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        GNSS 移動(dòng)基站技術(shù)在水運(yùn)工程中的應(yīng)用

        2023-12-27 17:19:58汪波吳彬
        中國(guó)港灣建設(shè) 2023年12期
        關(guān)鍵詞:流動(dòng)站差分基站

        汪波,吳彬

        (上海達(dá)華測(cè)繪科技有限公司,上海 201208)

        0 引言

        水運(yùn)工程中施工車輛及船舶對(duì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位的精度要求較高,主要采用RTK 和星站差分等定位方式[1]。RTK 定位的基站一般固定架設(shè)在近岸,受限于差分信號(hào)傳播距離,其使用范圍較??;星站差分無需架設(shè)基站,不受離岸距離限制,廣泛應(yīng)用于水運(yùn)工程建設(shè)領(lǐng)域[2-3]。典型的星站差分服務(wù)有Navcom 公司的StarFire、Fugro 公司的StarFix、Hexagon 公司的TerraStar、天寶公司的OmniSTAR和RTX 等,我國(guó)合眾思?jí)蜒邪l(fā)的星站差分服務(wù)“中國(guó)精度”打破了國(guó)外技術(shù)壟斷,提供最高精度優(yōu)于4 cm RMS[4-5]。星站差分操作方便,但服務(wù)費(fèi)用昂貴,特別是水運(yùn)工程中多輛施工車和多艘施工船舶集群作業(yè)時(shí),若每輛車和每艘船均開通星站差分服務(wù),單個(gè)工程區(qū)的總體服務(wù)費(fèi)較高。

        GNSS 移動(dòng)基站通過接收GNSS 信號(hào)和L-Band等通信衛(wèi)星播發(fā)的星站差分改正數(shù),實(shí)時(shí)進(jìn)行星站差分定位,獲得全球參考框架下的絕對(duì)坐標(biāo)[6-7];同時(shí),GNSS 移動(dòng)基站通過外掛電臺(tái)及時(shí)向外廣播其GNSS 觀測(cè)值和絕對(duì)坐標(biāo)等RTK 差分?jǐn)?shù)據(jù)。在移動(dòng)基站附近作業(yè)的流動(dòng)站,通過接收GNSS 信號(hào)和移動(dòng)基站播發(fā)的差分?jǐn)?shù)據(jù)以進(jìn)行RTK 定位[8]。GNSS 移動(dòng)基站同時(shí)作為星站差分流動(dòng)站和RTK基站,融合了星站差分和RTK 定位方式,其基本原理如圖1,將其應(yīng)用于水運(yùn)工程中的實(shí)際效果有待研究。結(jié)合水運(yùn)工程環(huán)境特點(diǎn),設(shè)計(jì)針對(duì)性試驗(yàn),充分評(píng)估GNSS 移動(dòng)基站應(yīng)用于水運(yùn)工程中的RTK 流動(dòng)站定位精度及定位定向穩(wěn)定性。

        圖1 GNSS 移動(dòng)基站技術(shù)應(yīng)用于水運(yùn)工程的基本原理Fig.1 Basic principle of GNSS mobile base station technology applied in port and waterway engineering

        1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        試驗(yàn)場(chǎng)景選擇:選取長(zhǎng)江口區(qū)域的水運(yùn)工程建設(shè)項(xiàng)目,位于上海橫沙島東部海陸連接區(qū)域,臨近長(zhǎng)江深水航道,具有典型的水運(yùn)工程環(huán)境特征;工程區(qū)附近具有1 個(gè)CORS 站,可作為位置基準(zhǔn),供參考數(shù)據(jù)處理使用。

        試驗(yàn)距離限制:考慮移動(dòng)基站播發(fā)的RTK 信號(hào)覆蓋范圍有限,移動(dòng)基站與RTK 流動(dòng)站之間最遠(yuǎn)相對(duì)距離設(shè)定在20 km 左右。

        承載方式:選擇機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)的車載運(yùn)動(dòng)模式,車速穩(wěn)定控制在20~30 km/h,模擬船舶航行速度;運(yùn)動(dòng)路徑選擇地勢(shì)開闊路段,避開大功率電磁設(shè)備、高壓線、建筑遮擋物等。移動(dòng)基站與流動(dòng)站天線架設(shè)高度均保持在2 m 左右。

        實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模式:結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)情況,測(cè)試移動(dòng)基站與流動(dòng)站同步運(yùn)動(dòng)、移動(dòng)基站靜止與流動(dòng)站運(yùn)動(dòng)、移動(dòng)基站運(yùn)動(dòng)和流動(dòng)站靜止等3 種模式下的流動(dòng)站定位狀態(tài)。

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄:共使用A、B、C 三臺(tái)GNSS接收機(jī)。設(shè)定接收機(jī)A 為移動(dòng)基站,進(jìn)行星站差分定位并向外播發(fā)RTK 差分?jǐn)?shù)據(jù);設(shè)定接收機(jī)B和接收機(jī)C 為RTK 流動(dòng)站;移動(dòng)基站A、流動(dòng)站B、流動(dòng)站C 同步記錄1 s 采樣率的GNSS 靜態(tài)數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)輸出1 Hz NEMA-0183GGA 格式的RTK結(jié)果。

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理:以工程區(qū)附近的CORS 站為參考站,處理流動(dòng)站B、C 記錄的靜態(tài)數(shù)據(jù),計(jì)算其1 s 采樣率的PPK 結(jié)果;將流動(dòng)站B、C 的PPK 結(jié)果和NEMA-0183GGA 格式的RTK 結(jié)果進(jìn)行投影變換,通過橫軸墨卡托投影(中央子午線123°)轉(zhuǎn)換為N、E、H 格式。

        精度統(tǒng)計(jì)及評(píng)定:將單臺(tái)流動(dòng)站(B)的RTK結(jié)果與PPK 結(jié)果作差處理,統(tǒng)計(jì)其北方向偏差為ΔN、東方向偏差為ΔE、高程方向偏差為ΔH,分析三維方向收斂時(shí)間和收斂后的穩(wěn)定性;統(tǒng)計(jì)收斂后20 min 內(nèi)的固定解三維方向偏差均方根(RMS)以評(píng)定精度。

        零基線測(cè)試與統(tǒng)計(jì):分析2 臺(tái)RTK 流動(dòng)站(B和C)的定向精度,采用功分器分流同一GNSS 接收機(jī)天線信號(hào),兩站基線理論長(zhǎng)度為0 m;對(duì)2個(gè)流動(dòng)站同步定位結(jié)果作差處理,統(tǒng)計(jì)同步定位偏差以分析2 個(gè)流動(dòng)站零基線穩(wěn)定性。

        2 流動(dòng)站實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位性能分析

        2.1 流動(dòng)站實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位分析

        統(tǒng)計(jì)單臺(tái)RTK 流動(dòng)站的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位中的N、E、H 等方向的偏差并繪圖分析。

        2.1.1 移動(dòng)基站-流動(dòng)站同步運(yùn)動(dòng)模式

        圖2 為移動(dòng)基站運(yùn)動(dòng)時(shí)流動(dòng)站的動(dòng)態(tài)定位情況,N、E 方向開始定位持續(xù)約2.5 min 趨向收斂,N 方向收斂后偏差基本保持在4 cm 內(nèi)浮動(dòng),N 方向收斂后偏差RMS 為0.9 cm;E 方向收斂后偏差基本保持在6 cm 內(nèi)浮動(dòng),收斂后E 方向偏差RMS 為1.0 cm;H 方向開始定位持續(xù)約3.5 min 趨向收斂,H 方向收斂后偏差基本保持在15 cm 內(nèi)浮動(dòng),H 方向收斂后偏差RMS 為2.7 cm。流動(dòng)站收斂后出現(xiàn)5 處無定位解。

        圖2 移動(dòng)基站運(yùn)動(dòng)時(shí)流動(dòng)站動(dòng)態(tài)定位Fig.2 The dynamic positioning of rover station when mobile base station is kinetic

        2.1.2 移動(dòng)基站靜止-流動(dòng)站運(yùn)動(dòng)模式

        圖3 為移動(dòng)基站靜止時(shí)流動(dòng)站動(dòng)態(tài)定位情況,N 方向開始定位持續(xù)約3 min 趨向收斂,N 方向收斂后偏差基本保持在5 cm 內(nèi)浮動(dòng),N 方向收斂后偏差RMS 為0.4 cm;E 方向開始定位持續(xù)約2 min趨向收斂,E 方向收斂后偏差基本保持在5 cm 內(nèi)浮動(dòng),E 方向收斂后偏差RMS 為0.8 cm;H 方向開始定位持續(xù)約3 min 趨向收斂,H 方向收斂后偏差基本保持在15 cm 內(nèi)浮動(dòng),H 方向收斂后偏差RMS 為2.5cm。流動(dòng)站收斂后出現(xiàn)1 處無定位解。

        圖3 移動(dòng)基站靜止時(shí)流動(dòng)站動(dòng)態(tài)定位Fig.3 The dynamic positioning of rover station when mobile base station is static

        2.1.3 移動(dòng)基站運(yùn)動(dòng)-流動(dòng)站靜止模式

        圖4 為移動(dòng)基站運(yùn)動(dòng)時(shí)流動(dòng)站靜止定位情況,N、E、H 方向開始定位持續(xù)約2 min 趨向收斂,N、E 方向收斂后偏差均基本保持在6 cm 內(nèi)浮動(dòng),N、E 方向收斂后偏差RMS 均為1.0 cm;H 方向收斂后偏差基本保持在15 cm 內(nèi)浮動(dòng),H 方向收斂后偏差RMS 為2.0 cm。

        圖4 移動(dòng)基站運(yùn)動(dòng)時(shí)流動(dòng)站靜止定位Fig.4 The static positioning of rover station when mobile base station is kinetic

        基于實(shí)時(shí)星站差分定位的移動(dòng)基站播發(fā)RTK差分信號(hào),RTK 流動(dòng)站定位與同步PPK 定位存在近似系統(tǒng)偏差,考慮為參考框架及參考?xì)v元不同所致。RTK 流動(dòng)站的N、E 方向3 min 內(nèi)可實(shí)現(xiàn)收斂,收斂后基本保持在5 cm 內(nèi)浮動(dòng),N、E 方向收斂后偏差RMS 不超過1.0 cm;H 方向4 min 內(nèi)可實(shí)現(xiàn)收斂,收斂后基本保持在15 cm 內(nèi)浮動(dòng),H方向收斂后偏差RMS 不超過3.0 cm。

        2.2 流動(dòng)站實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位影響因素

        針對(duì)移動(dòng)基站-流動(dòng)站同步運(yùn)動(dòng)、移動(dòng)基站靜止-流動(dòng)站運(yùn)動(dòng)兩種模式下出現(xiàn)的無定位解現(xiàn)象,考慮距離與高差等變化因素對(duì)電磁波傳播路徑的影響,分析移動(dòng)基站與流動(dòng)站相對(duì)距離、相對(duì)高差等變化與流動(dòng)站動(dòng)態(tài)定位狀態(tài)的相關(guān)性,采用PPK 結(jié)果計(jì)算相對(duì)距離與相對(duì)高差。

        1)相對(duì)距離變化影響

        圖5 為移動(dòng)基站與流動(dòng)站同步運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的相對(duì)距離變化與流動(dòng)站定位狀態(tài),相對(duì)距離由遠(yuǎn)及近運(yùn)動(dòng)過程中,定位解缺失和單點(diǎn)解現(xiàn)象較多集中在相對(duì)距離15 km 以上的過程,15 km 以下偶見6 處無定位解。

        圖5 同步運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的相對(duì)距離變化與定位狀態(tài)Fig.5 The relative distance and the positioning state when mobile base station and rover station move synchronously

        圖6 為移動(dòng)基站靜止與流動(dòng)站運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的相對(duì)距離變化與流動(dòng)站定位狀態(tài),由圖中可以看出,根據(jù)PPK 結(jié)果計(jì)算可知相對(duì)距離逐漸由遠(yuǎn)及近運(yùn)動(dòng)過程中,02:12 左右(約13 km)集中出現(xiàn)無定位解和單點(diǎn)解現(xiàn)象,其他區(qū)段(約9.5 km)偶見1處無定位解。

        圖6 移動(dòng)基站靜止、流動(dòng)站運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的相對(duì)距離變化與定位狀態(tài)Fig.6 The relative distance and the positioning state when mobile base station is static and rover station is kinetic

        2)相對(duì)高差變化影響

        圖7 為移動(dòng)基站與流動(dòng)站同步運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的相對(duì)高差變化與流動(dòng)站定位狀態(tài),移動(dòng)基站相對(duì)流動(dòng)站的高差變化整體較平穩(wěn),06:00 出現(xiàn)1 處突然升高,并未造成顯著的GNSS 無定位解及單點(diǎn)解現(xiàn)象。

        圖7 移動(dòng)基站與流動(dòng)站同步運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的相對(duì)高差變化與定位狀態(tài)Fig.7 The height difference and the positioning state when mobile base station and rover station move synchronously

        圖8 為移動(dòng)基站靜止與流動(dòng)站運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的相對(duì)高差變化與流動(dòng)站定位狀態(tài),移動(dòng)基站相對(duì)流動(dòng)站高差變化整體較平穩(wěn),在02:10—02:13 出現(xiàn)2 處突然下降,均出現(xiàn)GNSS 無定位解現(xiàn)象,其中第2 次下降幅度較大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且伴隨單點(diǎn)解現(xiàn)象。

        圖8 移動(dòng)基站靜止、流動(dòng)站運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的相對(duì)高差變化與定位狀態(tài)Fig.8 The height difference and the positioning state when mobile base station is static and rover station is kinetic

        基于實(shí)時(shí)星站差分定位的移動(dòng)基站播發(fā)RTK差分信號(hào),RTK 流動(dòng)站動(dòng)態(tài)定位過程中偶見無定位解和單點(diǎn)解現(xiàn)象,移動(dòng)基站相對(duì)流動(dòng)站距離變化在15 km 以上時(shí),出現(xiàn)定位不佳的概率較大;移動(dòng)基站相對(duì)流動(dòng)站高差突然升高時(shí)對(duì)流動(dòng)站定位無影響,移動(dòng)基站相對(duì)流動(dòng)站高差突然降低時(shí)對(duì)流動(dòng)站定位影響較大,流動(dòng)站出現(xiàn)定位不佳的概率較大。

        3 流動(dòng)站零基線(定向)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析

        施工車輛及船舶在實(shí)際作業(yè)過程中,經(jīng)常會(huì)配備多臺(tái)GNSS 差分定位設(shè)備,完成定位定向以輔助施工。統(tǒng)計(jì)2 個(gè)流動(dòng)站同步定位差值并繪圖分析。

        3.1 移動(dòng)基站-流動(dòng)站同步運(yùn)動(dòng)模式

        圖9 為移動(dòng)基站運(yùn)動(dòng)時(shí)2 個(gè)流動(dòng)站動(dòng)態(tài)定位差,N、E 方向定位差值基本保持在毫米級(jí),N、E 方向在01:42、01:45 出現(xiàn)小幅度波動(dòng),振幅不超過±0.8 cm,N、E 方向整過程定位較穩(wěn)定;2 個(gè)流動(dòng)站H 方向定位差值基本保持在±1.5 cm 以內(nèi)浮動(dòng)。

        圖9 移動(dòng)基站運(yùn)動(dòng)時(shí)2 個(gè)流動(dòng)站動(dòng)態(tài)定位差Fig.9 The dynamic positioning difference between two rover stations when mobile base station is kinetic

        3.2 移動(dòng)基站靜止-流動(dòng)站運(yùn)動(dòng)模式

        圖10 為移動(dòng)基站靜止時(shí)2 個(gè)流動(dòng)站動(dòng)態(tài)定位差,開始定位出現(xiàn)跳躍并很快趨于穩(wěn)定,02: 11后出現(xiàn)1 次跳點(diǎn),對(duì)應(yīng)圖8 中的單點(diǎn)解。N、E 方向定位差值基本保持在毫米級(jí),N、E 方向整過程定位較穩(wěn)定;2 個(gè)流動(dòng)站H 方向定位差值基本保持在±1.5 cm 內(nèi)浮動(dòng)。

        圖10 移動(dòng)基站靜止時(shí)2 個(gè)流動(dòng)站動(dòng)態(tài)定位差Fig.10 The dynamic positioning difference between two rover stations when mobile base station is static

        3.3 移動(dòng)基站運(yùn)動(dòng)-流動(dòng)站靜止模式

        圖11 為移動(dòng)基站運(yùn)動(dòng)時(shí)2 個(gè)流動(dòng)站靜止定位差,N、E 方向定位差值基本保持在毫米級(jí),N、E 方向整過程定位較穩(wěn)定;2 個(gè)流動(dòng)站H 方向定位差值基本保持在±1.5 cm 內(nèi)浮動(dòng)。

        圖11 移動(dòng)基站運(yùn)動(dòng)時(shí)2 個(gè)流動(dòng)站靜止定位差Fig.11 The static positioning difference between two rover stations when mobile base station is kinetic

        基于實(shí)時(shí)星站差分定位的移動(dòng)基站播發(fā)RTK差分信號(hào),2 個(gè)流動(dòng)站在移動(dòng)基站-流動(dòng)站同步運(yùn)動(dòng)、移動(dòng)基站靜止-流動(dòng)站運(yùn)動(dòng)、移動(dòng)基站運(yùn)動(dòng)-流動(dòng)站靜止3 種模式下的零基線測(cè)試顯示,N、E方向的定位差值基本保持在毫米級(jí),不超過1.0 cm;H 方向的定位差值不超過±1.5 cm,定位系統(tǒng)總體內(nèi)部誤差較小,可提供穩(wěn)定的高精度定位定向服務(wù)。

        4 結(jié)語

        GNSS 移動(dòng)基站應(yīng)用于水運(yùn)工程中,通過試驗(yàn)評(píng)估該作業(yè)模式下RTK 流動(dòng)站的定位性能。與同步PPK 定位比較,RTK 流動(dòng)站的N、E 方向可在3 min 內(nèi)實(shí)現(xiàn)收斂,收斂后20 min 內(nèi)偏差RMS 不超過1.0 cm;H 方向可在4 min 內(nèi)實(shí)現(xiàn)收斂,收斂后20 min 內(nèi)偏差RMS 不超過3.0 cm。移動(dòng)基站與RTK 流動(dòng)站相對(duì)距離在15 km 以上時(shí)出現(xiàn)定位不佳的概率較大;移動(dòng)基站與RTK 流動(dòng)站相對(duì)高差突然降低時(shí)易造成RTK 流動(dòng)站定位不佳。2 個(gè)流動(dòng)站零基線定位的N、E 方向差值保持在毫米級(jí),H 方向差值不超過±1.5 cm,定位定向穩(wěn)定性高。針對(duì)極少數(shù)無定位解或單點(diǎn)解現(xiàn)象,可通過實(shí)時(shí)濾波進(jìn)行處理。GNSS 移動(dòng)基站可實(shí)現(xiàn)其高精度星站差分能力的共享,極大降低車輛及船舶集群作業(yè)的星站差分服務(wù)費(fèi)。本試驗(yàn)采用車載方式,試驗(yàn)環(huán)境局限于臨海陸域;船載通訊設(shè)備多、電磁干擾大,遠(yuǎn)海水域風(fēng)浪條件復(fù)雜,船載及遠(yuǎn)海水域應(yīng)用效果還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

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