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1、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
2、表所示的演变过程：出现年份1921193519431944195819641993仪器名称无限电测向仪雷达罗兰A台卡罗兰C卫星导航系统全球定位系统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(NavigationSateliateTimingandRanging/GlobalPositingSystem,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(GlobalN
3、avigationSatelliteSystem)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(NavigationSateliteTimingandRanging/GlobalPositingSystem,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用尸系统用户系统收机至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
4、，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（SelectiveAvailability,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，2
5、000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1025m。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
6、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（UnderwaterGPS），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）：精密单点定位技术PPP（PrecisePointPositioning）。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
7、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（VirtualReferenceStation）。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
8、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Interntt丄勺15个参考站图3：近似痕置麻数据RTK网络结构系疑完好性监测观向VRS般务器二、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
9、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
10、油构造和实施监测平台的安全可靠性发挥关键性作用。在土地资源调查中，有关部门成功研制了基于GPS-PDA的被称为“调查之星”的土地资源信息采集与处理技术系统，土地资源调查工作实现了质的飞跃。大坝、桥梁、高层建筑等变形监测领域：在三峡工程等大坝变形检测中，卫星导航定位监测精度达到了毫米级。在滑坡检测时，卫星导航定位测量比常规的外观测量在精度、监测速度、时效性、效益等方面都有明显的优势。在监测和控制地面沉降方面得到了广泛应用，上海市由于在世界上率先建立了包括卫星定位系统在内的健全的地面沉降监测网络，监测和控制地面沉降工作取得了举世瞩目的成绩。 自然灾害的监测、预报和防治方面：测绘、地震、中科院等部门
11、基于卫星定位技术应用，于2000年建成了中国地壳运动监测网络工程，通过该工程对地壳位移的监测，可科学的判定地震活动趋势。在抗灾救灾中，用卫星导航定位技术可迅速确定受灾地点，为决策提供科学依据。交通方面:卫星导航定位等相关集成技术已能够营建智能交通系统和监控系统并得到广泛应用。卫星导航定位技术已普遍应用于公安、银行、医疗、消防等部门的紧急救援或报警，部分用于汽车、船舶的导航、监控，广泛应用于物流配送中心，并在车载导航方面取得重大发展。 城市综合服务方面：北京、上海、深圳、成都、昆明、天津等城市的卫星定位服务系统和香港特别行政区卫星定位参考网已先后建成，可分别满足城市规划、城市建设、城市管理、灾害
12、监测、科学研究等多方面的需求。电力、有线电视、城市地下管道已采用卫星导航技术布设线路。 电信、网络方面：移动通信、电脑、卫星导航技术结合的各类移动信息终端日益普及，为位置信息相关服务（LBS）方面的应用提供了巨大的发展平台。其中的应用产品把导航从车载向个人终端迈进。三、导航定位在管线检测维护上的应用目前平湖管线检测应用的软件是：HypackMax6.2。Hypack是美国HypackInc公司出品的测量疏浚软件，是目前世界上应用最广泛的专业测量疏浚软件。硬件是：NR103、THALES3011及MX575差分GPS，NR103DGPS或NR108DGPS系统是由法国SERCEL公司生产，在差分
13、状态下定位精度优于2米，THALES3011及MX575DGPS系统是由美国泰雷兹公司生产，在差分状态下定位精度优于2米。以上差分GPS系统的差分信号是接收来自南汇导航台或信标站（如大矶山）提供的信号。项目开始前作的准备工作：1）差分GPS的静态校正：项目开始前，GPS接收机都要在朱家浜导航楼进行定点精度测试，然后形成相应的报告，确保仪器的精度能满足规范和设计要求。2）和检测仪器的系统连接：确保系统之间的连接正常，数据能够被正确的识别和记录。3）测线文件的制作：在Hypack软件中按照要求输入测线坐标。项目施工过程中的工作：1）差分GPS向检测仪器（管线仪、旁扫声纳）和Hypack软件提供精准
14、位置信息。2）2.利用Hypack综合导航软件指挥作业船上线下线，同时进行质量控制：确保船只的线上航行满足规范和设计要求（例如偏离测线）和差分GPS的质量（HDOP、有无差分信号）。3）记录水深数据和位置信息等。4）测线完成情况统计和质量统计（如有没有漏测的地方）。5）工作量的统计。6）编写导航定位报告。在野外作业过程中，常常需要施工人员根据作业要求，设置好导航定位参数（如：坐标系的转换参数、投影参数以及位置归算数据等）；对仪器的安装，我们根据不同的项目采取不同的方法：A.在海底油气管线检测作业过程中，常采用把定位仪的GPS天线直接与管线检测仪（如SES-96或SES-2000）的探头安装固定在同一个点上，这样可以减少定位误差，提高定位的重复性；B.在海底油气管线回填探摸导航定位作业过程中，由于要求把GPS天线点位归算到潜水员入水点或探摸点，我们常采用带有罗经向（即能提供船首向方位角）的GPS定位仪（如:3011GPS或MX575）来进行导航定位。下图为管线检测施工仪器系统连接示意图：结束语：随着信息科学的不断发展，导航定位技术的不断进步，导航定位手段必将翟加数据的丰富，导航定位技术必将渗透到城市建设的方方面面，在人们的工作和生活中扮演更加重要的角色。
