多功能一體化信標(biāo)機(jī)在海洋施工的應(yīng)用

艾澤宇，嵇建扣

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230)

1 技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 RTK

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(real-time kinematic，RTK)作為精度最高、應(yīng)用最廣的差分方式，是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)量站載波相位觀測(cè)量的差分方法，將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)給用戶接收機(jī)，進(jìn)行求差解算坐標(biāo)。RTK是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度的測(cè)量方法，它采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分方法，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，一經(jīng)推出就得到了迅速發(fā)展。RTK測(cè)量較常用的模式有電臺(tái)模式和CORS模式兩種。

1.2 信標(biāo)差分

信標(biāo)差分定位系統(tǒng)(RBN/DGPS)是在無(wú)線電指向標(biāo)(radio beacon)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，利用無(wú)線電指向標(biāo)強(qiáng)大的無(wú)線電傳送功能，將GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)與指向標(biāo)系統(tǒng)結(jié)合在一起，利用RBN/DGPS臺(tái)在發(fā)射導(dǎo)航無(wú)線電碼的同時(shí)，也發(fā)射DGPS差分信號(hào)。

作為國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施，我國(guó)在沿海建立了信標(biāo)差分基站，實(shí)行全天候運(yùn)行，實(shí)時(shí)發(fā)射差分改正信號(hào)，通信距離達(dá)300 km，形成了一個(gè)探入內(nèi)陸、延伸入海的沿海岸線分布的信號(hào)覆蓋區(qū)域，供用戶免費(fèi)使用。

1.3 星站差分

星站差分系統(tǒng)由5部分組成，分別為：①全球參考站；②數(shù)據(jù)處理中心；③注入站；④地球同步衛(wèi)星；⑤用戶站。

全球參考站網(wǎng)絡(luò)由雙頻GNSS接收機(jī)組成，每時(shí)每刻都在接收來(lái)自GNSS衛(wèi)星的信號(hào)，參考站獲得的數(shù)據(jù)被送到數(shù)據(jù)處理中心，經(jīng)過(guò)處理后生成差分改正數(shù)據(jù)，差分改正數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)通信鏈路傳送到衛(wèi)星注入站并上傳至同步衛(wèi)星，向全球發(fā)布。

用戶站的GPS接收機(jī)實(shí)際上同時(shí)有兩個(gè)接收部分，一個(gè)是GPS接收機(jī)，另一個(gè)是L波段的通信接收器。GPS接收機(jī)跟蹤所有可見(jiàn)的衛(wèi)星然后獲得GPS衛(wèi)星的測(cè)量值，同時(shí)L波段的接收器通過(guò)L波段的衛(wèi)星接收改正數(shù)據(jù)。當(dāng)這些改正數(shù)據(jù)被應(yīng)用在GPS測(cè)量中時(shí)，一個(gè)實(shí)時(shí)的高精度的點(diǎn)位就確定了。

目前全球星站差分服務(wù)商主要及其主要特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 星站差分市場(chǎng)表

2 海洋GNSS定位導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 差分信號(hào)

隨著我國(guó)綜合國(guó)力的提升，我國(guó)海洋工程逐步由大陸架沿海區(qū)域向深海、全球延伸。在南海，我國(guó)正在緊鑼密鼓準(zhǔn)備深海油氣資源勘探開發(fā)，并將南海權(quán)益列為中國(guó)核心利益，遠(yuǎn)海項(xiàng)目會(huì)逐步增多，海上風(fēng)電逐步走向深海，深海、遠(yuǎn)海項(xiàng)目處于快速增長(zhǎng)期。在亞非拉地區(qū)，隨著“一帶一路”倡議的實(shí)施和拓展，越來(lái)越多中國(guó)公司走向海外，中交四航院的項(xiàng)目已遍及全球50多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。基于以上考慮，本文海洋GNSS定位導(dǎo)航系統(tǒng)選擇同時(shí)采用信標(biāo)差分和星站差分作為差分信號(hào)源，實(shí)現(xiàn)近海、遠(yuǎn)海高精度定位無(wú)縫連接。在星站差分信號(hào)源上，中國(guó)精度(China CM)具有服務(wù)費(fèi)最低、開放性最廣和適用范圍最廣的特點(diǎn)，故選擇中國(guó)精度(China CM)為星站差分解決方案。

2.2 設(shè)備外觀

2.2.1 接收機(jī)外觀

本產(chǎn)品外觀主要分為上蓋、下蓋、防護(hù)圈和控制面板4個(gè)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(hù)塞、序列號(hào)、連接螺孔、SIM卡槽等，如圖3所示。

2.3 功能模塊

系統(tǒng)功能模塊如圖4所示。具體如下：

(1) 電源模塊：本設(shè)備有外部供電和鋰電池供電兩種模式。

(2) 系統(tǒng)控制模塊：系統(tǒng)控制模塊負(fù)責(zé)和各個(gè)模塊相互間通信。

(3) 信標(biāo)模塊：信標(biāo)模塊通過(guò)天線接收信標(biāo)信號(hào)，內(nèi)部解算成信標(biāo)差分?jǐn)?shù)據(jù)，通過(guò)串口發(fā)送給系統(tǒng)控制模塊；系統(tǒng)控制模塊通過(guò)串口將信標(biāo)差分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給GNSS板卡，再由板卡解析差分?jǐn)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信標(biāo)定位功能。

(4) GNSS板卡：負(fù)責(zé)計(jì)算GNSS位置坐標(biāo)信息。

(5) 藍(lán)牙模塊：外部手簿通過(guò)搜索、配對(duì)藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)連接到藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙通過(guò)串口和處理器相互通信，用戶通過(guò)手簿上的上位機(jī)軟件讀取設(shè)備基本信息和GNSS定位信息等，同時(shí)通過(guò)藍(lán)牙可對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)置和控制。

(6) iNAND模塊：由于單片機(jī)的內(nèi)存較小，無(wú)法滿足大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需求，因此系統(tǒng)的iNAND模塊主要作系統(tǒng)存取GNSS靜態(tài)數(shù)據(jù)。

(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(duì)外的Lemo接頭。

3 系統(tǒng)特色與優(yōu)勢(shì)

3.1 優(yōu) 勢(shì)

本文系統(tǒng)集信標(biāo)差分、星站差分、靜態(tài)GPS測(cè)量于一體的便攜、易操作的FHDI-M60一體化信標(biāo)機(jī)，其與傳統(tǒng)信標(biāo)機(jī)相比，存在顯著優(yōu)勢(shì)，部分參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 FHDI-M60一體化信標(biāo)機(jī)與傳統(tǒng)信標(biāo)機(jī)對(duì)比

從參數(shù)對(duì)比來(lái)看，本文研發(fā)小組研制的信標(biāo)機(jī)不僅定位精度在行業(yè)內(nèi)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，其突出的輕便性和多功能性都能為測(cè)量工作人員節(jié)省大量的時(shí)間和精力，只需要一部帶有藍(lán)牙功能的手機(jī)和一部主機(jī)就能在世界大部分區(qū)域獲取平面精度20 cm的定位數(shù)據(jù)。而且，一體化的設(shè)計(jì)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(chǎn)品特色

3.2.1 三位一體

本文GPS定位儀集靜態(tài)測(cè)量、(交通部信標(biāo)臺(tái))信標(biāo)差分定位、星站差分定位于一體，在國(guó)內(nèi)外的GPS定位設(shè)備中是罕見(jiàn)的。

3.2.2 手機(jī)APP功能

無(wú)需連接計(jì)算機(jī)，只需一部帶有藍(lán)牙功能的手機(jī)和一部FHDI-M60主機(jī)，即可在全球大分區(qū)域獲取平面精度優(yōu)于20 cm的定位數(shù)據(jù)。

3.2.3 高度集成化

FHDI-M60海洋GNSS系統(tǒng)采用全新設(shè)計(jì)理念，將主機(jī)及天線合二為一，并采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸及內(nèi)置電池模式，摒棄各種連接電纜，實(shí)現(xiàn)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(qiáng)，1.5 m高度墜落硬質(zhì)地面無(wú)損壞,電源抗干擾

4 結(jié) 語(yǔ)

FHDI-M60海洋GNSS系統(tǒng)僅定位精度在行業(yè)內(nèi)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，其突出的輕便性和多功能性都能為測(cè)量工作人員節(jié)省大量的時(shí)間和精力，只需要一部帶有藍(lán)牙功能的手機(jī)和一部主機(jī)就能在世界大部分區(qū)域獲取平面精度20 cm的定位數(shù)據(jù)。而且，一體化的設(shè)計(jì)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(shù)為：

(1) 移動(dòng)、智能APP操作，產(chǎn)品操作簡(jiǎn)單，快捷，可推廣。

(2) 電源抗干擾。

(3) 信標(biāo)和GNSS一體天線內(nèi)置在板子垂直面上，通過(guò)合理設(shè)計(jì)減少場(chǎng)輻射干擾。

(4) 信標(biāo)差分和星站差分可以隨意轉(zhuǎn)換，定位精度在全球都能保證。

(5) 信標(biāo)、星站差分、靜態(tài)GPS功能集成一體，適用于全球大部分地區(qū)的高精度海洋測(cè)繪定位、放樣，也可兼顧控制測(cè)量時(shí)靜態(tài)GPS控制網(wǎng)功能。

由于本款產(chǎn)品是第一臺(tái)產(chǎn)品，還存在一些人機(jī)交互性能不足的地方，例如主機(jī)上缺少工作模式提示界面和指示燈，對(duì)海洋工作場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化程度不夠，藍(lán)牙通信距離有限，主機(jī)不能同時(shí)連接多臺(tái)客戶端。根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，將對(duì)本文海洋GNSSCE系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。