MarineSTAR星站差分定位技术在水深测量中的应用

李 江,叶土兵

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司,上海 200032)

MarineSTAR星站差分GPS技术是近几年逐渐兴起的一项新兴的GPS技术，它保留了传统的RTK(real time kinematic)测量的高精度定位，不受时间和气候的限制，不需要在地面架设基准站[1]，它通过接收天上卫星基准站——海事卫星(高度3万多公里)发送的差分数据来精确定位，因为节省了人力、物力和时间等成本，还提高了外业工作效率，所以越来越受到用户的重视和应用。

1 项目背景

项目位于巴布亚新几内亚科考瑞，此地为入海口三角洲地带，拟建新科考瑞港位于该地区一条河流的上游，需要测量从入海口到上游拟建港区位置约39 km的进港航道水深。测区除了河道就是茂密的热带雨林，雨林里有蟒蛇和毒蛇，河道沿岸人烟稀少，经常有鳄鱼出现，而且地势较低，高潮时地面都被海水淹没，地表面都是较软的淤泥质土，现场自然环境非常恶劣。

水深测量的常规方法是在岸上架设基准站、船上安装测深仪和流动站。采用常规方法，基准站需要等待潮水退去架设，潮水上涨拆除，需要留人留船看守。水深测量要等基准站架设好后才能进行。国内现在较普遍使用的CORS系统(Continuous Operational Reference System)[2]在该国还没有建立。当地自然环境恶劣且治安环境差，存在很大的安全隐患，采用常规方法，成本高、工期难以保证。根据经验和踏勘比选，采用星站差分技术来定位，能满足本项目水深测量定位的精度要求，也能避免上述不利因素。

2 MarineSTAR星站差分定位系统介绍

常见的星站差分服务有4种——VeriPos、Starfire、OmniStar、MarineSTAR。Veripos系统由英国Subsea7公司建立[3]；Starfire系统为美国航空航天局下属的喷气动力实验室和美国NAVCOM公司联合创建[4]；OmniStar系统原属荷兰FUGRO公司运营，于2011年3月出售给Trimble公司运营，仅限全球76°N～76°S范围内陆地区域使用[5]；MarineSTAR系统是荷兰FUGRO公司另一项覆盖全球的高精度GPS增强系统，在全球76°N～76°S范围内海域和陆地区域都可使用。在本次水深测量中使用的定位仪器是开通了MarineSTAR星站差分服务的Trimble SPS986 GNSS智能接收机，开通的是G2+(GPS+GLONASS+北斗等)的服务。

2.1 MarineSTAR星站差分定位原理

在通过卫星提供增强的GPS数据方面，MarineSTAR为世界市场的领先者。MarineSTAR星站差分系统有5个部分：参考站、数据处理中心、注入站、海事卫星(inmarsat)、用户站，见图1。参考站共有70个，均为双频GPS接收机，分布在世界各地，24 h连续作业采集GPS卫星信息，并实时向数据中心发送。数据处理中心接收参考站的数据，经过分析计算得到GPS卫星轨道改正数和钟差改正数，并将其发送至卫星信号上传系统(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海事卫星，海事卫星再将差分改正数据广播给用户，从而完成地面与卫星的信息交换[6-7]。

图1 星站差分结构原理

2.2 MarineSTAR星站差分技术指标和特点

1)MarineSTAR提供多种GPS差分等级的服务：VBSHPXPG2G4G2+G4+。VBS 是一个亚米级的服务；XP服务提供短期几英寸和长期重复性优于20 cm(95% CEP)的精度,它稍微比HP精度低，它是全世界范围内可用；HP服务在2σ(95%)的置信度下的水平位置偏差小于10 cm，3σ(99%)的水平位置偏差小于15 cm，在某些国家没有HP服务。G2和G4服务的定位精度与HP的精度基本相同，G2+和G4+的定位精度高于HP。用户在购买具有MarineSTAR功能的GPS接收机后，可向MarineSTAR的服务商交纳服务费用，申请开通相应服务。目前在中国地区可支持VBSHPXPG2G4G2+G4+的服务。按照现行 JTS 131—2012《水运工程测量规范》[8]，XP和HP的精度能够满足大比例尺水深测量的定位精度要求。

2)目前，在MarineSTAR信号覆盖范围内，星站差分GPS初始化成功后，平面和高程的定位精度可小于15 cm(CEP)，而且随着时间的增长其定位精度可收敛至5 cm以内。

3)MarineSTAR星站差分系统在全球范围内提供GPS差分信号发布服务，它提供了独一无二的可靠性和空前的精度，改正信号通过海事卫星进行传播，无须建立当地的基准站或后处理，在76°N～76°S的任何地球表面，都能提供同样的精度。因为它的基站是天上的卫星，所有星站差分系统又被称为“天际增强系统”和“天上的RTK基准站”。

4)GPS系统具有以下主要误差源:卫星轨道误差、卫星时钟误差、电离层延迟误差、对流层误差、多路径效应、固体潮、接收机时钟误差、接收机跳变。消除误差的方式可以分为两大类，即差分GPS(DGPS)和全球星际增强系统(GSBAS,global satellite-based augmentation system)。后者将每颗GPS卫星的误差源都作为独立变量解算。最主要的GPS卫星轨道误差和时钟误差通过遍布全球的双频接收机观测网来跟踪并解算，解算结果再使用海事卫星数据链直接发送到MarineSTAR接收机用户，所以不需要地面基准站，对测量范围没限制，可以是全球任何位置。

5)用户站有两部分组成，双频GPS接收机和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，L波段的接收器接收L波段的海事卫星播发的改正数据。

6)通常情况下设备开机到平面和高程精度收敛达到0.1 m以内，需要15～25 min，收敛达到0.05 m以内，需要25～40 min。 收敛时间与所处环境有关。一般在1 d内，第一次开机收敛较慢，之后若因失锁等原因中断再收敛就很快，收敛到0.1 m以内需5～10 min。

7)GPS接收机带有wifi装置，可以接收和发射，在水深测量时，可以不用串口线，而直接用wifi进行数据通讯。

8)星站差分内置高频电台，具有超过50%的信噪比优势，并结合了干涉抑制、多路径效应缓解和高测量精度等技术，可以避免与外界无线电信号产生冲突，抗干扰性能强。

9)星站差分定位系统通过6颗高功率海事卫星和1颗低功率卫星发布信息。采用7颗海事卫星进行信号广播，其中4颗高频的、3颗低频的，为用户提供高精度的数据备份。

3 水深测量应用实例

巴布亚新几内亚新科考瑞港项目39 km长的航道水深测量，河道两岸恶劣的环境难以依托，运用MarineSTAR星站差分定位技术进行三维水深测量，这也是首次在国外使用，需要将国内积累的使用经验在国外进行验证。

3.1 控制测量

根据现场了解的情况，测区和测区附近都没有控制点资料，需要自己建立坐标系统和高程系统。控制点埋设在测区附近村庄中地势相对高的地方，按照E级网的要求进行了观测平差，建立了UTM坐标系和独立坐标系。

3.2 求解坐标转换参数

静态测量平差的WGS 84大地坐标与MarineSTAR星站差分定位得出的大地坐标属于两个框架，差异在米级以上，为了将两个框架里的大地坐标统一到一个框架下，需要到控制点上采集MarineSTAR框架下的大地坐标，采集时，选取3个控制点，在每个控制点上用三脚架架设GPS，平面和高程精度收敛到0.1 m以内后，每隔5 min记录1个大地坐标和大地高，连续测量1 h，条件允许可分上午和下午各测1次或隔日再测1次，取平均值作为各个控制点的已知坐标，选用1～2个点求解平差的大地坐标转换到以MarineSTAR模式测量的大地坐标的三参数，将两套坐标统一到MarineSTAR框架里，再求解大地坐标与平面坐标间的七参数，将七参数输入到仪器里，与未参与求解三参数和七参数的控制点进行比对，比对结果见表1。从表1可以看出，平面精度及高程精度都符合系统的精度指标。

表1 MarineSTAR模式定位比对

3.3 水深测量

水深测量是以MarineSTAR模式定位，实时测出测点坐标和水面高程，定位数据采用wifi无线传输到电脑，测深仪同步测量水深，水深数据用串口线进行传输，由HydroSurvey水深测量软件将定位数据和水深数据融合在一起，再进行后处理。另外使用RTK定位模式抽样测量了一部分水深，通过重合点统计，水深点高程中误差为0.15 m，符合现行规范的要求。

4 结语

1)MarineSTAR星站差分的平面高程定位精度能够满足大比例尺水深测量的要求。

2)MarineSTAR星站差分定位精度高，精度均匀，无须逐级控制。摆脱了传统GPS RTK对离岸作业距离的限制，非常适用于国外、远离基站和中国海岸信标台以及没有CORS信号的测量项目。

3)MarineSTAR星站差分系统与常规的GPS RTK工作模式比较，更加灵活，不需要在地面架设基准站，不受与基站距离的限制，只需要一台流动站就可以作业，可以提高工作效率30%以上，星站差分系统在水深测量方面应用前景会越来越广泛。

4)MarineSTAR星站差分在本次境外水深测量项目中使用，无须架设和拆收基准站，节省了每天潮水涨落的等待时间，测量船直接开到测区工作，当天结束直接开回，节省了人力物力和时间，极大地提高了外业的工作效率，又避免了许多安全隐患，一举多得。

5)MarineSTAR星站差分GPS仪器适用于水上、山区、沙漠等野外开阔地带，在有树木和建筑物遮挡的区域不宜使用。

6)MarineSTAR星站差分可用于潮位观测。