海上风电场勘察放样的几种方法探讨

翁鹏飞

摘 要：近期，随着远离海岸的分布在黄海海岸的大型风场基地的选址完成，对我们勘察设计单位的海上风电勘察定位提出了新的挑战和新的要求，必须有一套切实可行的海上风电放样及复测技术才能满足海上风电的初勘、详勘工作。为风场的顺利施工提供可靠的技术支撑。文章从采用不同的技术设备进行精密单点定位，通过比对、分析判断，得出在不同的勘察阶段应该采用的定位技术手段。

关键词：勘察；GPS；PPP；星测差分；海岸

引言

近期，随着国家海洋千万级的风电基地在江苏黄海获批后，采用传统的测量方法进行测量，已经满足不了远离海岸风电场的勘察放样、复测钻孔坐标等工作需求。为此，文章从远离海岸常用的四种方法分别解析其原理、精度指标等，分析对比其优缺点。

通过在不同的勘察设计阶段可以采用的测绘方法，指导类似远离海岸的海洋工程项目的测绘工作，可以为类似于舟山海洋经济特区的勘察放样测量工作提供一定的参考依据。

1 几种方法介绍

1.1 通过设立中继站电台

由于工作环境的复杂性，基准站和流动站之间往往无法避免障碍物对电台通信的影响，此时中继站电台可以起到比较好的补救作用：一是可以接收来自基准站的信号，又可以将其发送出去供流动站使用；二是中继站电台只转发信号，不必安排在已知点上，完全可以按需要随时任意安排位置。

中继站电台技术的精度较高（平面可以达到5cm，高程达到10cm），可以很好的应用于远离海岸风电场的勘察放样工作，而且可以保证测量的精度要求。

1.2 PPP技术

精密单点定位（Precise point positioning，PPP）技术是由美国喷气推进实验室的Zumberge于1997年提出。20世纪90年代末，由于全球GPS跟踪站的数据量急剧上升，全球GPS数据处理工作量不断增加，计算时间呈指数上升。为了解决此问题，美国喷气推进实验室提出了采用如下方法解决。

在GPS定位中，主要的误差来源有卫星轨道误差、卫星钟差、电离层延时。如果采用双频接收机，可以利用LC相位组合，消除电离层延时的影响。如果选择地心地固系表示卫星轨道，计算的参考框架同为地心地固系，可以消除观测方程中的地球自转参数。所以，只要给定卫星的轨道和精密钟差，采用精密的观测模型，就可像伪距差分一样，单站计算出接收机的精确位置、钟差、模糊度及对流层延时等参数。

由于在远离海岸的风电场勘察放样中，需要及时的确定实时的三维坐标（X、Y、H），而PPP技术属于数据后处理技术，故而不能有效的使用在勘察设计放样阶段。而可以考虑使用在勘察设计阶段的后期复测工作中。

1.3 南方测绘仪器公司的S750手持机

实时定位精度：单点定位可达2.5米， 差分处理可达0.2米。

软件具有四参数及七参数坐标转换功能，可以采用水下地形测量阶段测绘单位提供的7参数，输入到S750后，采用校正向导进行测区参数的校正，以得到正确的测区坐标进行平面位置的勘察阶段的钻孔放样。

高程可以通过能收集覆盖风场范围内的验潮资料，采用单站验潮、双站验潮改正、多站验潮改正三种改正模式进行改正，以得到实际测量点位的海底高程值。

1.4 星测差分机

星测StarFireTM是全球双频GPS差分定位系统，它是目前世界上第一个可以提供分米级实时精度的星基增强差分系统。与RTK相比星测StarFireTM系统具有更强的灵活性和易用性。用户在使用星测系统时不需要考虑架设基准站的问题，可以节省大量硬件及人力维护成本，同时用户也不需要考虑作业活动范围，您能够自由地在全球任何地方得到单机实时的分米级定位精度。

1.4.1 星测产品的特点

（1）单机工作，实时定位精度：水平≤10cm、高程≤15cm；（2）GPS/GLONASS/Galileo三合一组合导航定位；（3）无需架设基准站，一台即可工作，提高工作效率；（4）不受距离限制，全球任何地方都可测量定位；（5）一机多用：RTK、静态、动态多模式操作一应俱全；（6）强大的兼容性：可与各品牌RTK产品配套使用；（7）独有RTK和RTG联合工作模式：RTK和RTG联合工作模式时，当RTK通讯链中断时，利用RTG功能，可在15分钟内保持RTK精度。

1.4.2 星链差分原理

（1）系统组成。整个星测StarFire系统由五部分组成：a.参考站。均为双频GPS接收机，24小时连续作业采集GPS卫星信息，并实时向数据中心发送。在世界范围内，这样的参考站共有55个。b.数据处理中心。图中方块为数据处理中心，全球有两个数据处理中心，位于北美。中心从55个参考站不断接收数据，然后经过分析计算得到GPS卫星轨道改正数和钟差改正数，将其发送至卫星信号上传系统。c.注入站。注入站是连接数据中心与海事卫星的关键部分。它将从数据中心接收到的信息实时发送给卫星，从而完成地面与卫星的信息交换。d.地球同步卫星（Inmarsat）。三颗卫星即为本系统一般状态下使用的卫星。三颗卫星是沿赤道轨道平行分布的地球同步卫星。由于其轨道较高，可以覆盖南北纬76度之间的所有范围。也就是说，在其覆盖范围内，均可以接收到稳定的、同等质量的差分改正信号，从而达到世界范围内同等精度。e. 用户站。用户接收机实际上同时有两部分组成，一个是双频GPS接收机，一个是L 波段的通信接收器。双频GPS 接收机跟踪所有可见的卫星然后获得GPS卫星的测量值。同时，L 波段的接收器通过L波段的卫星改正数据。当这些改正数据应用在GPS 测量中时，一个实时的高精度点位就被确定了。

（2）工作方式。星测StarFireTM是在早期的增强差分系统上发展的，它独立地考虑每项GPS卫星信号误差。在星测StarFireTM系统中参考站和用户站都采用双频接收机。根据参考站的双频观测数据，精确计算GPS卫星轨道改正和钟差改正。这些改正数通过国际海事卫星（Inmarsat）传输到用户站接收机，电离层延迟和对流层改正是根据用户站双频观测数据和模型进行处理的。同时，利用NavCom的一项专利技术，来大大消除多路径效应的影响。

工作原理如图1所示：

图1

数据传递流程：

星测接收机由两部分组成，一部分是双频GPS接收机，另一部分是L波段的通信接收机。双频GPS接收机跟踪所有可见的卫星，然后获得GPS卫星的观测值。同时，L波段的接收机接收星测starfireTM系统广播的L波段卫星改正数据。当这些改正数据应用在GPS测量中，就可以得到实施的高精度定位数据了。

1.4.3工作模式如图2所示

2 几种方法的对比（优缺点）（见表1）

3 结束语

综合以上分析，可以得出以下结论：

3.1 在不同的勘察设计阶段应该采用不同的仪器设备进行放样，以有效减少测量放样的成本、提高工作效率和仪器设备的有效利用率。在初勘阶段，可选用S750仪器进行放样工作，在详勘阶段则选择星站差分机比较适合。

3.2 远离海岸的风场，由于海上只有GPS信号，一定要注意人员设备的安全100%保障的情况下，才可以继续进行测量工作。

3.3 不論采用何种测量仪器进行放样，测区测量七参数的求取相当重要并决定了放样的精度。求取测区七参数一般应该选取距离海岸线陆地范围与距离海域需要放样区域的距离相等，此步骤应该在测量远离海岸水下地形阶段由承担该项目的测绘单位给出。

3.4 星站差分机在使用前、中、后应及时校测高等级控制点，以保证测量放样数据的可靠性、稳定性。

参考文献

[1]S750仪器说明书[Z].

[2]星站差分系统说明书[Z].

[3]GPS测量原理及应用[M].武汉大学出版社.