星站差分GPS在遠(yuǎn)海打樁定位中的應(yīng)用

陳士清

(中國(guó)鐵建港航局集團(tuán)有限公司 廣東珠海 519000)

1 引言

風(fēng)能作為一種可再生的無(wú)污染的優(yōu)質(zhì)能源，越來(lái)越受到世界許多國(guó)家的重視。海上風(fēng)力發(fā)電是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要舉措，是實(shí)施能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容之一[1]。

目前海上風(fēng)力發(fā)電已由近岸向離岸50 km、水深50 m的遠(yuǎn)海方向發(fā)展。風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)初期需要設(shè)立測(cè)風(fēng)塔對(duì)風(fēng)能參數(shù)進(jìn)行收集。常規(guī)GPS-RTK技術(shù)，雖然定位精度能夠達(dá)到厘米級(jí)，但其作用范圍一般不超過(guò)15 km[2]，CORS站網(wǎng)外覆蓋一般不超過(guò)30 km，無(wú)法滿足超過(guò)其基站信號(hào)覆蓋范圍以外區(qū)域。因此，針對(duì)風(fēng)電測(cè)風(fēng)塔這樣的遠(yuǎn)海項(xiàng)目的施工測(cè)量，利用星站差分GPS技術(shù)加以解決，以滿足遠(yuǎn)海施工測(cè)量對(duì)定位時(shí)效性和精度等方面的要求。

2 GPS定位技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 常規(guī)RTK/RTD技術(shù)

RTK(Real-Time Kinematic)技術(shù)就是測(cè)繪上通常說(shuō)的載波相位差分技術(shù)。其原理是經(jīng)由數(shù)據(jù)通信鏈路實(shí)時(shí)將基準(zhǔn)站的坐標(biāo)和GPS接收機(jī)接收的載波相位觀測(cè)值等信號(hào)傳輸給流動(dòng)站(用戶站)，流動(dòng)站GPS接收機(jī)將接收到的載波信號(hào)和基準(zhǔn)站傳輸來(lái)的載波相位觀測(cè)值實(shí)時(shí)差分處理，消除大部分誤差，得到較為準(zhǔn)確的相對(duì)于基準(zhǔn)站的三維坐標(biāo)差值，再顧及基準(zhǔn)站坐標(biāo)，可實(shí)時(shí)得到準(zhǔn)確的流動(dòng)站的三維坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的定位精度[3]。

RTD(Real Time Differential)也是一種相位差分技術(shù)，其定位原理與RTK基本相同，只不過(guò)RTD是實(shí)時(shí)處理動(dòng)態(tài)碼(C/A碼、P碼)的技術(shù)。RTD的定位精度在1～5 m內(nèi)是比較穩(wěn)定的[4]。

2.2 網(wǎng)絡(luò)RTK/RTD技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)RTK又稱作多基站RTK。是基于CORS基礎(chǔ)上的實(shí)時(shí)差分定位技術(shù)，與傳統(tǒng)的單基站RTK作業(yè)相比較而言，其主要有覆蓋范圍廣、網(wǎng)內(nèi)定位精度均勻(不像傳統(tǒng)單基站RTK，定位精度隨著離基準(zhǔn)站距離越遠(yuǎn)定位精度越低)、定位精度高和單機(jī)即可作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)[5]。

網(wǎng)絡(luò)RTD(Real Time DGPS)，是多基站RTD技術(shù)。流動(dòng)站定位時(shí)，考慮了多個(gè)基站對(duì)差分信號(hào)改正數(shù)的共同作用，因此系統(tǒng)可靠性顯著增強(qiáng)，同時(shí)定位精度也明顯提高[6]。目前，全國(guó)最大信標(biāo)差分系統(tǒng)是由中國(guó)沿海的20個(gè)永久性差分站組成的海事差分系統(tǒng)，在近岸區(qū)可以獲得亞米級(jí)精度的平面坐標(biāo)[7]。

2.3 星站差分原理

通常RTK提供的單點(diǎn)定位精度并不高，因此，產(chǎn)生出了設(shè)立基準(zhǔn)站，向移動(dòng)站發(fā)送差分改正數(shù)據(jù)，以提升移動(dòng)站相對(duì)定位精度的模式，有效地將測(cè)量精度提升至厘米級(jí)。

但是當(dāng)遇到海洋、沙漠等不宜設(shè)立基準(zhǔn)站，或是投入產(chǎn)出比過(guò)小的環(huán)境時(shí)，就要考慮實(shí)際可行的增強(qiáng)方法，因此，星站差分系統(tǒng)即利用衛(wèi)星替代RTK基站就應(yīng)運(yùn)而生。

星站差分系統(tǒng)是通過(guò)設(shè)立在全球的GPS固定觀測(cè)站組成的觀測(cè)網(wǎng)，連續(xù)跟蹤GPS衛(wèi)星，將影響各衛(wèi)星的誤差源描述為獨(dú)立的誤差因子并加以解算。解算結(jié)果經(jīng)由Inmarsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)通訊鏈路發(fā)射，直接發(fā)送到使用星站差分系統(tǒng)的接收機(jī)用戶。因此，在地面不需要設(shè)置基站，可在收到信號(hào)的全球任何位置進(jìn)行測(cè)量定位[8]。

2.3.1 星站差分系統(tǒng)組成

星站差分系統(tǒng)由參考站、數(shù)據(jù)處理中心、注入站、用戶站和地球同步衛(wèi)星等五部分組成[9]。

參考站上雙頻GPS接收機(jī)時(shí)刻接收來(lái)自GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，接收的數(shù)據(jù)即時(shí)傳送至數(shù)據(jù)處理中心，經(jīng)數(shù)據(jù)處理中心處理后生成的差分改正信號(hào)，再經(jīng)數(shù)據(jù)通訊鏈路傳送至注入站，最后由注入站傳送至Inmarsat同步衛(wèi)星，然后向全球播發(fā)。

用戶站上的GPS接收機(jī)除有一個(gè)接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星信號(hào)外，實(shí)際上還有一個(gè)稱作為L(zhǎng)波段通信接收器的裝置，接收通過(guò)Inmarsat衛(wèi)星播發(fā)的L波段的差分改正數(shù)據(jù)。在GPS測(cè)量時(shí)應(yīng)用這些差分改正信息，實(shí)時(shí)定位精度就得到顯著的提高。

2.3.2 常用的星站差分服務(wù)

現(xiàn)今，市場(chǎng)上已經(jīng)有Veripos、StarFire、OmniSTAR三家得到廣泛的應(yīng)用。

(1)Veripos

在全世界設(shè)立了超過(guò)80個(gè)參考站的Veripos系統(tǒng)屬于Subsea7公司，在英國(guó)Aberdeen和新加坡建立了控制中心。Veripos提供五種定位服務(wù)。

Veripos提供服務(wù)的水平精度在北緯76°到南緯76°之間可優(yōu)于10 cm(95%)。

(2)StarFire

StarFire網(wǎng)絡(luò)隸屬于美國(guó)NAVCOM公司，是于1999年建立的廣域差分系統(tǒng)。它在全球范圍內(nèi)發(fā)布GPS差分信號(hào)，它提供了具有99.99%的聯(lián)機(jī)可靠性的分米級(jí)的定位精度的服務(wù)。它提供WCT、RTG兩種服務(wù)，定位精度分別為35 cm和10 cm。NAVCOM公司提供的SF3050/SF3040兩類GPS接收機(jī)，可分別滿足海洋與陸地對(duì)定位的要求。

(3)OmniSTAR

在全球設(shè)有100多個(gè)地面參考站的高精度GPS增強(qiáng)系統(tǒng)OmniSTAR原屬Fugro公司，2011年3月交于美國(guó)Trimble公司運(yùn)營(yíng)，3個(gè)控制中心站分別位于美國(guó)、歐洲和澳大利亞，分析和處理各參考站傳送來(lái)的數(shù)據(jù)，將經(jīng)分析確認(rèn)后的差分改正數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)通訊鏈路傳送到注入站上傳至同步衛(wèi)星播發(fā)給用戶，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位高精度的目的。

OmniSTAR系統(tǒng)和市場(chǎng)上與之競(jìng)爭(zhēng)的類似系統(tǒng)相比較，其主要優(yōu)勢(shì)在于提供的服務(wù)信號(hào)覆蓋的地理范圍更大。目前，在OmniSTAR信號(hào)有效作用范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)單機(jī)實(shí)時(shí)定位優(yōu)于10 cm(CEP)的定位精度。OmniSTAR提供四種服務(wù)：VBS、XP、HP、G2。

OmniSTAR-VBS提供精度優(yōu)于0.7 m(2σ95%)的單頻DGNSS信號(hào)服務(wù)。

OmniSTAR-HP/XP/G2是OmniSTAR信號(hào)服務(wù)家族中的雙頻增強(qiáng)服務(wù)解決方案。OmniSTAR-HP/XP/G2通過(guò)許多單獨(dú)的定位技術(shù)發(fā)送亞厘米精度的信號(hào)服務(wù)。

幾種服務(wù)具有以下特點(diǎn)：

OmniSTAR-VBS提供的是亞米級(jí)精度的服務(wù)。在2σ(95%)置信水平下，平面位置偏差優(yōu)于1 m。只要收到OmniSTAR DGPS差分信號(hào)，很快收斂。

OmniSTAR-XP服務(wù)提供短期幾英寸和長(zhǎng)期重復(fù)性優(yōu)于20 cm(95% CEP)的精度。它稍微比HP精度低，它在全世界范圍內(nèi)可用，在測(cè)量方面，與地域性差分系統(tǒng)(如WAAS)相比，精度有所提高。

OmniSTAR-HP服務(wù)在2σ(95%)的置信度下的平面位置偏差優(yōu)于10 cm，在3σ(99%)置信度下，平面位置誤差優(yōu)于15 cm。

XP/G2不依賴于參考站，收斂時(shí)間是20 min內(nèi)，在中國(guó)區(qū)域的水平方向精度是20～30 cm，尤其高程方向的精度是20～30 cm。

HP/G2的精度依賴于參考站，水平精度達(dá)到5～10 cm需要的收斂時(shí)間為20～30 min，高程方向精度是10～20 cm。

綜上所述，使用星站差分GPS技術(shù)，用戶不需要在作業(yè)區(qū)附近設(shè)立基站，但具有定位精度接近傳統(tǒng)的RTK的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有GPS定位所具有的全天候、連續(xù)性等特點(diǎn)，為遠(yuǎn)海工程的測(cè)量提供了實(shí)用可行的技術(shù)解決方案。

3 打樁船測(cè)量定位系統(tǒng)改進(jìn)

3.1 GPS打樁定位系統(tǒng)構(gòu)成

GPS-RTK打樁定位系統(tǒng)一般采用三臺(tái)GPS儀器，在控制船位的同時(shí)控制船姿。為精測(cè)樁位坐標(biāo)，船上還安裝兩臺(tái)精密測(cè)距儀，布置如圖1所示。同時(shí)，集成的測(cè)量系統(tǒng)軟件具有通信、數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、顯示，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和報(bào)表打印等功能[10]。

3.2 系統(tǒng)改進(jìn)

為滿足海上測(cè)風(fēng)塔打樁定位的需要，根據(jù)實(shí)際情況，選用星站差分技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有打樁船定位系統(tǒng)進(jìn)行改造，以滿足打樁定位對(duì)時(shí)效性和精度等方面的要求。

圖1 GPS-RTK打樁定位系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成

3.2.1 硬件方面

“鐵建樁01”打樁船上原有GPS打樁定位系統(tǒng)采用的是三臺(tái)LEICA GS10接收機(jī)。改為星站差分定位方式后，由于LEICA GS10無(wú)法開(kāi)通SEASTAR遠(yuǎn)海定位功能，根據(jù)實(shí)際情況，通過(guò)比選采用一臺(tái)天寶(TRIMBLE)SPS855流動(dòng)站定位，安裝在圖1中GPS2的位置，開(kāi)通SEASTAR-HP服務(wù)，一臺(tái)TRIMBLE SPS461雙天線GPS定向，安裝在圖1中GPS3的位置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)海GPS打樁定位。

其他硬件如計(jì)算機(jī)、室外天線固定件、連接線路等通用的部分繼續(xù)保留。

3.2.2 軟件方面

定位系統(tǒng)改造由原定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的同濟(jì)大學(xué)測(cè)量與國(guó)土信息工程系進(jìn)行，對(duì)原GPS打樁定位系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，與現(xiàn)有星站差分測(cè)量方式相匹配。船型尺寸、GPS接收機(jī)相對(duì)位置關(guān)系等參數(shù)沒(méi)有變動(dòng)的可以沿用。

3.3 定位原理

因?yàn)楸敬胃倪M(jìn)只采用一臺(tái)TRIMBLE SPS855開(kāi)通SEASTAR-HP功能進(jìn)行定位，為了準(zhǔn)確推算坐標(biāo)和定出方位，增加了TRIMBLE SPS461作定向用。因SPS461沒(méi)有開(kāi)通HP服務(wù)，為提高定向精度，系統(tǒng)集成時(shí)，同時(shí)把SPS855作為基準(zhǔn)站，和SPS461組成1+1RTK組合，這樣SPS461的坐標(biāo)也有與基站相近的精度(因?yàn)閮蓹C(jī)相距很近)。

這樣根據(jù)兩臺(tái)GPS接收機(jī)和打樁船的船型幾何關(guān)系和有關(guān)參數(shù)，根據(jù)接收機(jī)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)和樁架傳感器、船體橫傾和縱傾等實(shí)時(shí)傳感數(shù)據(jù)，就可實(shí)時(shí)推算出樁位設(shè)計(jì)標(biāo)高處的中心坐標(biāo)。

3.4 定位精度

SPS855開(kāi)通SEASTAR-HP功能進(jìn)行定位，平面精度可以達(dá)到5～10 cm，高程精度10～15 cm，數(shù)據(jù)收斂時(shí)間足夠長(zhǎng)的情況下，平面精度及高程精度可以達(dá)到5 cm以內(nèi)。

SPS461具有雙天線定向功能，在兩臺(tái)天線距離10 m情況下定向精度可以達(dá)到0.05°[11]。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況

福建長(zhǎng)樂(lè)海上風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔建筑與安裝一期工程Ⅰ標(biāo)段，在長(zhǎng)樂(lè)外海H區(qū)及A區(qū)設(shè)立2座樁基型式測(cè)風(fēng)塔。長(zhǎng)樂(lè)H區(qū)測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)由4根鋼管樁組成，呈正方形布置，樁頂相鄰間距為14 m。各單樁傾斜度為10∶1，單根管樁樁長(zhǎng)125 m，直徑2 m，上部12 m壁厚36 mm，其余部位壁厚27 mm，單樁重約175 t。長(zhǎng)樂(lè)A區(qū)測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)由4根鋼管樁組成，呈正方形布置，樁頂相鄰間距為13 m。各單樁傾斜度為10∶1，單根管樁樁長(zhǎng)101 m，直徑2 m，上部6 m壁厚36 mm，其余部位壁厚27 mm，鋼管樁內(nèi)部采用十字形勁板進(jìn)行加強(qiáng)，鋼板厚度為18 mm，其中變徑段加強(qiáng)長(zhǎng)度為3 m，泥面以下加強(qiáng)長(zhǎng)度為21 m。單樁重約155 t。

Ⅰ標(biāo)段沉樁檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為：樁頂標(biāo)高允許偏差(+0，+50)mm，樁頂平面位置允許偏差≤150 mm，斜度允許偏差≤1%，樁頂間距允許偏差≤300 mm，以標(biāo)高控制為主，貫入度校核。

本工程平面坐標(biāo)系統(tǒng)為1980國(guó)家平面坐標(biāo)系，中央子午線經(jīng)度120°；高程系統(tǒng)為1985國(guó)家高程系。

4.2 海上打樁的實(shí)施

4.2.1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

(1)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。從業(yè)主方得到測(cè)區(qū)6個(gè)測(cè)量控制點(diǎn)資料(見(jiàn)表1)經(jīng)復(fù)測(cè)確認(rèn)無(wú)誤后，用GPS接收機(jī)采集6個(gè)控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)，計(jì)算出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)(見(jiàn)表2)[12]。

表1 控制點(diǎn)坐標(biāo) m

表2 布爾莎七參數(shù)

(2)船型長(zhǎng)寬尺寸、GPS接收機(jī)固定點(diǎn)與船軸線等平面相對(duì)位置關(guān)系、與測(cè)距儀的空間位置關(guān)系等。這些參數(shù)是在打樁船?？吭谒姹容^平靜的碼頭測(cè)得，作為固定參數(shù)設(shè)置到打樁定位系統(tǒng)軟件中。

(3)畫筆顏色、系統(tǒng)限值分別根據(jù)操作者和技術(shù)規(guī)范要求設(shè)置。

4.2.2 設(shè)備參數(shù)

(1)GPS接收機(jī)和測(cè)距儀在打樁船上安裝的空間位置，它們之間的相對(duì)位置關(guān)系。

(2)船體和樁架測(cè)傾儀縱橫向加常數(shù)。

(3)上述設(shè)備的通訊端口及波特率。施工區(qū)域使用的衛(wèi)星參數(shù)。點(diǎn)擊“Omnistar”里“配置”，根據(jù)服務(wù)商提供的頻率和比特率輸入，其他不需改動(dòng)，確定后保存。

4.2.3 設(shè)計(jì)樁位坐標(biāo)

按打樁定位系統(tǒng)軟件指定格式，將樁的設(shè)計(jì)坐標(biāo)及其相關(guān)信息制定成excel表格，然后轉(zhuǎn)換成文本格式導(dǎo)入系統(tǒng)軟件中。

4.2.4 沉樁

在操作室安裝有“GPS打樁定位系統(tǒng)”監(jiān)視器上點(diǎn)擊打開(kāi)海工之星軟件，根據(jù)前述設(shè)置好參數(shù)，建立項(xiàng)目文件，進(jìn)入打樁定位功能。

從樁位資料中按順序選取準(zhǔn)備沉放的樁號(hào)，點(diǎn)擊編輯，查看數(shù)據(jù)無(wú)誤后確認(rèn)。監(jiān)視器屏幕上顯示船頭樁的實(shí)際位置、船的姿態(tài)和設(shè)計(jì)樁位，船上指揮人員依據(jù)屏幕上顯示的船位和設(shè)計(jì)樁位，指揮操作人員移船和收放樁架，直至樁的平面位置、扭角及斜率與設(shè)計(jì)值的偏差在設(shè)計(jì)和規(guī)范允許的范圍內(nèi)，此時(shí)可以指揮下樁、打樁[13]。

在定位系統(tǒng)監(jiān)視器旁邊另有一個(gè)監(jiān)視器，通過(guò)安裝在打樁船前部的一個(gè)攝像頭查看樁的下沉情況。攝像頭兩側(cè)有兩個(gè)測(cè)距儀，獲取測(cè)距儀到樁的距離推算樁中心的坐標(biāo)，測(cè)距儀的位置數(shù)據(jù)在設(shè)備參數(shù)里已設(shè)置好。

定位過(guò)程中經(jīng)常查看GPS接收機(jī)位置狀態(tài)和Omnistar位置狀態(tài)信息。在接收機(jī)位置狀態(tài)中查看幾何精度因子(DOP)大小，可以知道定位精度高低和衛(wèi)星分布情況。圖2是OmniSTAR HP服務(wù)數(shù)據(jù)收斂界面圖。

圖2 OmniSTAR HP服務(wù)數(shù)據(jù)收斂

樁頂標(biāo)高是通過(guò)樁船前部測(cè)距儀發(fā)射到樁身上的紅外激光點(diǎn)讀取刻度，根據(jù)樁身上部的高度推算得出。

達(dá)到設(shè)計(jì)停錘標(biāo)準(zhǔn)后，點(diǎn)擊定位系統(tǒng)中“停錘”功能。保存打樁定位記錄，還可以對(duì)最后顯示結(jié)果進(jìn)行截屏備查。

4.2.5 沉樁結(jié)果

沉樁完成后用SPS855流動(dòng)站對(duì)樁位坐標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3，最大平面偏差只有一個(gè)為152 mm，其余均滿足規(guī)范要求，可見(jiàn)采用星站差分技術(shù)定位可以保證遠(yuǎn)海測(cè)量精度。

表3 樁位檢測(cè)成果

續(xù)表3

5 結(jié)束語(yǔ)

海上風(fēng)電在我國(guó)正處于發(fā)展時(shí)期，已經(jīng)由近岸向更遠(yuǎn)的深海發(fā)展，無(wú)論是樁基結(jié)構(gòu)的測(cè)風(fēng)塔，還是后續(xù)風(fēng)電場(chǎng)施工都離不開(kāi)精準(zhǔn)的定位，星站差分技術(shù)能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，在遠(yuǎn)海施工定位中大顯身手。

(1)星站差分GPS技術(shù)解決了遠(yuǎn)海無(wú)法建立地面基站的GPS測(cè)量問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的遠(yuǎn)海施工測(cè)控。

(2)星站差分GPS測(cè)量成本較高，開(kāi)通此項(xiàng)功能每月需萬(wàn)元以上的服務(wù)費(fèi)，工期不長(zhǎng)可按月付費(fèi)，如果施工時(shí)間長(zhǎng)，可以按年付費(fèi)。具備條件后的盡可能使用海上平臺(tái)建立基站。

(3)OmniSTAR-HP信號(hào)服務(wù)由三顆衛(wèi)星提供，在施工現(xiàn)場(chǎng)沉樁時(shí)衛(wèi)星提供的信號(hào)質(zhì)量不佳，可暫停打樁，測(cè)量人員更換提供星站差分信號(hào)的衛(wèi)星或重新啟動(dòng)系統(tǒng)，重新接收信號(hào)，解算數(shù)據(jù)，減小誤差。

(4)由于GPS打樁定位系統(tǒng)依靠一臺(tái)SPS855進(jìn)行定位，為保證定位正確，可以考慮增加一臺(tái)開(kāi)通HP服務(wù)的流動(dòng)站進(jìn)行校核。