卫星导航系统在海洋工程中的应用

邹伟,王世明

(上海海洋大学 工程学院,上海 201306)



卫星导航系统在海洋工程中的应用

邹伟,王世明

(上海海洋大学 工程学院,上海 201306)

简要介绍了GPS和北斗系统的组成、特点,并从水下测量/定位、海上定位、海洋观测、海事应用、海上施工这几方面探讨了GPS和北斗系统在海洋工程中的应用情况,指出了我国北斗系统在海洋工程中的应用与GPS相比的不足。对促进卫星导航系统的应用尤其是我国的北斗在我国海洋工程的全面应用提供助力。

GPS;北斗导航系统;海洋工程

0　引　言

海洋工程是指以开发、利用、保护、恢复海洋资源为目的，并且工程主体位于海岸线向海一侧的新建、改建、扩建工程。一般认为海洋工程的主要内容可分为资源开发技术与装备设施技术两大部分，具体包括：围填海、海上堤坝工程，人工岛、海上和海底物资储藏设施、跨海桥梁、海底隧道工程，海底管道、海底电(光)缆工程，海洋矿产资源勘探开发及其附属工程。卫星导航系统被广泛应用于通讯、交通、航空、航海、气象等领域[1]。本文从水下测量/定位、海上定位、海事应用、海上施工这几方面阐述GPS 和北斗系统在海洋工程领域的应用情况。

1　卫星导航系统

当今世界主要有四个卫星导航系统,它们分别是美国的全球卫星定位系统(GPS),中国的北斗卫星导航系统(BDS),俄罗斯的格洛纳斯系统(GLONASS)以及欧洲的伽利略系统(Galileo)。本文主要涉及GPS和我国的北斗导航系统在海洋工程领域的应用。

GPS是于1958年美国军方的一个项目开始研制，并在1964年投入使用。20世纪70年代,新一代卫星定位系统GPS在美国陆海空三军联合研制下获得成功[2]。其主要的目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务,并用于核爆监测、情报搜集和应急通讯等军事目的,整个系统经过20多年的研究实验,一共耗资300亿美元,到1994年,完成了24颗GPS卫星星座的布设,使其在全球的覆盖率达到了98%.

GPS作为一种全球卫星导航系统,具有全天候、全方位、全时段、高精度的特点,能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息,是卫星通信技术在导航领域的应用典范,它积极地推动了数字经济的发展,提高了地球的信息化水平[3]。

北斗卫星导航系统(BDS)是我国自行研制的全球卫星导航系统。整个系统由空间端、地面端和客户端三部分组成,可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度导航、定位和授时服务,并具短报文通信能力,在区域导航、定位和授时方面已取得初步成就,测速精度0.2 m/s,定位精度10 m,授时精度10 ns[4].

北斗卫星导航系统空间端由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成,现在“北斗”系统已经覆盖亚太地区,可以为该地区提供定位、导航和授时以及短报文通信服务能力,预计到2020年左右将覆盖全球。

北斗是后起之秀,有些方面虽然还比不上GPS,不过北斗也具有众多优势。北斗系统的定位精度与GPS旗鼓相当,并且比GPS多了一种重要功能——短报文通信,尤其适用于需要导航与移动数据通信相结合的用户[12]。北斗系统与其他卫星导航系统之间具有良好的兼容与互操作性,目的是促进卫星定位、导航、授时服务在更广泛领域深度应用,推动卫星导航及相关产业全面发展。

目前我国北斗高精度卫星导航系统是国际上唯一具有同步轨道卫星并能支持三个频率工作的系统,它在高精度导航定位方面比GPS等其它卫星导航系统更有优势[13]。经相关测定,目前GPS在东南亚的自主定位精度为10 m左右,而北斗自主定位精度可以达到3 ～ 5 m,说明北斗星座系统在赤道附近是最佳的导航系统。靠近赤道,GPS的覆盖较小,而北斗密集覆盖,北斗定位精度大大优于GPS.所以,在我国尚无星基增强系统(SBAS)提供实时位置改正服务的情况下,对远离大陆、没有固定坐标基准的远海海域,使用北斗系统导航定位是很好的选择。

2　卫星导航系统在海洋工程中的应用

随着卫星导航技术的快速发展,现在已经广泛地应用于各个领域,如为船舶、汽车飞机等动物体进行定位导航;为电力、邮电、通讯等网络提供时间同步;另外卫星导航技术广泛应用于高精度测量，特别是在海洋工程方面的应用也开始深入。

2.1水下测量/定位

探测和定位组成了水下地形测量两方面,构成了水下地形测量的两大主题。在水下定位主要有全站仪定位、经纬仪定位、天文定位、物理测距定位、GPS 定位等方法。目前,全站仪定位和GPS 定位是用得最为广泛的两种方法。全站仪测量定位具有一定的局限性,它仅适用于港口及沿岸。而GPS定位具有全天候、全覆盖、高精度的特点,尤其是RTK 的定位精度已达厘米级,已经广泛应用于水下定位。

使用GPS测量水下地形,需要将GPS坐标传递到测深仪换能器。特别是GPS差分技术,它是利用一台接收机固定在已知的基准点上,其他的接收机在运动载体上,作为流动站,同时观测卫星,不仅提高了精度而且加快了速度,可保证全天候作业。

近年来,GPS技术的广泛应用在对传统水下定位技术的发展上发挥了巨大的作用。目前海洋技术研究的重点问题是利用GPS技术对水下运动目标进行精确定位。在这一领域我国的北斗系统虽然和GPS还有一定的差距,但随着北斗系统的快速发展,尤其是基于海洋开发和维护我国海洋主权的问题上,应加快部署我国的北斗系统。

2.2海上定位

海上定位通常指在海上确定船位的工作。为了获得较好的海上定位精度,采用GPS接收机与船上的导航设备组合起来进行定位。例如,在GPS伪距法定位的同时,用船上的计程仪(或多普勒声纳)、陀螺仪的观测值联合推求船位。

对于近海海域,还可采用在岸上或岛屿上设立基准站,采用差分技术或动态相对定位技术进行高精度海上定位。如果一个基准站能覆盖150 km范围,那么在我国沿海只需设立三到四个基准站便可在近海海域进行高精度海上定位。经多年研究,不断成熟的广域差分技术(WASGPS),可以实现在一个国家或几个国家范围内的广大区域进行差分定位[5]。2000年之后,将利用建成的纯民间系统GNSS进行全球范围内的导航定位。

我国北斗系统近些年在海上定位方面取得了骄人的成绩。由交通运输部北海航海保障中心建设完成的,我国首个自主研发的沿海北斗连续运行参考站系统——“北方海区3D高精度定位渤海湾示范系统”已经投入运行。这标志着我国海上定位系统首次进入“厘米时代”,将为船舶安全航行、海道测量、海洋资源勘探等提供更加精准的三维(3D)定位服务。

这套系统由参考站网、控制中心、数据中心、用户终端、通信网络共5个子系统组成,其中,参考站网由建设在京唐港、天津港和东营港的3个北斗连续运行参考站组成。系统全部采用我国自主研制的接收机、北斗高精度定位定轨处理软件等具有完全自主知识产权的软硬件设备,彻底改变了我国沿海导航定位完全依赖国外技术的现状[6]。经严格测试,这套系统定位精度达到平面优于3 cm,垂直优于4 cm,有效覆盖范围为离岸83 km,可以在任何天气条件下,向渤海湾地区水上航行的船舶提供实时厘米级定位和分米级导航服务,并能获得高精度的高程信息,为深吃水船舶乘潮进出港提供安全保障。

目前,北斗卫星导航系统对外提供的定位导航服务采用二维技术,精度在10 m左右,基本能够满足船舶在海上航行的需要,但超大型船舶进出港或多艘船舶同时作业时,其定位精度稍显不够。

2.3海洋观测

目前国际上正在应用的重要对地观测手段主要是基于GPS连续运行观测站,用于地壳运动检测、空间基准维持、地球动力学研究、大气和海面监测等方面。

1) 提供潮汐观测站站址的周、月、年变化率,监测海平面实际变化

GPS业务化观测,将提供沿海海洋站站址水平和垂直的周、月、年变化率,结合潮汐测数据,能够准确地揭示沿海海平面的真实变化。目前我国监测海平面变化以验潮资料为主,辅以卫星测高资料。通过增加GPS连续运行观测站,在海面变化监测中有三大优势: ① 将沿海海洋站资料纳入统一的参考框架中,综合分析区域性海面的整体变化趋势。 ② 分离验潮站基岩的垂直运动,准确地揭示海面的真实变化规律。 ③ 在沿岸和近海提供厘米级的定位服务,标定TOPEX/Poseidon等测高卫星的系统性差异。结合验潮站潮汐和水文气象资料,准确反映海平面的变化[6]。

2) 及时提供沿海大气水汽含量变化信息,为海洋气象预报服务

GPS数据处理中心每15 min能提供一次水汽变化信息以及沿海各海洋站上空水汽含量数据,这对灾害海洋天气的监测和预报非常有益。目前,短期预报的准确性受制于初始水汽场,通过沿海GPS连续观测站的建设,具有如下作用: ① 增加了实时水汽含量观测值,提供了新的海洋环境信息。 ② 基于海洋站观测到的水汽变化信息,能准确地预报、监测和掌握灾害性天气的发生、发展和演化。 ③ 为海洋气象预报实时提供初始的水汽场,以提高预报的准确度[7]。

3) 在线提供空间位置基准,为海岸带和近海海洋调查服务

在海洋站上增设的GPS连续运行观测站,构成了海洋的空间基准,能够为近海调查提供精密定位服务,也为海岛调查提供统一基准,同时也为国内外海洋划界等勘测提供全球统一的参考框架。为海底和近岸地震等灾害的监测和预报提供定量依据。由于地震与地壳运动有这密切的关系,地壳运动的监测一直是地震预测预报的研究的重要手段和依据。在沿海地区增设GPS连续运行观测站,能够高精度、实时、连续地获取板块间相互作用引起的地壳运动[8]。

目前我国的北斗导航系统在海洋观测方面主要用于海洋气象和海洋灾害的探测。利用北斗导航定位系统可定量遥感水汽和电离层电子浓度,可以提高暴雨暴雪的预报能力和增强近海大风大雾的预报和服务能力。基于北斗导航卫星的大气、海洋和空间监测预警应用,将通过对台风结构的探测提高台风路径的预报能力,探测水汽输送,通过岸基探测海风海浪,增强近海天气预报的精度。通过卫星探测手段的提升,提高对关键气象灾害的预报能力。

在北斗导航卫星的技术支持下,近年来我国在气象灾害预报和防灾减灾能力有了较大的提高,在奥运国庆等重大气象保障中发挥了重要作用。我国是世界上自然灾害最严重的国家之一,气象灾害就占70%以上,增强防灾减灾,构筑全方位、全时空、快速反应的气象服务体系,对于保持经济社会持续快速健康发展具有重要意义。

2.4海事应用

卫星导航系统可应用于船只导航、海洋捕捞、海运跟踪、海上事故搜救、海洋勘探及海属范围划分等许多方面,应该说GPS和北斗导航系统在海事方面都有相当成功的应用。比如我国的海洋渔业,经过长年的捕捞,近海的鱼类资源已趋于枯竭,渔民又不愿去深海,因为深海远离陆地,水深浪急,在茫茫深海里找不到方向与位置,有可能不知不觉就进入禁渔区、甚至越过国界,遇险时搜救很困难等等[9]。因此,利用卫星定位导航监控系统,能随时获知渔船方位,引导渔船进入深海作业,对遇险船只准确搜救,及时警告越界或进入禁区的渔船等,为海洋捕鱼作业带来了革命性的转变。

我国的北斗导航系统可以为渔业管理部门提供船位监控、紧急救援、政策发布、渔船出入港管理服务等;向海上渔船提供导航定位、遇险求救、航海通告、增值信息(如天气、海浪、渔市行情)等服务[10];相较于GPS,北斗独特的短消息功能能使得船与船、船与岸之间进行消息互通等。渔政执法船能同时安装北斗增强监测接收机、普通型北斗海洋渔业船载终端等设备,海上渔船安装普通型北斗海洋渔业船载终端,组成移动指挥管理系统,实现渔政执法船在海上航行执法下移动指挥管理。通过北斗增强监测接收机可实时接收远近距离安装有北斗海洋渔业船载终端设备的渔船的位置、紧急报警信息,实现紧急情况下的遇险搜救及联络。

北斗卫星导航通信技术在渔业领域的应用,使渔民可获得天气、海浪、赤潮、鱼汛、渔市价格等增值信息,并迅速发布渔获物的信息,提高生产效率,降低交易风险,增加渔民收入。渔业经营者能够在最早的时间内获得捕捞信息,缩短交易时间,降低交易成本[11]。有效地整合渔业生产、管理和交易信息资源、扩大信息的利用价值,通过高科技手段,为渔业管理部门和渔民提供管理和作业提供决策支持服务,促进海洋渔业生产和交易的集团化和规模化发展。

2.5海上施工

我国正在建设的沿海大中型港口码头、航道和海上人工岛正面临新的问题:远离大陆的人工岛礁建设需要的高精度定位问题和建设监控信息,如何能够高效、费用低廉?茫茫大海中的跨海大桥,如何高精度定位?如何实时监控?离岸航道疏浚,如何保证潮位控制、测量数据及时更新?如何保证施工精度?在政治敏感区域,如何保障我们的信息安全?

海洋土木工程投资大、风险高、重型装备使用量大、技术和管理难度大,工作环境远离陆地、地质复杂、工况恶劣、腐蚀严重,甚至涉及敏感地区[12]。拥有自主技术的高精度卫星导航定位、图文信息传输技术是实施海洋工程必备的技术保障手段。通过北斗系统的RDSS和RNSS双重技术体系与兼容GPS等系统的多模集成应用,并与其他无线数传技术互补,不仅可实现全海域的无线数传服务,而且能够实现海洋工程船舶厘米级的精准定位服务。基于北斗系统的海洋土木工程的信息化建设,是提升海洋土木工程项目整体水平的突破点。

我们的目标是研制智能位置服务平台及其终端设备,建立船岸数据通信协议,实现标准化接入、自动数据交换,与其他数传方式互补,实现无缝连接,水平定位以北斗系统逐步兼容、替代GPS,开发可视化三维船舶监控、施工效果优化分析调度系统,满足用户远程监控与报警和远程故障诊断需求,开拓北斗系统在工程船舶海洋工程中应用新领域[13]。

3　结束语

卫星导航系统在海洋工程领域的广泛应用,推动了海洋科技的进步并且带动了海洋经济的高速发展,使得人类对于海洋的探索和利用更加地深入。今年我国成功发射了第五颗新一代北斗导航卫星,北斗导航从区域卫星导航系统向全球卫星导航体系正式迈进,随着我国北斗卫星导航系统的不断发展,在国家卫星导航科技专项和相关政策推动下,我国北斗系统在海洋工程的应用将更上新台阶。

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Application of Satellite Navigation System for Ocean Engineering

ZOU Wei,WANG Shiming

(SchoolofEngineering,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

This paper systematically discusses the composition of GPS and Beidou satellite navigation system, discusses and explores the GPS satellite navigation system in marine engineering about underwater survey/positioning, offshore positioning, ocean observations, maritime applications and offshore construction, obtains Beidou system playing an important role in the development of China's marine engineering, it points out the shortcomings of the BeiDou system in the marine engineering applications compared with GPS.

GPS; BeiDou navigation system; ocean engineering

2016-03-04

国家海洋可再生能源专项资金项目(编号:SHME2013JS01); 上海交通大学海洋工程国家重点实验室青年基金资助项目(编号:1303); 上海海洋大学科技发展专项基金资助项目(编号:1416)

P752

A

1008-9268(2016)03-0121-05

邹伟(1989-),男,硕士生,主要研究方向为海洋新能源装备。

王世明(1964-),男,博士,教授。主要研究方向为车辆和海洋工程的先进设计制造及智能控制。

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.03.026

联系人： 邹伟 E-mail: zouwei0302@163.com