多功能一体化信标机在海洋施工的应用

艾泽宇，嵇建扣

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230)

1 技术现状

1.1 RTK

实时动态(real-time kinematic，RTK)作为精度最高、应用最广的差分方式，是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分方法，是GPS应用的重大里程碑，一经推出就得到了迅速发展。RTK测量较常用的模式有电台模式和CORS模式两种。

1.2 信标差分

信标差分定位系统(RBN/DGPS)是在无线电指向标(radio beacon)的基础上发展而来，利用无线电指向标强大的无线电传送功能，将GPS卫星定位系统与指向标系统结合在一起，利用RBN/DGPS台在发射导航无线电码的同时，也发射DGPS差分信号。

作为国家基础设施，我国在沿海建立了信标差分基站，实行全天候运行，实时发射差分改正信号，通信距离达300 km，形成了一个探入内陆、延伸入海的沿海岸线分布的信号覆盖区域，供用户免费使用。

1.3 星站差分

星站差分系统由5部分组成，分别为：①全球参考站；②数据处理中心；③注入站；④地球同步卫星；⑤用户站。

全球参考站网络由双频GNSS接收机组成，每时每刻都在接收来自GNSS卫星的信号，参考站获得的数据被送到数据处理中心，经过处理后生成差分改正数据，差分改正数据通过数据通信链路传送到卫星注入站并上传至同步卫星，向全球发布。

用户站的GPS接收机实际上同时有两个接收部分，一个是GPS接收机，另一个是L波段的通信接收器。GPS接收机跟踪所有可见的卫星然后获得GPS卫星的测量值，同时L波段的接收器通过L波段的卫星接收改正数据。当这些改正数据被应用在GPS测量中时，一个实时的高精度的点位就确定了。

目前全球星站差分服务商主要及其主要特点见表1。

表1 星站差分市场表

2 海洋GNSS定位导航系统设计方案

2.1 差分信号

随着我国综合国力的提升，我国海洋工程逐步由大陆架沿海区域向深海、全球延伸。在南海，我国正在紧锣密鼓准备深海油气资源勘探开发，并将南海权益列为中国核心利益，远海项目会逐步增多，海上风电逐步走向深海，深海、远海项目处于快速增长期。在亚非拉地区，随着“一带一路”倡议的实施和拓展，越来越多中国公司走向海外，中交四航院的项目已遍及全球50多个国家和地区。基于以上考虑，本文海洋GNSS定位导航系统选择同时采用信标差分和星站差分作为差分信号源，实现近海、远海高精度定位无缝连接。在星站差分信号源上，中国精度(China CM)具有服务费最低、开放性最广和适用范围最广的特点，故选择中国精度(China CM)为星站差分解决方案。

2.2 设备外观

2.2.1 接收机外观

本产品外观主要分为上盖、下盖、防护圈和控制面板4个部分，如图1所示。

2.2.2 LED面板

LED面板主要包含的按键及指示灯，如图2所示。

2.2.3 下 壳

下壳包括串口及防护塞、序列号、连接螺孔、SIM卡槽等，如图3所示。

2.3 功能模块

系统功能模块如图4所示。具体如下：

(1) 电源模块：本设备有外部供电和锂电池供电两种模式。

(2) 系统控制模块：系统控制模块负责和各个模块相互间通信。

(3) 信标模块：信标模块通过天线接收信标信号，内部解算成信标差分数据，通过串口发送给系统控制模块；系统控制模块通过串口将信标差分数据转发给GNSS板卡，再由板卡解析差分数据，实现信标定位功能。

(4) GNSS板卡：负责计算GNSS位置坐标信息。

(5) 蓝牙模块：外部手簿通过搜索、配对蓝牙实现连接到蓝牙模块，蓝牙通过串口和处理器相互通信，用户通过手簿上的上位机软件读取设备基本信息和GNSS定位信息等，同时通过蓝牙可对设备进行设置和控制。

(6) iNAND模块：由于单片机的内存较小，无法满足大量数据的存储需求，因此系统的iNAND模块主要作系统存取GNSS静态数据。

(7) 用户交互模块：用户交互模块主要是前面板上的LED显示灯、按键及对外的Lemo接头。

3 系统特色与优势

3.1 优 势

本文系统集信标差分、星站差分、静态GPS测量于一体的便携、易操作的FHDI-M60一体化信标机，其与传统信标机相比，存在显著优势，部分参数对比见表2。

表2 FHDI-M60一体化信标机与传统信标机对比

从参数对比来看，本文研发小组研制的信标机不仅定位精度在行业内达到国内领先水平，其突出的轻便性和多功能性都能为测量工作人员节省大量的时间和精力，只需要一部带有蓝牙功能的手机和一部主机就能在世界大部分区域获取平面精度20 cm的定位数据。而且，一体化的设计减少了多处接口，降低了故障率，从而减少了维修成本。

3.2 产品特色

3.2.1 三位一体

本文GPS定位仪集静态测量、(交通部信标台)信标差分定位、星站差分定位于一体，在国内外的GPS定位设备中是罕见的。

3.2.2 手机APP功能

无需连接计算机，只需一部带有蓝牙功能的手机和一部FHDI-M60主机，即可在全球大分区域获取平面精度优于20 cm的定位数据。

3.2.3 高度集成化

FHDI-M60海洋GNSS系统采用全新设计理念，将主机及天线合二为一，并采用无线数据传输及内置电池模式，摒弃各种连接电缆，实现高度集成化，使得仪器的携带及操作十分方便。

3.2.4 其他特色

密封性好，防震抗摔性能强，1.5 m高度坠落硬质地面无损坏,电源抗干扰

4 结 语

FHDI-M60海洋GNSS系统仅定位精度在行业内达到国内领先水平，其突出的轻便性和多功能性都能为测量工作人员节省大量的时间和精力，只需要一部带有蓝牙功能的手机和一部主机就能在世界大部分区域获取平面精度20 cm的定位数据。而且，一体化的设计减少了多处接口，降低了故障率，从而减少了维修成本。

其主要核心技术为：

(1) 移动、智能APP操作，产品操作简单，快捷，可推广。

(2) 电源抗干扰。

(3) 信标和GNSS一体天线内置在板子垂直面上，通过合理设计减少场辐射干扰。

(4) 信标差分和星站差分可以随意转换，定位精度在全球都能保证。

(5) 信标、星站差分、静态GPS功能集成一体，适用于全球大部分地区的高精度海洋测绘定位、放样，也可兼顾控制测量时静态GPS控制网功能。

由于本款产品是第一台产品，还存在一些人机交互性能不足的地方，例如主机上缺少工作模式提示界面和指示灯，对海洋工作场景进行优化程度不够，蓝牙通信距离有限，主机不能同时连接多台客户端。根据生产过程中遇到的问题，将对本文海洋GNSSCE系统进行持续改进。