量工作人員節省大量的時間和精力，只需要一部帶有藍牙功能的手機和一部主機就能在世界大部分區域獲取平面精度20 cm的定位數據。而且，一體化的設計減少了多處接口，降低了故障率，從而減少了維修成本。

3.2 產品特色

3.2.1 三位一體

本文GPS定位儀集靜態測量、(交通部信標臺)信標差分定位、星站差分定位于一體，在國內外的GPS定位設備中是罕見的。

3.2.2 手機APP功能

無需連接計算機，只需一部帶有藍牙功能的手機和一部FHDI-M60主機，即可在全球大分區域獲取平面精度優于20 cm的定位數據。

3.2.3 高度集成化

FHDI-M60海洋GNSS系統采用全新設計理念，將主機及天線合二為一，并采用無線數據傳輸及內置電池模式，摒棄各種連接電纜，實現高度集成化，使得儀器的攜帶及操作十分方便。

3.2.4 其他特色

密封性好，防震抗摔性能強，1.5 m高度墜落硬質地面無損壞,電源抗干擾

4 結 語

FHDI-M60海洋GNSS系統僅定位精度在行業內達到國內領先水平，其突出的輕便性和多功能性都能為測量工作人員節省大量的時間和精力，只需要一部帶有藍牙功能的手機和一部主機就能在世界大部分區域獲取平面精度20 cm的定位數據。而且，一體化的設計減少了多處接口，降低了故障率，從而減少了維修成本。

其主要核心技術為：

(1) 移動、智能APP操作，產品操作簡單，快捷，可推廣。

(2) 電源抗干擾。

(3) 信標和GNSS一體天線內置在板子垂直面上，通過合理設計減少場輻射干擾。

(4) 信標差分和星站差分可以隨意轉換，定位精度在全球都能保證。

(5) 信標、星站差分、靜態GPS功能集成一體，適用于全球大部分地區的高精度海洋測繪定位、放樣，也可兼顧控制測量時靜態GPS控制網功能。

由于本款產品是第一臺產品，還存在一些人機交互性能不足的地方，例如主機上缺少工作模式提示界面和指示燈，對海洋工作場景進行優化程度不夠，藍牙通信距離有限，主機不能同時連接多臺客戶端。根據生產過程中遇到的問題，將對本文海洋GNSSCE系統進行持續改進。