北斗二號設備在海洋工程中實驗比對研究

王在峰 張 磊 王志超 尹彥坤

（1. 中海油信息科技有限公司，北京 100027；2. 中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南 海口 570311）

0 引言

長期以來，在海洋工程導航定位領域得到廣泛應用的是全球定位系統（Global Positioning System，GPS）設備，隨著北斗衛星導航系統（下文簡稱北斗系統）逐步發展，北斗二號設備逐漸在海洋工程導航定位中占據了一席之地。盡管北斗系統已經發展到了北斗三號時代，但是由于設備更新換代需要時間，大量北斗二號設備仍在普遍應用中。現有的研究主要集中在對北斗系統與其他系統（或組合系統）的陸地靜態觀測數據進行對比研究[1-3]，或利用特定網站已有觀測數據對北斗/GPS組合系統定位精度進行進一步的評價與分析上[4,5]，對北斗二號設備與GPS設備在海上實際應用中的導航定位性能研究不足。

本研究利用海洋工程現用的北斗二號設備和GPS設備開展了海上現場試驗，分析了北斗設備和GPS設備獲取的船艏向數據，并以GPS坐標為基準，對北斗系統的定位精度進行了比對分析。

1 試驗

1.1 系統設計

目前，GPS系統在海洋工程導航定位領域應用最廣泛的是高精度差分GPS技術，在近海海域，主要采用GPS差分定位技術，遠海則采用GPS星基差分技術進行定位，本研究中海上試驗地點在近海。

北斗海上動態導航定位技術主要有精密單點定位技術和載波相位差分定位技術兩種[6]，海洋工程導航定位作業主要采用載波相位差分定位技術，利用B1、B2頻段載波相位觀測值形成雙差組合觀測值，通過解算寬巷載波相位組合觀測值的整周模糊度，進一步得到載波相位觀測值的整周模糊度，從而計算出觀測點的坐標，實現對觀測點的動態定位[7,8]。

北斗系統由三部分組成，分別是空間段、地面段和用戶段[9,10]。利用差分定位技術進行海洋工程導航定位作業時，系統組成可分為北斗衛星系統、地面差分站和船載終端。其中，北斗衛星系統為海洋工程導航定位提供基礎服務；地面差分站用于對衛星數據進行解算，以獲取高精度定位信息；北斗船載終端利用北斗衛星系統，為船舶提供實時高精度定位和導航服務。技術人員利用導航定位軟件及設置在工程船舶上的顯示屏，即可實時獲取并觀測各施工船舶的相對位置，并可便捷地設置導航定位參數，以便施工人員將工程船舶行駛至指定位置。

本研究中，選取一套海洋工程現用的北斗二號設備作為船載終端，在海上實際試驗過程中，船載終端將導航數據傳輸至導航定位軟件中。同時，利用一套海洋工程現用的GPS設備，同船開展海上測試。需測兩套衛星系統單獨解算的數據進行對比分析，即單北斗差分解算數據和單GPS差分解算數據。

1.2 設備及軟件系統

1.2.1 主要設備

本次試驗所采用的主要設備如表1所示。

表1 設備一覽表

（1）北斗二號設備

北斗二號設備支持雙天線進行定位測向解算，可廣泛應用于海上施工定位、測深勘測、船舶導航等方面。北斗二號設備主要技術參數如表2所示，表2中：RTK（Real-time Kinematic Survey）為實時動態測量，DGPS（Differential Global Position System）為差分全球定位系統，SBAS（Satellitebased Augmentation system）為星基增強系統；

表2 北斗二號終端設備主要技術參數

（2）GPS設備

GPS定位定向儀主要技術參數如表3所示，表3中：CEP（Circular Error Probable）為圓概率誤差，是GPS定位精度單位。GPS定位定向儀安裝簡單，兩個天線安裝在配置好的標準1m安裝支架上。

表3 GPS定位定向儀主要技術參數

1.2.2 軟件系統

本次北斗系統應用于海洋工程導航定位所使用的軟件系統為自主開發系統，軟件功能包括串口調試、船型參數設置、定位位置計算等。該軟件可根據海上施工導航定位軟件進行及時調整，它具有適應性強、開放性強，窗口簡潔、友好，圖標清新可人，操作方式人性化等特點。該軟件可用于高斯-克呂格投影和墨卡托投影，系統內置北京54坐標系（BJ-54）、WGS-84大地坐標系（World Geodetic system -84）、WGS-72大地坐標系（World Geodetic system -72）等多種坐標系統。只需要在任務參數設置中選擇所需的坐標參數，該軟件系統便可以與任何坐標系統連接，是一套開放性很強的導航定位軟件系統。

1.3 實地測試

1.3.1 陸地靜態試驗

為保證北斗二號終端設備在實際應用中獲取數據的準確性與穩定性，在進行海上動態試驗前，首先對該設備進行了系統兼容性及穩定性測試，陸地靜態測試在陸上某地進行，測試方案如下：

將北斗接收機置于室內，北斗定位定向天線置于室外無遮擋處，確保天線能夠接收到4顆及以上衛星信號，接收機與天線之間通過線纜連接（如圖1所示），接收機通過線纜接入導航定位電腦。

圖1 接收機與天線陸地現場連接圖（上圖為接收機，下圖為天線）

利用軟件開展串口調試，根據接收機接入導航定位電腦接口的不同，對串口進行設置。串口調試窗口輸出全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System, GNSS）數據，其中包含接收機的時間、位置及定位相關數據。測試過程中，軟件能夠接收到接收機發送的位置和航向信息，表明軟硬件系統可以正常工作。

1.3.2 海上動態試驗

選取近海某海域開展海上現場測試，將北斗、GPS設備及天線搭載至相關船只，出海開展數據采集實驗。本次海上試驗采用了動態差分定位技術，選取合適的路線進行測試，需測單北斗差分解算數據和單GPS差分解算數據。

（1）基線選擇

一般而言，可利用卷尺等工具精確測量兩天線中心之間的距離以確定基線長度，兩天線中心之間距離的測量精度會直接影響到側向的效果。由于海上導航定位作業的特殊性，天線難以固定以準確測定基線長度。為保證基線長度的精確性，需預先在陸地定制固定長度的基線，在進行海上導航定位作業時，只需將帶有衛星天線的基線利用扎帶固定于船舷或空曠處即可。

本次海上試驗中，根據不同接收機型號使用不同的基線長度。對北斗二號定位定向接收機，使用2m基線；對GPS定位定向接收機，使用1m基線。基線設計如圖2所示；

圖2 北斗二號接收機基線設計圖（2m基線）

（2）設備安裝

本次海上試驗中將衛星天線置于右側船舷，GPS接收機天線的前端天線用于定位，后端天線用于定向，北斗二號接收機天線則與之相反，前端天線用于定向，后端天線用于定位，衛星天線安裝位置見圖3所示；

圖3 北斗接收機及GPS接收機海上現場接線圖

（3）定位點選擇

受限于船體本身，北斗和GPS定位天線通常無法準確安裝在船體需要定位的點，實際操作中一般選取船上容易固定、不易滑落且無遮擋的相對開闊區域作為天線的安裝位置。在導航定位作業過程中，定位參考點的選取尤為重要，利用選取的固定參數，加上對應的船型參數，便可相對準確地解算出船體的位置和實際大小。

在導航定位過程中，為了使定位參數統一，一般會以船體為基準，虛擬出平面坐標系。在作業過程中以船尾的中點作為平面坐標系的原點，右舷方向為x軸正方向，左舷方向以x軸負方向，船頭方向為y軸正方向，而坐標原點即為實際定位點。

實際操作中，需要對天線定位點進行坐標轉換，通過坐標轉換，得到船尾中點的實際坐標（大地坐標）。在作業過程中，導航定位電腦中顯示的定位點即為船尾中點坐標。坐標轉換示意圖如圖4所示，坐標轉換公式（1）所示：

圖4 北斗及GPS天線安裝位置示意圖

式中：Xp、Yp為定位點平面直角坐標（大地坐標）；

X0、Y0為天線位置直角坐標（大地坐標）；

xp、yp為定位點船型坐標（以船尾中點為原點）；

x0、y0為天線位置船型坐標（以船尾中點為原點）；

Hg為船艏向；

（4）軟件設置

設備安裝及接線完成后，需要在導航定位軟件中進行警戒圓設置、定點導航設置和船型設置（主船設置、拖輪船型設置）。軟件設置完成后，即可進行導航定位作業。本次海上動態試驗只對拖船導航定位進行了測試，并以GPS定位數據為基準，對北斗系統導航定位數據進行了定位精度分析。

2 結果和討論

2.1 船艏向對比分析

根據海上實測數據的分析可知，本次海上試驗過程中，北斗設備和GPS設備獲取的船艏數據均為偏西向（如圖5所示）。船的實際航行軌跡為南偏西60°左右，而北斗設備和GPS設備測得的船艏向數據為偏西向，實際航行軌跡與測得的船艏向呈現約30°的夾角，這是由試驗過程中風和洋流的因素引起的。

圖5 北斗系統與GPS系統測得船艏向圖

2.2 定位精度分析

北斗系統在海洋工程中的應用主要分為導航和定位兩部分，其中，船舶導航對定位精度要求較低，而在淺海區域海洋石油平臺導管架就位、上部組塊的安裝及重塊位置確定等海洋工程定位領域，則對定位精度具有較高的要求。一般而言，在海洋石油領域，高精度定位作業一般要求精度控制在亞米級。

海上現場試驗過程中，GPS所使用的坐標系統為WGS-84系統，而北斗所使用的坐標系統為CGCS2000（國家2000大地坐標系），這兩種坐標可以通過導航定位轉件進行自動轉換，最終輸出數據格式為WGS-84坐標。

選取北斗系統與GPS系統時間重合段進行分析，其中北斗系統獲取數據頻率為2s，而GPS獲取數據頻率為1s，即北斗系統每2s獲取一組導航定位數據，GPS每1s獲取一組導航定位數據。選取北斗與GPS時間重疊時段的航跡數據對北斗二號設備的定位精度進行分析，航跡數據誤差分析表如表4所示。以GPS測量數據為基準點，表中Δx是北斗二號設備與GPS設備在x軸方向的定位數據差值，Δy是北斗二號設備與GPS設備在y軸方向的定位數據差值，t是時間。

表4 北斗設備與GPS設備航跡數據誤差分析表

由表4可知，北斗設備與GPS設備橫軸方向高精度定位誤差范圍是-0.18～0.27m，縱軸方向高精度定位誤差范圍是-0.17～0.14m，橫、縱軸誤差均在亞米范圍內。

以GPS測量數據為基準點，北斗系統平均精度如式（2）所示。

試驗結果表明，北斗二號設備既滿足海洋工程拖船導航定位作業需求，也滿足主作業船海洋工程高精度定位作業需求。

3 結語

北斗二號終端上市多年，出產量比較大，雖然已經進入了北斗三號時代，但是大量北斗二號設備仍在應用中。在對精度要求亞米級的實際海洋工程中，北斗二號設備已具備代替GPS設備進行導航定位的能力。利用北斗及GPS設備進行比對測量，可提高定位穩定性，降低錯誤率。