gps導(dǎo)航定位技術(shù)在海洋工程中的應(yīng)用

1、<p>　　GPS導(dǎo)航定位技術(shù)在海洋工程中的應(yīng)用</p><p>　　[摘 要]本文首先系統(tǒng)論述了GPS的工作原理、特點；然后結(jié)合其原理全面的討論了GPS導(dǎo)航定位技術(shù)在海洋工程中的應(yīng)用，其中著重對在海上油氣勘探工程中的應(yīng)用作了具體分析和討論。 </p><p>　　[關(guān)鍵詞]GPS；DGPS；導(dǎo)航定位；海上油氣勘探 </p><p>　　中圖分類號：P22

2、8.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）42-0354-02 </p><p>　　GPS的全稱為全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（global posioning system，簡稱GPS）是上世紀(jì)70年代由美國陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) 。 </p><p>　　一、GPS概述和工作原理 </p><p>　　全球定位系統(tǒng)（Globa

3、l Positioning System - GPS）是美國從上世紀(jì)70年代開始研制，歷時20年，耗資300億美元，于1994年全面建成。全球定位系統(tǒng)由三部分構(gòu)成：（1）地面控制部分，由主控站（負(fù)責(zé)管理、協(xié)調(diào)整個地面控制系統(tǒng)的 工作）、地面天線（在主控站的控制下，向衛(wèi)星注入尋電文）、監(jiān)測站（數(shù)據(jù)自動收集中心）和通訊輔助系統(tǒng)（數(shù)據(jù)傳輸）組成；（2）空間部分，由24顆衛(wèi)星組成，分布在6個道平面上；（3）用戶裝置部分， 主要由GPS接收機和衛(wèi)

4、星天線組成。 </p><p>　　全球定位系統(tǒng) GPS（Global Positioning System）是一個全球性、全天候、全天時、高精度的導(dǎo)航定位和時間傳遞系統(tǒng)，由地面控制站、GPS衛(wèi)星網(wǎng)和GPS接收機三部分組成。地面主控站實施對GPS衛(wèi)星的軌道控制及參數(shù)修正。GPS衛(wèi)星網(wǎng)向地面發(fā)射兩個頻率的定位導(dǎo)航信息，其中包括兩個定位碼信號：即C/A碼（民用）及P碼（美國軍用）。衛(wèi)星用2個L波段頻率發(fā)射單向測距信號

5、，區(qū)別不同衛(wèi)星采用碼分多址。 </p><p>　　GPS之所以能夠定位導(dǎo)航，是因為每臺GPS接收機無論在任何時刻、在地球上任何位置都可以同時接收到最少4顆GPS衛(wèi)星發(fā)送的空間軌道信息。接收機通過對接收到的每顆衛(wèi)星的定位信息的解算，便可確定該接收機的位置，從而提供高精度的三維（經(jīng)度、緯度、高度）。GPS的基本定位原理簡單的說就是衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時間信息，用戶接收到這些信息后，經(jīng)過計算求出接收機的三

6、維位置，三維方向以及運動速度和時間信息。 </p><p>　　GPS系統(tǒng)是一個高精度、全天候和全球性的無線電導(dǎo)航、定位和定時的多功能系統(tǒng)。那么GPS 系統(tǒng)是如何工作的呢？眾所周知一共有24顆GPS衛(wèi)星在離地面1萬2千公里的高空上，以12小時的周期環(huán)繞地球運行，使得在任意時刻，在地面上的任意一點都可以同時觀測到4顆以上的衛(wèi)星。由衛(wèi)星的位置精確可知，在GPS觀測中，我們可得到衛(wèi)星到接收機的距離，利用三維坐標(biāo)中的距離

7、公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置（X，Y，Z）?？紤]到衛(wèi)星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，實際上有4個未知數(shù)，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛(wèi)星，形成4個方程式進(jìn)行求解，從而得到觀測點的經(jīng)緯度和高程。事實上，接收機往往可以鎖住4顆以上的衛(wèi)星，這時，接收機可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。 </p><p>　　由于衛(wèi)星運行

8、軌道、衛(wèi)星時鐘存在誤差，大氣對流層、電離層對信號的影響，以及人為的SA保護(hù)政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。為提高定位精度，普遍采用差分GPS（DGPS）技術(shù)，建立基準(zhǔn)站（差分臺）進(jìn)行GPS觀測，利用已知的基準(zhǔn)站精確坐標(biāo)，與觀測值進(jìn)行比較，從而得出一修正數(shù)，并對外發(fā)布。接收機收到該修正數(shù)后，與自身的觀測值進(jìn)行比較，消去大部分誤差，得到一個比較準(zhǔn)確的位置?，F(xiàn)在DGPS技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于陸地，海洋，航空航天等各個領(lǐng)域，為這些領(lǐng)域

9、的發(fā)展發(fā)揮著重要的作用。 </p><p>　　二、GPS在海洋工程中的應(yīng)用 </p><p>　　隨著GPS技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如為船舶，汽車，飛機等運動物體進(jìn)行定位導(dǎo)航；為電力，郵電，通訊等網(wǎng)絡(luò)時間同步和授入等；另外GPS技術(shù)廣泛應(yīng)用于高精度測量。GPS問世以來，已充分顯示了其在導(dǎo)航，定位領(lǐng)域的霸主地位。下面就主要談一談GPS在海洋工程中的應(yīng)用。 </p

10、><p>　　1、GPS在船舶導(dǎo)航中的應(yīng)用 </p><p>　　各種專用艦船、商用船只只要裝上GPS接收設(shè)備，就可以在全球任何地點，進(jìn)行定位和測速。艦船根據(jù)船用GPS系統(tǒng)測得的相對地球速度和用水壓計程儀測出相對水的速度，可以直接算出海洋洋流速度，以保證艦船在適宜的洋流區(qū)航行。利用GPS的定位和測速信息，船只可始終沿大圓航線精確航行，以節(jié)省燃料和時間。目前，先進(jìn)的船用GPS接收設(shè)備，含有一個在

11、標(biāo)準(zhǔn)海圖上進(jìn)行投影顯示的顯示屏。這種使用方便的“微型海圖”除了顯示船位外，還能大大簡化導(dǎo)航信息的輸入和顯示。所有航途基準(zhǔn)點、危險點和其它重要標(biāo)志都能用海圖的游標(biāo)迅速而簡便地輸入。此外，利用GPS接收設(shè)備，在狹窄航道和匯流區(qū)域，即使在霧天和黑夜能見度下降的情況下，實施海上交通管制，也能使碰撞減至最低限度。尤其是巨輪在港口航行或通過狹窄航道時，可通過差分GPS系統(tǒng)以滿足相對航道中心高達(dá)5米的導(dǎo)航精度。美國海岸警備隊在圣馬斯河進(jìn)行了成功的實驗

12、，證明了在冰塊將所有浮標(biāo)和其他目視標(biāo)志帶走后，差分GPS系統(tǒng)能成功地引導(dǎo)艦船在冬季通過狹窄的航道。茫茫大海，船舶上的GPS就像船舶的眼睛，有了GPS的指引和幫助，船舶才不會迷失，才能順暢的航行在大海之上。 </p><p>　　2、GPS系統(tǒng)在海上民用業(yè)務(wù)中的應(yīng)用 </p><p>　　海上民用業(yè)務(wù)中的海上地球物理測量，對導(dǎo)航定位精度提出了很高的要求，這是因為，在海上地球物理探測中，如果沒

13、有獲得滿足精度要求的位置數(shù)據(jù)，那么記錄下來的地震、重力數(shù)據(jù)就失去意義了。此外，在收集重力數(shù)據(jù)過程中，還要求精確知道船只的運動，以修正由運動引起的加速度。采用GPS系統(tǒng)在海上進(jìn)行三維地震測量，則可使得連續(xù)導(dǎo)航的定位精度控制在大約5米或更小。在美國的實驗表明，對于3000公里以內(nèi)的站間距離，GPS相對定位數(shù)據(jù)經(jīng)過精細(xì)的處理，可達(dá)到？ 3cm左右的三維位置精度。另外，在美國海洋測量局也用GPS系統(tǒng)進(jìn)行水文測量，水文圖測量要求精度較高，如在近岸

14、區(qū)域，水圖的測量精度為5米，在離岸100英里以外的區(qū)域測量精度為8米，利用差分GPS系統(tǒng)則完全能夠滿足這些要求。目前在海底正鋪設(shè)越來越多的管路，包括輸油管線、海底電纜、光纜等，這些海底管路必須沿著精確測量的通路進(jìn)行鋪設(shè)，而GPS系統(tǒng)能夠滿足鋪設(shè)管線的高標(biāo)準(zhǔn)定位要求。導(dǎo)航浮標(biāo)的允許距離偏差為10米～30米，GPS系統(tǒng)又可在建立浮標(biāo)時大顯身手。因此，GPS系統(tǒng)的出現(xiàn)，對海上協(xié)同作業(yè)、交通管制、海洋測量、石油勘探、海洋捕魚、暗礁定位等都具有重

15、大意義。 　　</p><p>　　由于海水的流動性和不穩(wěn)定性，所以在這種海洋地震勘探法中，如何確定地質(zhì)構(gòu)造的位置，就顯得尤為重要，這就是導(dǎo)航定位所要面臨的問題了，而解決這一問題主要就得依靠船載GPS和船上的以GPS為主體的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，這一系統(tǒng)當(dāng)前最主要、最常用的就是DGPS即差分全球定位系統(tǒng)（Differential Global Position System，簡稱DGPS）是美國研制的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

16、。DGPS就是在GPS的基礎(chǔ)上利用差分技術(shù)使用戶能夠從GPS系統(tǒng)中獲得更高的精度。它實際上是把一臺GPS接收機放在位置已被精確測定的點上，組成基準(zhǔn)臺?；鶞?zhǔn)臺接收機接受GPS衛(wèi)星信號，測得并計算出到衛(wèi)星的偽距，然后將偽距和已知的精確距離相比較，求得該點在GPS系統(tǒng)中的偽距測量誤差，再將這些誤差作為修正值以標(biāo)準(zhǔn)的格式通過播放臺向周圍空間播發(fā)。附近的DGPS用戶接收到來至基準(zhǔn)臺的誤差修正信息，以此來修正GPS的測量值，從而大大提高定位的精度。

17、使用這種差分技術(shù)的基礎(chǔ)是：在同一片地區(qū)內(nèi)，GPS緩慢變化的系統(tǒng)誤差，包括選擇可用性（SA）誤差，對基準(zhǔn)臺及其鄰近用戶的影響是相同或近似的。應(yīng)用差分技術(shù)可有效地削弱S/A，電離層延遲，</p><p>　　以上主要論述了GPS技術(shù)在海洋油氣勘探中的作用，我們相信隨著GPS技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)航定位技術(shù)也將會越來越先進(jìn)，定位精度也將會越來越高。 </p><p>　　正如人們所說：“GPS的應(yīng)用，僅

18、受人們的想象力制約?！盙PS已經(jīng)進(jìn)入了我們生活的各個領(lǐng)域，為我們帶來了方便帶來了效率。我相信隨著世界科技的發(fā)展和文明的進(jìn)步，GPS技術(shù)將會有更加輝煌的明天，同時也將為人類提供更多的便利和幫助。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 鄧中衛(wèi)，【GPS技術(shù)應(yīng)用與市場】；航空工業(yè)出版社；1996 </p><p&g