星站差分定位技术在海洋工程中的应用与创新
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【摘 要】 常规岸基近海差分定位技术“中国沿海RBN/DGPS台站”仅仅能够满足亚米级定位需求，在远洋海洋工程通过利用星站差分技术能够实现分米级平面和垂直的精度控制，通过两点或者多点的联测，又可以实现两点测定角度和多点测定平面姿态的应用创新，可以有力地促进国家的海洋开发和建设。
【关键词】 星站差分 海洋工程
1 岸基近海差分定位技术及局限性
目前国内近海项目中一般采用局域差分技术对水面船只进行定位，即通过同时接收美国全球定位系统（GPS）的卫星信号和中国交通部建设的“中国沿海RBN/DGPS台站”提供的免费差分信号，在经过误差修正后获得船只的实际坐标，在近岸区可以获得亚米级精度的平面坐标定位。
局域差分的数据处理是把各种误差的影响综合在一起进行改正，而实际上不同误差对定位的影响特征是不同的，如星历误差对定位的影响是与用户站至参考站间的距离成正比的，而对流层延迟差则主要取决于用户站和参考站之前的气象元素的差别，并不一定与距离成正比。这种影响会随着用户站到参考站距离的增加而增大，最终导致差分定位的精度下降。
在中国海洋石油开发远洋油气资源的过程中，使用岸基局域差分技术的局限性就非常明显。这就需要我们采用全新的定位技术来为中国不断推进的海洋资源开发战略进行服务。
2 星站差分技术
星站差分技术通过在全球建立地面参考站，卫星传输网和全球网络控制中心，能提供全年、每天24小时连续的、非常可靠的高精度全球定位服务。星站差分系统由五部分组成，分别为：参考站、数据处理中心、注入站、地球同步卫星（INMARSAT）、用户站。全球参考站网络是由双频GPS接收机组成的，每时每刻都在接收来自于GPS卫星的信号，参考站获得的数据被送到数据处理中心，经过处理以后生成差分的改正数据，差分改正数据通过数据通讯链路传送到卫星注入站并上传至INMARSAT同步卫星，向全球。
通过向海洋石油工程建设中引入高精度星站差分定位技术，可以实现水面坐标和垂直高程均达到分米级的精度控制。并在此基础上，可以研究出对大型海上设施或者船舶进行精密定向导航及姿态测量的技术。
在海洋石油开发涉及的工程建设中，相关定位工作可以简化为对平面位置（大地坐标）、平面角度（大地方位角）、平面姿态的测量或者监测。为了实现水面坐标和垂直高程均达分米级精度的定位目标，我们向海洋石油工程建设中引入了星站差分定位技术。相比普通的沿岸局域差分，星站差分使用特有的差分处理技术，为GPS卫星群的每一颗卫星提供精确的实时轨道和时钟差分信息，从而能在全球范围内（南北纬72°之间）实现分米级的精度覆盖。并且在精密单点定位基础上，通过两点或者多点的联测，又可以实现两点定方向测平面角度和多点定平面姿态的应用创新（表1）。
在对大型海上结构物安装需检测其某一方向的水平角度或者某一侧面的水平度时，现有常规方法是利用罗经测定角度、利用水平仪等设备测量水平度倾斜度。在实现单点精密定位基础上，我们对上述两种测量需求提出了创新性的解决方式。
对于角度测量需求，当被测物体的单边长度达到数十或数百米时，使用小小的罗经来进行测量往往无法保证罗经艏向与待测角度两者之间完全重合。比如当需要确定某一个100米×100米的结构物某一边的角度时，需要将罗经沿着这一边多次安放测量数值最终计算平均数，并且罗经本身的系统误差会被遗下来。
对于水平度测量需求，当被测物体仍然非常巨大时，或者人工使用水准仪多次进行测量耗时费力，或者使用姿态传感器进行自动测量但又会出现必须在多处位置取值最终取平均数的平差方法，都非常不方便且误差较大。星站差分精密单点定位的实现不仅可以提供平面坐标同时可以提供分米级精度的大地高程测量数据，通过在被测结构物的某一平面上安装三个以上的星站差分接收设备监测其各处的平面坐标和高程，就利用各点之间的垂直高差和水平距离结算整个被监测平面的水平度。
4 星站差分技术实施效果
在2012实施的海上油田开发建设中，我们对大型海上结构物的安装进行常规测量方案和以星站差分技术为基础的全新方案的对比性作业研究。用于石油生产的大型钢制结构物安装中，同时使用了常规的岸基局域差分定位、罗经定向、水平仪测量以及星站差分技术全新方案。其三方面的测量精度都有大幅度提升同时，其稳定性也比普通岸基局域差分定位系统有很大提高。由于其每一个系统都内置一个备份系统，所有的参考站都建有备份接收机、处理和通讯的设备，这些设备能自动的响应来自处理中心的控制信号。即使其中的一个或几个失败，也不会影响差分精度，整个系统的可靠性超过99.99%（表2）。
5 结语
本文中研究的星站差分技术及创新应用将作为核心技术极大的支持国家对远洋海域的开发建设，为建设和守卫蓝色疆土做出重大贡献。