伽利略卫星定位系统在海洋测绘中的应用初探

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1. 伽利略计划简介

2001年3月26日，欧盟15个成员国的交通部长在布鲁塞尔决定开始启动伽利略卫星导航定位系统计划。27日，欧盟委员会主席普罗迪称赞这一决定是个突破，认为伽利略计划定会成功，为打破世界卫星导航定位系统美国独霸天下的局面、开创欧盟航天事业的新阶段向前迈出了坚实的一步。

伽利略计划的资金预计为32亿到36亿欧元，由30颗高轨道卫星组成，分布在轨道高度为2.4万千米、倾角为56度的3个轨道面上。基础设施包括天基和地基两部分。卫星将为用户提供精确的时间和误差不超过一米的全球精确定位服务，与美国的全球卫星定位系统（GPS）和俄罗斯的全球卫星定位系统（GLONASS）争夺市场。

伽利略计划分4个阶段逐步实施。第一阶段是系统可行性评估或定义阶段（2000年前结束）；第二阶段为开发和检测阶段（2001年至2005年）；第三阶段是部署阶段（2006年至2007年）；第四阶段为商业运行阶段（2008年以后）。

欧盟为何如此注重开发自己的卫星导航定位系统呢？首先，卫星导航定位可应用于人们生活的各个方面，伽利略计划将创造巨大的经济效益和社会效益，打破美国在这方面的垄断地位，为欧盟赢得可观的市场份额。权威部门预计，伽利略计划将为欧盟创造15万个高技术含量的就业岗位，每年经济收益有100亿欧元之多。欧盟估计，仅出售航空和航海终端设备一项就可在2008年至2020年将150亿欧元收入囊中。第二，欧盟开发此项目可为欧盟现在极力提倡的欧洲共同安全防御政策服务。欧盟近年来，一直主张要拥有独立于北约的自己的安全体系。伽利略计划可为实施欧洲共同安全防御政策提供必要的技术保障。第三，欧盟认为，21世纪是科技高速发展的世纪，欧盟要在今后世界上占有一个重要地位，占领世界高科技阵地是不可或缺的。没有科技上的领先地位，欧盟在将来许多事务中就没有主导权。

正如普罗迪所说，伽利略计划对欧盟来说是一场技术革命，它将给人们带来的自豪感绝不会亚于“空中客车”飞机和“阿丽亚那”火箭。当然欧盟发展航天事业遇到了许多困难，既有技术上困难，也有来自国外如美国的压力。但欧盟深知，这是事关欧洲前途的大事，是一场垄断和反垄断的斗争，是一场涉及政治、经济、军事和国家利益的外交斗争，所以在追求建立自己独立的卫星导航定位系统上的决心从来没有动摇过。

2. GALILEO卫星定位技术在海洋工程中的应用

伽利略计划的启动，无疑会对全球产生重大的影响，对我国而言，该技术将对我国的国民经济建设起到划时代的影响。欧盟发展伽利略计划，主要从商业、政治方面考虑，打破美国的垄断，对于我国而言，由于关键技术被国外公司垄断，我们主要从应用角度考虑，这里，我们在海洋方面加以论述。

海洋工程应用主要包括海岸工程（Coastal Works）以及近海工程支持（Offshore Support），前者主要应用范围在40km以内，便于建设自己的基站，包括疏浚工程、基础建设及维护（码头、港口等）、土地改造、海滩养殖、海岸带管理等；近海支持主要应用在近海（离岸约500公里范围内），一般需要建立广域差分系统，包括石油天然气、管道铺设、通讯电缆以及光缆等相关的工程。此外，有关大洋调查，如矿产资源、大洋环境调查等。

2.1. 海岸工程

海岸工程活动发生在近岸一带，包括港口和航道的建设和维护、土地改造、海岸防护和河堤保护等。一般根据国家或者当地政府的发展计划，有计划的对海岸资源进行开发和利用。

就定位服务而言，海岸工程项目执行者一般以GPS为定位设备，少部分使用全站仪进行定位。海岸工程是一项高附加值的部分，在很多年里为了保证项目运行能产生最好的生产效率已经广泛利用定位技术和吸引大量高端新技术。这一工程项目已经发生在世界五大洲的几乎每一个国家。

在海岸工程市场中，和定位系统有关的价值同项目全部开支相比较是很有限的。然而，海岸工程生产生产力的获得绝大部分取决于定位设备的性能。因此，定位系统方案的选择不但受制于技术因素，而且经济因素对它的影响也不容忽视。

在海岸工程市场部分，一直以来都是通过设备购买而很少通过租用定位服务来获得在定位技术中的利益。从上世纪80年代开始，前一种依托地面无线电传输的定位技术已经被日益增长的差分GPS所代替。近年来，为了得到精确定位应用，在实时动态（Real Time Kinematic，简称RTK）技术方面呈现出较大的发展趋势。

因此，海岸工程将可能利用GALILEO卫星定位技术提供的方案，这个方案是真正经济和技术的，它替代了现有以GPS为基础的方案。

2.1.1. 我国目前海岸工程现状

在我国，海岸工程大多由政府参与管理或直接实施的行为。在海岸40km范围内，海岸工程多数为石油开发，如胜利油田、辽河油田、莱州湾油田、北部湾天然气开发等，还有近海电厂建设，如福建核电厂、山东海阳核电厂等，另外，包括海岸带调查与利用，内海整治工程，港口码头等基础建设与维护，航道疏浚，渔业养殖等。

使用的定位系统而言，95%以上使用DGPS，差分数据主要使用交通部设立的海岸信标台，这套系统为地方差分系统(Local Area Differential GPS)，精度为5m以内，信号无偿使用，使用的坐标系统为WGS84坐标系统。对于高精度用户，厘米级的RTK定位技术已经越来越多的部门使用，特别是航道疏浚方面，可以大大提高作业效率，并且节约成本。

另外，海岸工程不只是考虑航道或水道测量、堤防建造、土地改造、沙滩营养化等等海岸工程项目，甚至人工岛建造都是正常航道疏浚活动的一部分。每一种不同种类的工作需要一系列专业的支持工具：吸入式或旋桨式挖泥船、横向卸货船、驳船以及可以利用起重机装卸的浮桥码头。对所有这些应用领域，高质量、高效率完成工作是海岸工程主要的要求，与此同时还必须考虑其费用问题。

商业上的成本促使航道疏浚工业使用最先进的定位技术，这样做是为了使投资得到尽可能高的回报。由于在海岸工程市场上，无线电定位设备的实用性，大量的基于地面信标的定位设备得到广泛应用。特别是近年来，RTK GPS由于它的快速动态测量方案的优异性能已经得到较广泛应用，与此同时，RTK GPS在精确性方面也在稳步提高。例如，在精密要求的疏浚工程中，使用实时动态定位技术提供的厘米级精度，在装填土石方过程中可以进行实时的水位变化观测和潮位改正，工程可以在较短的时间里高精度的完成。这些应用可以完全利用双频卫星定位接收机和令人惊讶的RTK/LRK性能完成。

2.1.2. 海岸工程应用

进入二十一世纪以来，我国政府在海洋开发方面，加大了资金投入力度，因此很多基础设施的建造使得海岸工程市场呈现出一派繁荣景象，例如为新机场建设进行的土地改造工程、为港口做的航道疏通、为河流航运进行的河道加深、岛屿之间的桥梁建造、陆岛工程、内海整治、新的海岸带调查等等工程。这意味着海岸工程在定位设备上有很大投资，并且在今后仍然可能会有较大增长。

2.1.3. 当前和将要出现的新技术

n 广域差分技术

广域差分技术，使得GPS定位精度进一步提高，作用范围进一步扩大，现在投入运行的主要有：Fugro公司的StarFix，Racal(Thales)公司的SkyFix，NavCom、C&C公司联合美国JPL试验室开发的StarFire（RTG）等广域差分系统，系统结合Internet技术，使用双频GPS有效的消除电离层、大气层、轨道、时钟等误差，水平定位精度提高到分米级，垂直精度达到70cm，差分数据通过海事通讯卫星播发，除两极之外覆盖全球范围。Trimble公司推出的虚拟RTK技术，使得RTK技术作用范围进一步扩大，而保持厘米级的高精度定位。

n 精密定位技术

海洋工程的发展趋势向精密工程发展，而高精度定位扮演着主要角色。高精度定位技术主要是RTK、LRTK(Racal)、虚拟RTK技术等。海岸工程中的精密工程已经超过普通的海岸工程。

n “Galileo+GPS”混合定位系统

在测绘应用领域，没有人怀疑GPS和Galileo的联合使用，定位设备硬件制造商很快将制造出“Galileo+GPS”的接收机。尽管俄罗斯的全球轨道导航卫星系统（Global Orbiting Navigation Satellite System，简称GLONASS）的运营状况不好，但是现在“GPS+GLONASS”接收机且能广泛应用在测量和科研领域。这样的组合至少有两个主要优点：首先，可以得到更多的可视卫星（为单独使用其中一种卫星定位系统的两倍）；其次，由于是GPS和GLONASS是两个独立系统，所以有更好的可靠性和完整性。这里存在一个巨大的影响，就是在海岸工程定位设备选择中可能将会是这样（或者部分这样），即使用混合的“Galileo+GPS”接收机，而不是单独使用Galileo或单独使用GPS接收机。

为了减弱同时利用GPS和Galileo系统的这种发展趋势，加速GALILEO卫星定位系统的市场占有率，Racal公司在其研究报告中，建议GALILEO计划共同采用GPS定位系统的部分成果（相同的WGS84地心坐标系统和相同的发射频率）。


2.2. 近海工程

近海工程通常发生在海洋近海一带，通常同海洋石油和天然气工业紧密相关。除了地震勘探部分的应用外，近海工程在海洋上的应用主要同石油和天然气工业有关。定位技术作为近海工程支撑技术，应用领域主要包括：井场测量、浮动的产品存储、装卸装置（Floating Production Storage Offload，简称FPSO）定位、钻井平台定位/抛锚船只定位/水上建筑建造、补给船只、管道铺设、水下机器人（Remotely Operated Vehicles，简称ROV）等。

近海支持部分是一个全球市场，它的业务遍及世界各地。它被控制在许多私人商家手中，这些活动参与者受近海支持的经济利益所驱使。在近海支持部分大多数定位服务由服务提供商完成，他们不但提供具有差分改正功能的定位设备或者其他仪器设备，甚至他们还将提供专业人员来完成工程要求的所有配置。因此，根据服务提供商的不同服务对象，他们所使用的仪器设备可以从这个工程用到另一个工程。

在近海支持市场，相对于整个工程项目的费用支出，定位系统的费用只占其中的百分之几的很小部分；但是，工程项目的可靠性和生产力绝大多数依赖于定位设备性能的好坏。因此，只要有一种先进技术能产生较高的生产效率，仪器设备的价格就不应该限制新技术的产生和发展。

近海支持市场在过去很长一段时间里是通过投资购买仪器设备和出租定位设备从定位技术中获得效益。从80年代开始，基于应用地面无线电传输的SYLEDIS技术或其他地面无线电传输技术已经被现有的DGPS技术所取代，DGPS技术现在是一种主要的定位技术。但是，近海支持应用通过不同的质量评价（Quality Assessment，简称QA）/质量控制（Quality Control，简称QC）导向程序的使用把技术重点放在考虑定位的完整性方面。例如，它需要使用另一个并行的可供选择的系统，如另外的DGPS系统、或者地面无线电传输系统、甚至考虑由GLONASS系统来解决定位完整性问题。

因此，近海支持毫无疑问地将利用GALILEO系统，只要获得可用的和可得到的GALILEO特征，这些特征是基于GPS解决方案的真正选择的规范。

2.2.1. 我国的近海工程现状

在我国，在近海支持方面，特别是远离信标台站和难于自设基站的地方，一般租用专门的定位服务公司差分数据进行定位，如Fugro公司，使用过程中又有诸多的限制，例如不能参与商业化的海洋工程，只能用于研究以及普通海洋调查项目，而且局限调查的范围和只提供标准定位服务，现在，有的公司，如C&C公司可以提供精密定位服务。在我国，特别是海洋石油方面，定位服务几乎全部由国外公司，如Racal、Fugro公司垄断经营，用于精密海洋工程测量和钻井平台移动、就位、管线铺设等，在南海、东海、渤海的石油天然气开发项目上尤其明显。

近海支持应用的特征是短期工作的多样性，因此，我们国家的许多项目是通过向租借公司或定位服务提供商租用定位设备，但是这些定位设备展现出更适合长期作业的接收机性能，它们中任意一台都连续地使用在不同的工程项目中。

2.2.2. 近海工程支持应用

近海支持一般级别现在主要都是一些近海支持应用（超过所有近海支持工作的95%以上）。在近海支持一般应用中，主要有：典型的1到3米精度级别、通过服从RAIM（由UKOOA建立并推荐使用）规定，强调为项目实施安全进行的质量评价和质量控制方面。

现在有稳定增长趋势是，绝大多数项目需求利用RTK精密级别技术来完成，例如在高精度海洋工程测量中、钻井平台的精确就位和FPSO工程中。

在近海支持精密级别的精度要求中，点位位置精度可以降到优于0.1m，根据定位技术情况，较低程度的定位信息完整性和可靠性也是能够接受的。然而，由于RTK精密定位技术的发展，这种情况将有所改观，通过RTK技术可以得到和近海支持一般级别同样的数据完整性和可靠性的保障。

近海工程中，海洋石油和天然气的开发、开采，需要专业船只、驳船、产品储存和装卸装置（FPSO）以及钻井平台移动等。因此，获得可靠的和精确的位置是保证这些工程项目实施效率和可行性的必须前提条件。面对这些迫切需要，近海支持定位经常基于同时和多余的2到3个不同定位系统；特殊情况下，采用差分GPS、激光跟踪系统和超短基线声学定位系统联合组成动态定位系统进行联合作业。另外，越来越多的增长需求转向深水海域—1000米水深或更深，在这种作业环境下，怎样应用差分GPS确定水下定位船只位置是关键技术所在。

绝大多数遥控操作装置和海洋工程建设支持工作、海底测量、管线铺设或者钻井平台移动应用一般只需要米级精度。但除了考虑精度外，作业者应该特别关注通过并行使用不同的定位系统或者定位装置进行质量控制程序的同时应用。

然而，在近海工程中，需要进行水准测量的要求每日剧增，这是否是为了满足空间控制，或者是为了进行水上建筑物倾斜和沉降观测，甚至为更重要的钻井平台移动作业而进行的？精密水准测量技术的逐渐发展，将完全支持解决这些应用领域的方案，它能保证在最困难的环境下仍能得到可靠的RTK数据。

毫无疑问，近海工作要满足现在和未来的需要，同时利用GALILEO和GPS定位系统，将是技术发展的必然。

2.2.3. 伽利略计划与我国的近海工程

伽利略计划的实现，对于我国的近海工程，多了定位技术手段的选择，但是，根据卫星定位技术的发展，差分定位技术，特别是广域差分技术，已经被越来越多的部门应用，所以，我们应该致力于建设我国的基于卫星定位系统的广域差分系统，满足我国国民经济建设的需要。

伽利略系统的出现，打破了美国GPS垄断市场的局面，对于以应用为主的我国海洋工程定位市场，项目执行成本会因此降低许多，这是一件好事，但是，我们应该注意到国外的海洋勘探公司，在随着我国加入WTO后，大举进入中国市场，无疑增加了国内工程公司的竞争对手，我们必须借助伽利略计划，抓住机遇，把我们的技术充分发挥出来，致力于广域差分系统的建设和技术研究，依靠国内的优势，使得我们自己的海洋勘探公司发展壮大，占领国内市场。

3. 建议与结论

我国是一个人口众多，国土面积较大的海洋大国，开发海洋资源是今后我国经济建设的重点发展方向之一。卫星定位技术作为海洋开发的关键技术，我们必须加以重视，不仅海洋方面，涉及到其他领域的定位应用，在技术开发以及系统建设方面，必须纳入到政府的行为中，着眼于未来，我们需要开发自己的卫星导航系统，可喜的是，我国政府已经批准研发北斗星导航系统，这也意味着将来我们会拥有自己的卫星导航定位系统。

在现用的卫星定位系统中，GPS系统应用最为广泛，GLONASS系统在用的星已经很少，但是，作为民用，我们只能使用GPS的标准定位服务，其精码定位服务只为美国的盟国提供，GPS第三代系统将在2030年前后几年取代现有GPS卫星定位系统，第三代系统中增加了L3波段，并且在L2波段上增加A/C码，为了得到更高的可靠性，新系统将增加更多的可视卫星（30到36颗卫星），但是美国政府从来没有承诺GPS始终提供给民用，也就是说，美国政府可以根据需要随时关闭信号。伽利略系统的出现无疑会打破美国的垄断，伽利略计划侧重于民用，当然考虑欧盟的军事利益，伽利略计划考虑三种不同的定位服务方式，一是免费的标准定位服务，类似于GPS的A/C码；二是收费的高精度定位服务；三是军用定位，但是欧盟成员国中，有的国家坚持伽利略系统纯粹为民用。不管如何，伽利略系统的出现，会对我国的国民经济建设起到重大的影响。

面对多种卫星定位系统，我们作为用户，必须做出相应的策略，真正的使卫星定位技术为我国的国民经济建设服务。无论是海洋工程、还是国土测绘以及其它领域，我们建议政府应该考虑以下几点：

n 无论使用哪种卫星定位系统，要想得到精密的定位服务，必须要采用其它技术加以消除误差。特别是实时定位服务，采用差分技术得到高精度定位，我们需要发展自己的定位技术，此外，为了减少不必要的重复投资，建议我国发展自己的广域差分定位系统，该系统要基本满足我国海洋、陆地的定位需要。

n 由于存在使用不同定位精度的用户，政府在制定发展计划方面，要考虑到伽利略系统出现后，我们计划的定位服务系统建设投资是否且实可行，会不会投资建设后系统成为废品？特别随着陆地交通、物流、地理信息系统、智能交通的发展，各地争相发展基于GPS的服务系统，而且出现同一个城市有多种GPS服务系统存在，这种重复建设不仅现在看来是浪费，而且一旦伽利略系统开通，有的系统会成为废品。因此，政府必须从长远利益出发，制定相应的定位服务系统发展计划。

总之，伽利略系统的出现，对我们开发和利用海洋，提供了新的技术支撑手段，我们的有关科研机构必须抓住机遇，使我国的卫星定位应用技术更进一步，满足我国国民经济建设的需要。