GNSS 移动基站技术在水运工程中的应用

汪波，吴彬

（上海达华测绘科技有限公司，上海 201208）

0 引言

水运工程中施工车辆及船舶对实时动态定位的精度要求较高，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设在近岸，受限于差分信号传播距离，其使用范围较小；星站差分无需架设基站，不受离岸距离限制，广泛应用于水运工程建设领域[2-3]。典型的星站差分服务有Navcom 公司的StarFire、Fugro 公司的StarFix、Hexagon 公司的TerraStar、天宝公司的OmniSTAR和RTX 等，我国合众思壮研发的星站差分服务“中国精度”打破了国外技术垄断，提供最高精度优于4 cm RMS[4-5]。星站差分操作方便，但服务费用昂贵，特别是水运工程中多辆施工车和多艘施工船舶集群作业时，若每辆车和每艘船均开通星站差分服务，单个工程区的总体服务费较高。

GNSS 移动基站通过接收GNSS 信号和L-Band等通信卫星播发的星站差分改正数，实时进行星站差分定位，获得全球参考框架下的绝对坐标[6-7]；同时，GNSS 移动基站通过外挂电台及时向外广播其GNSS 观测值和绝对坐标等RTK 差分数据。在移动基站附近作业的流动站，通过接收GNSS 信号和移动基站播发的差分数据以进行RTK 定位[8]。GNSS 移动基站同时作为星站差分流动站和RTK基站，融合了星站差分和RTK 定位方式，其基本原理如图1，将其应用于水运工程中的实际效果有待研究。结合水运工程环境特点，设计针对性试验，充分评估GNSS 移动基站应用于水运工程中的RTK 流动站定位精度及定位定向稳定性。

图1 GNSS 移动基站技术应用于水运工程的基本原理Fig.1 Basic principle of GNSS mobile base station technology applied in port and waterway engineering

1 试验设计

试验场景选择：选取长江口区域的水运工程建设项目，位于上海横沙岛东部海陆连接区域，临近长江深水航道，具有典型的水运工程环境特征；工程区附近具有1 个CORS 站，可作为位置基准，供参考数据处理使用。

试验距离限制：考虑移动基站播发的RTK 信号覆盖范围有限，移动基站与RTK 流动站之间最远相对距离设定在20 km 左右。

承载方式：选择机动性更强的车载运动模式，车速稳定控制在20～30 km/h，模拟船舶航行速度；运动路径选择地势开阔路段，避开大功率电磁设备、高压线、建筑遮挡物等。移动基站与流动站天线架设高度均保持在2 m 左右。

实时动态模式：结合实际应用场景中的运动情况，测试移动基站与流动站同步运动、移动基站静止与流动站运动、移动基站运动和流动站静止等3 种模式下的流动站定位状态。

试验数据记录：共使用A、B、C 三台GNSS接收机。设定接收机A 为移动基站，进行星站差分定位并向外播发RTK 差分数据；设定接收机B和接收机C 为RTK 流动站；移动基站A、流动站B、流动站C 同步记录1 s 采样率的GNSS 静态数据并实时输出1 Hz NEMA-0183GGA 格式的RTK结果。

试验数据处理：以工程区附近的CORS 站为参考站，处理流动站B、C 记录的静态数据，计算其1 s 采样率的PPK 结果；将流动站B、C 的PPK 结果和NEMA-0183GGA 格式的RTK 结果进行投影变换，通过横轴墨卡托投影（中央子午线123°）转换为N、E、H 格式。

精度统计及评定：将单台流动站（B）的RTK结果与PPK 结果作差处理，统计其北方向偏差为ΔN、东方向偏差为ΔE、高程方向偏差为ΔH，分析三维方向收敛时间和收敛后的稳定性；统计收敛后20 min 内的固定解三维方向偏差均方根（RMS）以评定精度。

零基线测试与统计：分析2 台RTK 流动站（B和C）的定向精度，采用功分器分流同一GNSS 接收机天线信号，两站基线理论长度为0 m；对2个流动站同步定位结果作差处理，统计同步定位偏差以分析2 个流动站零基线稳定性。

2 流动站实时动态定位性能分析

2.1 流动站实时动态定位分析

统计单台RTK 流动站的实时动态定位中的N、E、H 等方向的偏差并绘图分析。

2.1.1 移动基站-流动站同步运动模式

图2 为移动基站运动时流动站的动态定位情况，N、E 方向开始定位持续约2.5 min 趋向收敛，N 方向收敛后偏差基本保持在4 cm 内浮动，N 方向收敛后偏差RMS 为0.9 cm；E 方向收敛后偏差基本保持在6 cm 内浮动，收敛后E 方向偏差RMS 为1.0 cm；H 方向开始定位持续约3.5 min 趋向收敛，H 方向收敛后偏差基本保持在15 cm 内浮动，H 方向收敛后偏差RMS 为2.7 cm。流动站收敛后出现5 处无定位解。

图2 移动基站运动时流动站动态定位Fig.2 The dynamic positioning of rover station when mobile base station is kinetic

2.1.2 移动基站静止-流动站运动模式

图3 为移动基站静止时流动站动态定位情况，N 方向开始定位持续约3 min 趋向收敛，N 方向收敛后偏差基本保持在5 cm 内浮动，N 方向收敛后偏差RMS 为0.4 cm；E 方向开始定位持续约2 min趋向收敛，E 方向收敛后偏差基本保持在5 cm 内浮动，E 方向收敛后偏差RMS 为0.8 cm；H 方向开始定位持续约3 min 趋向收敛，H 方向收敛后偏差基本保持在15 cm 内浮动，H 方向收敛后偏差RMS 为2.5cm。流动站收敛后出现1 处无定位解。

图3 移动基站静止时流动站动态定位Fig.3 The dynamic positioning of rover station when mobile base station is static

2.1.3 移动基站运动-流动站静止模式

图4 为移动基站运动时流动站静止定位情况，N、E、H 方向开始定位持续约2 min 趋向收敛，N、E 方向收敛后偏差均基本保持在6 cm 内浮动，N、E 方向收敛后偏差RMS 均为1.0 cm；H 方向收敛后偏差基本保持在15 cm 内浮动，H 方向收敛后偏差RMS 为2.0 cm。

图4 移动基站运动时流动站静止定位Fig.4 The static positioning of rover station when mobile base station is kinetic

基于实时星站差分定位的移动基站播发RTK差分信号，RTK 流动站定位与同步PPK 定位存在近似系统偏差，考虑为参考框架及参考历元不同所致。RTK 流动站的N、E 方向3 min 内可实现收敛，收敛后基本保持在5 cm 内浮动，N、E 方向收敛后偏差RMS 不超过1.0 cm；H 方向4 min 内可实现收敛，收敛后基本保持在15 cm 内浮动，H方向收敛后偏差RMS 不超过3.0 cm。

2.2 流动站实时动态定位影响因素

针对移动基站-流动站同步运动、移动基站静止-流动站运动两种模式下出现的无定位解现象，考虑距离与高差等变化因素对电磁波传播路径的影响，分析移动基站与流动站相对距离、相对高差等变化与流动站动态定位状态的相关性，采用PPK 结果计算相对距离与相对高差。

1）相对距离变化影响

图5 为移动基站与流动站同步运动状态下的相对距离变化与流动站定位状态，相对距离由远及近运动过程中，定位解缺失和单点解现象较多集中在相对距离15 km 以上的过程，15 km 以下偶见6 处无定位解。

图5 同步运动状态下的相对距离变化与定位状态Fig.5 The relative distance and the positioning state when mobile base station and rover station move synchronously

图6 为移动基站静止与流动站运动状态下的相对距离变化与流动站定位状态，由图中可以看出，根据PPK 结果计算可知相对距离逐渐由远及近运动过程中，02:12 左右（约13 km）集中出现无定位解和单点解现象，其他区段（约9.5 km）偶见1处无定位解。

图6 移动基站静止、流动站运动状态下的相对距离变化与定位状态Fig.6 The relative distance and the positioning state when mobile base station is static and rover station is kinetic

2）相对高差变化影响

图7 为移动基站与流动站同步运动状态下的相对高差变化与流动站定位状态，移动基站相对流动站的高差变化整体较平稳，06:00 出现1 处突然升高，并未造成显著的GNSS 无定位解及单点解现象。

图7 移动基站与流动站同步运动状态下的相对高差变化与定位状态Fig.7 The height difference and the positioning state when mobile base station and rover station move synchronously

图8 为移动基站静止与流动站运动状态下的相对高差变化与流动站定位状态，移动基站相对流动站高差变化整体较平稳，在02:10—02:13 出现2 处突然下降，均出现GNSS 无定位解现象，其中第2 次下降幅度较大、持续时间长且伴随单点解现象。

图8 移动基站静止、流动站运动状态下的相对高差变化与定位状态Fig.8 The height difference and the positioning state when mobile base station is static and rover station is kinetic

基于实时星站差分定位的移动基站播发RTK差分信号，RTK 流动站动态定位过程中偶见无定位解和单点解现象，移动基站相对流动站距离变化在15 km 以上时，出现定位不佳的概率较大；移动基站相对流动站高差突然升高时对流动站定位无影响，移动基站相对流动站高差突然降低时对流动站定位影响较大，流动站出现定位不佳的概率较大。

3 流动站零基线（定向）实时动态稳定性分析

施工车辆及船舶在实际作业过程中，经常会配备多台GNSS 差分定位设备，完成定位定向以辅助施工。统计2 个流动站同步定位差值并绘图分析。

3.1 移动基站-流动站同步运动模式

图9 为移动基站运动时2 个流动站动态定位差，N、E 方向定位差值基本保持在毫米级，N、E 方向在01:42、01:45 出现小幅度波动，振幅不超过±0.8 cm，N、E 方向整过程定位较稳定；2 个流动站H 方向定位差值基本保持在±1.5 cm 以内浮动。

图9 移动基站运动时2 个流动站动态定位差Fig.9 The dynamic positioning difference between two rover stations when mobile base station is kinetic

3.2 移动基站静止-流动站运动模式

图10 为移动基站静止时2 个流动站动态定位差，开始定位出现跳跃并很快趋于稳定，02: 11后出现1 次跳点，对应图8 中的单点解。N、E 方向定位差值基本保持在毫米级，N、E 方向整过程定位较稳定；2 个流动站H 方向定位差值基本保持在±1.5 cm 内浮动。

图10 移动基站静止时2 个流动站动态定位差Fig.10 The dynamic positioning difference between two rover stations when mobile base station is static

3.3 移动基站运动-流动站静止模式

图11 为移动基站运动时2 个流动站静止定位差，N、E 方向定位差值基本保持在毫米级，N、E 方向整过程定位较稳定；2 个流动站H 方向定位差值基本保持在±1.5 cm 内浮动。

图11 移动基站运动时2 个流动站静止定位差Fig.11 The static positioning difference between two rover stations when mobile base station is kinetic

基于实时星站差分定位的移动基站播发RTK差分信号，2 个流动站在移动基站-流动站同步运动、移动基站静止-流动站运动、移动基站运动-流动站静止3 种模式下的零基线测试显示，N、E方向的定位差值基本保持在毫米级，不超过1.0 cm；H 方向的定位差值不超过±1.5 cm，定位系统总体内部误差较小，可提供稳定的高精度定位定向服务。

4 结语

GNSS 移动基站应用于水运工程中，通过试验评估该作业模式下RTK 流动站的定位性能。与同步PPK 定位比较，RTK 流动站的N、E 方向可在3 min 内实现收敛，收敛后20 min 内偏差RMS 不超过1.0 cm；H 方向可在4 min 内实现收敛，收敛后20 min 内偏差RMS 不超过3.0 cm。移动基站与RTK 流动站相对距离在15 km 以上时出现定位不佳的概率较大；移动基站与RTK 流动站相对高差突然降低时易造成RTK 流动站定位不佳。2 个流动站零基线定位的N、E 方向差值保持在毫米级，H 方向差值不超过±1.5 cm，定位定向稳定性高。针对极少数无定位解或单点解现象，可通过实时滤波进行处理。GNSS 移动基站可实现其高精度星站差分能力的共享，极大降低车辆及船舶集群作业的星站差分服务费。本试验采用车载方式，试验环境局限于临海陆域；船载通讯设备多、电磁干扰大，远海水域风浪条件复杂，船载及远海水域应用效果还有待进一步验证。