导航定位技术及相关应用

导航定位技术及相关应用

在全球一体化和科技快速发展的今天，导航定位技术在日常工作和生活中扮演了愈来愈重要的角色，尤其是在我们石油天然气这个高技术行业，无论在地质信息采集、钻井、平台安装、管道铺设维护等各方面都离不开导航定位。本文对导航定位技术进行了全面的介绍，并列举了在平湖海管检测上的应用实例。

一、导航定位发展的历程及最新技术

最早的导航定位手段有：14世纪前后开始利用指南针（即罗盘）进行定位的地物定位方法，18世纪30-40年代出现的利用六分仪、天文钟进行定位的天文定位方法。传统的地物定位方法现今已成为特殊情况下的补充手段。二十世纪出现了无线电定位仪。经过几十年的发展，无线电导航定位仪进行了如下表所示的演变过程：

常规无线电定位仪有这样一些缺点：覆盖的工作区域小,电波传播受大气影响；定位精度不高，精度只能达到200米甚至上千米。

现在，导航定位技术已进入高精度卫星导航定位时代。目前已开发或正在开发的全球卫星导航定位系统有：美国开发的全球定位系统（Navigation Sateliate Timing and Ranging/Global Positing System，GPS）；为了摆脱对美国GPS的依赖(主要从国家安全利益考虑)，俄罗斯开发了GLONASS（Global Navigation Satellite System）全球导航系统；中国开发了北斗卫星定位系统；欧盟正在加紧开发伽里略卫星导航定位系统( Galileo) （中国也已参与合作开发）。

美国开发的全球定位系统（Navigation Satelite Timing and Ranging/Global Positing System，GPS）可在全球范围内全天候为海上、陆上、空中和空间用户提供连续的、高精度的三维定位、速度和时间信息。GPS 系统包括三大部分：空间卫星系、地面控制系统、接收系统如下图所示：

GPS的工作原理是以三角测量定位原理来进行定位的。它采用多星高轨测距体制，以接

收机至GPS卫星之间的距离作为基本观测量。当地面用户的GPS接收机同时接收到3颗以上卫星的信号后，通过使用伪距测量或载波相位测量，测算出卫星信号到接收机所需要的时间、距离，再结合各卫星所处的位置信息，将卫星至用户的多个等距离球面相交后，即可确定用户的三维（经度、纬度、高度）坐标位置以及速度、时间等相关参数。

美国政府出于自身利益与安全考虑，对GPS实行了精度控制政策，根据不同的使用对象分别提供了两种定位服务。一种为民用的标准定位服务（SPS），利用粗码（C/A码）定位观测。其中美国政府曾在“SPS”中实行了名为“选择可用性（Selective Availability，简称SA）”的误差干扰政策，以降低其定位精度。通常在“SA”开启时，“SPS” 的精度误差高达100m；当“SA”关闭（为了获得更大的商业利益，2000年5月1日美国政府宣布关闭“SA”）时，其误差可降至30m左右。另一种则是提供给军方、某些政府机构以及特许民间用户使用的精密定位服务（PPS），它利用精码（P/Y码）定位，其定位精度可达到10~25m。为了消除上述的误差、获取更高的定位精度，各国纷纷使用了差分GPS技术（DGPS）。差分GPS技术主要分为伪距差分和载波相位差分（RTK）两大类。前者能得到米级定位精度，后者则可使定位精度达到厘米级。这些技术被大量应用于动态和需要高精度位置的领域。

在陆域、空间导航定位技术迅猛发展的同时，水下定位技术也得到了长足的发展，水下定位系统主要有：超短基线定位系统(USBL) 、短基线定位系统(SBL) 、长基线定位系统(LBL) ,及超短基线定位系统与长基线定位系统组合系统(SSBL/ LBL) 和水下全球定位系统(Underwater GPS) ，通过测定水下探测系统相对水面母船的位置,结合水面船只的全球定位数据,就可将水下探测系统的准确位置归算到大地坐标系上。

全球卫星定位技术经过近十年的发展，硬、软件的不断完善，从最早期的近百米（民用）（美国军方使用可达到10米）定位精度到目前的厘米级甚至毫米级精度，其应用上的发展大致可以分为4个阶段（如下图所示）：

图2 GPS定位技术的发展

目前，最为前沿的定位技术主要有两个：

精密单点定位技术PPP（Precise Point Positioning）。即利用预报或事后精密星历(如IGS预报精密星历或IGS事后精密星历)，同时利用某种方式得到的精密卫星钟差替代用户

GPS单点定位方程中的卫星钟差参数，用户利用单台双频GPS接收机的非差相位和伪距观测值在数千万平方公里甚至全球范围内的任意位置进行分米级实时动态定位或事后厘米级快速静态定位。

◆网络RTK技术-VRS(Virtual Reference Station)。就是在一定区域内建立多个（一般为三个或三个以上）基准站，对该地区构成网状覆盖，并以这些基准站中的一个或多个为基准，计算和发播改正信息，对该地区内的卫星定位用户进行实时改正的定位方式，又称为多基准站RTK。与常规（即单基准站）RTK相比；该方法的主要优点：覆盖面广，定位精度高，可靠性高，可实时提供厘米级定位；网络RTK系统的结构如下图所示，包括3个部分：控制中心，固定站和用户部分

图3：RTK网络结构

二、导航定位技术的应用领域

正是由于全球卫星定位系统具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程建设、市政规划、海洋开发、资源勘察、地球动力学等多种学科。目前，导航定位技术已经渗透到国民经济建设、国防建设、科学研究和人民生活等方方面面，主要应用领域有：

◆国家大型测绘项目领域：我国先后于1992年、1996年建立了由28个点组成的国家A级卫星定位控制网和由730个点组成的国家B级卫星定位控制网，首次整合和统一平差后形成了2000个国家卫星定位大地控制网，并于2004年完成与天文大地网的平差，成为我国现代测绘的基本框架。与此同时，建成了连续运行的卫星定位观测站30多个，其中7个纳入国际IGS（地理信息系统）网站，从根本上解决了我国使用参考框架的问题。

◆资源探测领域：在地质调查和找矿工作中，导航定位技术的应用提高了野外地质调查和找矿工作的定位精度和自动化程度。它与GIS、RS（遥感）及计算机等高新技术相结合，为基础地质研究、地质找矿提供了地球化学依据。差分卫星导航定位技术已被用于海洋物探定位和海洋石油钻井平台定位，为发现海底储油构造和实施监测平台的安全可靠性发挥关键