MarineSTAR星站差分定位技術在水深測量中的應用

李 江,葉土兵

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司,上海 200032)

MarineSTAR星站差分GPS技術是近幾年逐漸興起的一項新興的GPS技術，它保留了傳統的RTK(real time kinematic)測量的高精度定位，不受時間和氣候的限制，不需要在地面架設基準站[1]，它通過接收天上衛星基準站——海事衛星(高度3萬多公里)發送的差分數據來精確定位，因為節省了人力、物力和時間等成本，還提高了外業工作效率，所以越來越受到用戶的重視和應用。

1 項目背景

項目位于巴布亞新幾內亞科考瑞，此地為入?？谌侵薜貛?，擬建新科考瑞港位于該地區一條河流的上游，需要測量從入?？诘缴嫌螖M建港區位置約39 km的進港航道水深。測區除了河道就是茂密的熱帶雨林，雨林里有蟒蛇和毒蛇，河道沿岸人煙稀少，經常有鱷魚出現，而且地勢較低，高潮時地面都被海水淹沒，地表面都是較軟的淤泥質土，現場自然環境非常惡劣。

水深測量的常規方法是在岸上架設基準站、船上安裝測深儀和流動站。采用常規方法，基準站需要等待潮水退去架設，潮水上漲拆除，需要留人留船看守。水深測量要等基準站架設好后才能進行。國內現在較普遍使用的CORS系統(Continuous Operational Reference System)[2]在該國還沒有建立。當地自然環境惡劣且治安環境差，存在很大的安全隱患，采用常規方法，成本高、工期難以保證。根據經驗和踏勘比選，采用星站差分技術來定位，能滿足本項目水深測量定位的精度要求，也能避免上述不利因素。

2 MarineSTAR星站差分定位系統介紹

常見的星站差分服務有4種——VeriPos、Starfire、OmniStar、MarineSTAR。Veripos系統由英國Subsea7公司建立[3]；Starfire系統為美國航空航天局下屬的噴氣動力實驗室和美國NAVCOM公司聯合創建[4]；OmniStar系統原屬荷蘭FUGRO公司運營，于2011年3月出售給Trimble公司運營，僅限全球76°N～76°S范圍內陸地區域使用[5]；MarineSTAR系統是荷蘭FUGRO公司另一項覆蓋全球的高精度GPS增強系統，在全球76°N～76°S范圍內海域和陸地區域都可使用。在本次水深測量中使用的定位儀器是開通了MarineSTAR星站差分服務的Trimble SPS986 GNSS智能接收機，開通的是G2+(GPS+GLONASS+北斗等)的服務。

2.1 MarineSTAR星站差分定位原理

在通過衛星提供增強的GPS數據方面，MarineSTAR為世界市場的領先者。MarineSTAR星站差分系統有5個部分：參考站、數據處理中心、注入站、海事衛星(inmarsat)、用戶站，見圖1。參考站共有70個，均為雙頻GPS接收機，分布在世界各地，24 h連續作業采集GPS衛星信息，并實時向數據中心發送。數據處理中心接收參考站的數據，經過分析計算得到GPS衛星軌道改正數和鐘差改正數，并將其發送至衛星信號上傳系統(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海事衛星，海事衛星再將差分改正數據廣播給用戶，從而完成地面與衛星的信息交換[6-7]。

圖1 星站差分結構原理

2.2 MarineSTAR星站差分技術指標和特點

1)MarineSTAR提供多種GPS差分等級的服務：VBSHPXPG2G4G2+G4+。VBS 是一個亞米級的服務；XP服務提供短期幾英寸和長期重復性優于20 cm(95% CEP)的精度,它稍微比HP精度低，它是全世界范圍內可用；HP服務在2σ(95%)的置信度下的水平位置偏差小于10 cm，3σ(99%)的水平位置偏差小于15 cm，在某些國家沒有HP服務。G2和G4服務的定位精度與HP的精度基本相同，G2+和G4+的定位精度高于HP。用戶在購買具有MarineSTAR功能的GPS接收機后，可向MarineSTAR的服務商交納服務費用，申請開通相應服務。目前在中國地區可支持VBSHPXPG2G4G2+G4+的服務。按照現行 JTS 131—2012《水運工程測量規范》[8]，XP和HP的精度能夠滿足大比例尺水深測量的定位精度要求。

2)目前，在MarineSTAR信號覆蓋范圍內，星站差分GPS初始化成功后，平面和高程的定位精度可小于15 cm(CEP)，而且隨著時間的增長其定位精度可收斂至5 cm以內。

3)MarineSTAR星站差分系統在全球范圍內提供GPS差分信號發布服務，它提供了獨一無二的可靠性和空前的精度，改正信號通過海事衛星進行傳播，無須建立當地的基準站或后處理，在76°N～76°S的任何地球表面，都能提供同樣的精度。因為它的基站是天上的衛星，所有星站差分系統又被稱為“天際增強系統”和“天上的RTK基準站”。

4)GPS系統具有以下主要誤差源:衛星軌道誤差、衛星時鐘誤差、電離層延遲誤差、對流層誤差、多路徑效應、固體潮、接收機時鐘誤差、接收機跳變。消除誤差的方式可以分為兩大類，即差分GPS(DGPS)和全球星際增強系統(GSBAS,global satellite-based augmentation system)。后者將每顆GPS衛星的誤差源都作為獨立變量解算。最主要的GPS衛星軌道誤差和時鐘誤差通過遍布全球的雙頻接收機觀測網來跟蹤并解算，解算結果再使用海事衛星數據鏈直接發送到MarineSTAR接收機用戶，所以不需要地面基準站，對測量范圍沒限制，可以是全球任何位置。

5)用戶站有兩部分組成，雙頻GPS接收機和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，L波段的接收器接收L波段的海事衛星播發的改正數據。

6)通常情況下設備開機到平面和高程精度收斂達到0.1 m以內，需要15～25 min，收斂達到0.05 m以內，需要25～40 min。 收斂時間與所處環境有關。一般在1 d內，第一次開機收斂較慢，之后若因失鎖等原因中斷再收斂就很快，收斂到0.1 m以內需5～10 min。

7)GPS接收機帶有wifi裝置，可以接收和發射，在水深測量時，可以不用串口線，而直接用wifi進行數據通訊。

8)星站差分內置高頻電臺，具有超過50%的信噪比優勢，并結合了干涉抑制、多路徑效應緩解和高測量精度等技術，可以避免與外界無線電信號產生沖突，抗干擾性能強。

9)星站差分定位系統通過6顆高功率海事衛星和1顆低功率衛星發布信息。采用7顆海事衛星進行信號廣播，其中4顆高頻的、3顆低頻的，為用戶提供高精度的數據備份。

3 水深測量應用實例

巴布亞新幾內亞新科考瑞港項目39 km長的航道水深測量，河道兩岸惡劣的環境難以依托，運用MarineSTAR星站差分定位技術進行三維水深測量，這也是首次在國外使用，需要將國內積累的使用經驗在國外進行驗證。

3.1 控制測量

根據現場了解的情況，測區和測區附近都沒有控制點資料，需要自己建立坐標系統和高程系統?？刂泣c埋設在測區附近村莊中地勢相對高的地方，按照E級網的要求進行了觀測平差，建立了UTM坐標系和獨立坐標系。

3.2 求解坐標轉換參數

靜態測量平差的WGS 84大地坐標與MarineSTAR星站差分定位得出的大地坐標屬于兩個框架，差異在米級以上，為了將兩個框架里的大地坐標統一到一個框架下，需要到控制點上采集MarineSTAR框架下的大地坐標，采集時，選取3個控制點，在每個控制點上用三腳架架設GPS，平面和高程精度收斂到0.1 m以內后，每隔5 min記錄1個大地坐標和大地高，連續測量1 h，條件允許可分上午和下午各測1次或隔日再測1次，取平均值作為各個控制點的已知坐標，選用1～2個點求解平差的大地坐標轉換到以MarineSTAR模式測量的大地坐標的三參數，將兩套坐標統一到MarineSTAR框架里，再求解大地坐標與平面坐標間的七參數，將七參數輸入到儀器里，與未參與求解三參數和七參數的控制點進行比對，比對結果見表1。從表1可以看出，平面精度及高程精度都符合系統的精度指標。

表1 MarineSTAR模式定位比對

3.3 水深測量

水深測量是以MarineSTAR模式定位，實時測出測點坐標和水面高程，定位數據采用wifi無線傳輸到電腦，測深儀同步測量水深，水深數據用串口線進行傳輸，由HydroSurvey水深測量軟件將定位數據和水深數據融合在一起，再進行后處理。另外使用RTK定位模式抽樣測量了一部分水深，通過重合點統計，水深點高程中誤差為0.15 m，符合現行規范的要求。

4 結語

1)MarineSTAR星站差分的平面高程定位精度能夠滿足大比例尺水深測量的要求。

2)MarineSTAR星站差分定位精度高，精度均勻，無須逐級控制。擺脫了傳統GPS RTK對離岸作業距離的限制，非常適用于國外、遠離基站和中國海岸信標臺以及沒有CORS信號的測量項目。

3)MarineSTAR星站差分系統與常規的GPS RTK工作模式比較，更加靈活，不需要在地面架設基準站，不受與基站距離的限制，只需要一臺流動站就可以作業，可以提高工作效率30%以上，星站差分系統在水深測量方面應用前景會越來越廣泛。

4)MarineSTAR星站差分在本次境外水深測量項目中使用，無須架設和拆收基準站，節省了每天潮水漲落的等待時間，測量船直接開到測區工作，當天結束直接開回，節省了人力物力和時間，極大地提高了外業的工作效率，又避免了許多安全隱患，一舉多得。

5)MarineSTAR星站差分GPS儀器適用于水上、山區、沙漠等野外開闊地帶，在有樹木和建筑物遮擋的區域不宜使用。

6)MarineSTAR星站差分可用于潮位觀測。