伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)在海洋測繪中的應(yīng)用初探

1. 伽利略計(jì)劃簡介

2001年3月26日，歐盟15個(gè)成員國的交通部長在布魯塞爾決定開始啟動伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)計(jì)劃。27日，歐盟委員會主席普羅迪稱贊這一決定是個(gè)突破，認(rèn)為伽利略計(jì)劃定會成功，為打破世界衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)美國獨(dú)霸天下的局面、開創(chuàng)歐盟航天事業(yè)的新階段向前邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

伽利略計(jì)劃的資金預(yù)計(jì)為32億到36億歐元，由30顆高軌道衛(wèi)星組成，分布在軌道高度為2.4萬千米、傾角為56度的3個(gè)軌道面上?；A(chǔ)設(shè)施包括天基和地基兩部分。衛(wèi)星將為用戶提供精確的時(shí)間和誤差不超過一米的全球精確定位服務(wù)，與美國的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）和俄羅斯的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GLONASS）爭奪市場。

伽利略計(jì)劃分4個(gè)階段逐步實(shí)施。第一階段是系統(tǒng)可行性評估或定義階段（2000年前結(jié)束）；第二階段為開發(fā)和檢測階段（2001年至2005年）；第三階段是部署階段（2006年至2007年）；第四階段為商業(yè)運(yùn)行階段（2008年以后）。

歐盟為何如此注重開發(fā)自己的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)呢？首先，衛(wèi)星導(dǎo)航定位可應(yīng)用于人們生活的各個(gè)方面，伽利略計(jì)劃將創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，打破美國在這方面的壟斷地位，為歐盟贏得可觀的市場份額。權(quán)威部門預(yù)計(jì)，伽利略計(jì)劃將為歐盟創(chuàng)造15萬個(gè)高技術(shù)含量的就業(yè)崗位，每年經(jīng)濟(jì)收益有100億歐元之多。歐盟估計(jì)，僅出售航空和航海終端設(shè)備一項(xiàng)就可在2008年至2020年將150億歐元收入囊中。第二，歐盟開發(fā)此項(xiàng)目可為歐盟現(xiàn)在極力提倡的歐洲共同安全防御政策服務(wù)。歐盟近年來，一直主張要擁有獨(dú)立于北約的自己的安全體系。伽利略計(jì)劃可為實(shí)施歐洲共同安全防御政策提供必要的技術(shù)保障。第三，歐盟認(rèn)為，21世紀(jì)是科技高速發(fā)展的世紀(jì)，歐盟要在今后世界上占有一個(gè)重要地位，占領(lǐng)世界高科技陣地是不可或缺的。沒有科技上的領(lǐng)先地位，歐盟在將來許多事務(wù)中就沒有主導(dǎo)權(quán)。

正如普羅迪所說，伽利略計(jì)劃對歐盟來說是一場技術(shù)革命，它將給人們帶來的自豪感絕不會亞于“空中客車”飛機(jī)和“阿麗亞那”火箭。當(dāng)然歐盟發(fā)展航天事業(yè)遇到了許多困難，既有技術(shù)上困難，也有來自國外如美國的壓力。但歐盟深知，這是事關(guān)歐洲前途的大事，是一場壟斷和反壟斷的斗爭，是一場涉及政治、經(jīng)濟(jì)、軍事和國家利益的外交斗爭，所以在追求建立自己獨(dú)立的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)上的決心從來沒有動搖過。

2. GALILEO衛(wèi)星定位技術(shù)在海洋工程中的應(yīng)用

伽利略計(jì)劃的啟動，無疑會對全球產(chǎn)生重大的影響，對我國而言，該技術(shù)將對我國的國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到劃時(shí)代的影響。歐盟發(fā)展伽利略計(jì)劃，主要從商業(yè)、政治方面考慮，打破美國的壟斷，對于我國而言，由于關(guān)鍵技術(shù)被國外公司壟斷，我們主要從應(yīng)用角度考慮，這里，我們在海洋方面加以論述。

海洋工程應(yīng)用主要包括海岸工程（Coastal Works）以及近海工程支持（Offshore Support），前者主要應(yīng)用范圍在40km以內(nèi)，便于建設(shè)自己的基站，包括疏浚工程、基礎(chǔ)建設(shè)及維護(hù)（碼頭、港口等）、土地改造、海灘養(yǎng)殖、海岸帶管理等；近海支持主要應(yīng)用在近海（離岸約500公里范圍內(nèi)），一般需要建立廣域差分系統(tǒng)，包括石油天然氣、管道鋪設(shè)、通訊電纜以及光纜等相關(guān)的工程。此外，有關(guān)大洋調(diào)查，如礦產(chǎn)資源、大洋環(huán)境調(diào)查等。

2.1. 海岸工程

海岸工程活動發(fā)生在近岸一帶，包括港口和航道的建設(shè)和維護(hù)、土地改造、海岸防護(hù)和河堤保護(hù)等。一般根據(jù)國家或者當(dāng)?shù)卣陌l(fā)展計(jì)劃，有計(jì)劃的對海岸資源進(jìn)行開發(fā)和利用。

就定位服務(wù)而言，海岸工程項(xiàng)目執(zhí)行者一般以GPS為定位設(shè)備，少部分使用全站儀進(jìn)行定位。海岸工程是一項(xiàng)高附加值的部分，在很多年里為了保證項(xiàng)目運(yùn)行能產(chǎn)生最好的生產(chǎn)效率已經(jīng)廣泛利用定位技術(shù)和吸引大量高端新技術(shù)。這一工程項(xiàng)目已經(jīng)發(fā)生在世界五大洲的幾乎每一個(gè)國家。

在海岸工程市場中，和定位系統(tǒng)有關(guān)的價(jià)值同項(xiàng)目全部開支相比較是很有限的。然而，海岸工程生產(chǎn)生產(chǎn)力的獲得絕大部分取決于定位設(shè)備的性能。因此，定位系統(tǒng)方案的選擇不但受制于技術(shù)因素，而且經(jīng)濟(jì)因素對它的影響也不容忽視。

在海岸工程市場部分，一直以來都是通過設(shè)備購買而很少通過租用定位服務(wù)來獲得在定位技術(shù)中的利益。從上世紀(jì)80年代開始，前一種依托地面無線電傳輸?shù)亩ㄎ患夹g(shù)已經(jīng)被日益增長的差分GPS所代替。近年來，為了得到精確定位應(yīng)用，在實(shí)時(shí)動態(tài)（Real Time Kinematic，簡稱RTK）技術(shù)方面呈現(xiàn)出較大的發(fā)展趨勢。

因此，海岸工程將可能利用GALILEO衛(wèi)星定位技術(shù)提供的方案，這個(gè)方案是真正經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的，它替代了現(xiàn)有以GPS為基礎(chǔ)的方案。

2.1.1. 我國目前海岸工程現(xiàn)狀

在我國，海岸工程大多由政府參與管理或直接實(shí)施的行為。在海岸40km范圍內(nèi)，海岸工程多數(shù)為石油開發(fā)，如勝利油田、遼河油田、萊州灣油田、北部灣天然氣開發(fā)等，還有近海電廠建設(shè)，如福建核電廠、山東海陽核電廠等，另外，包括海岸帶調(diào)查與利用，內(nèi)海整治工程，港口碼頭等基礎(chǔ)建設(shè)與維護(hù)，航道疏浚，漁業(yè)養(yǎng)殖等。

使用的定位系統(tǒng)而言，95%以上使用DGPS，差分?jǐn)?shù)據(jù)主要使用交通部設(shè)立的海岸信標(biāo)臺，這套系統(tǒng)為地方差分系統(tǒng)(Local Area Differential GPS)，精度為5m以內(nèi)，信號無償使用，使用的坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)。對于高精度用戶，厘米級的RTK定位技術(shù)已經(jīng)越來越多的部門使用，特別是航道疏浚方面，可以大大提高作業(yè)效率，并且節(jié)約成本。

另外，海岸工程不只是考慮航道或水道測量、堤防建造、土地改造、沙灘營養(yǎng)化等等海岸工程項(xiàng)目，甚至人工島建造都是正常航道疏?；顒拥囊徊糠帧Ｃ恳环N不同種類的工作需要一系列專業(yè)的支持工具：吸入式或旋槳式挖泥船、橫向卸貨船、駁船以及可以利用起重機(jī)裝卸的浮橋碼頭。對所有這些應(yīng)用領(lǐng)域，高質(zhì)量、高效率完成工作是海岸工程主要的要求，與此同時(shí)還必須考慮其費(fèi)用問題。

商業(yè)上的成本促使航道疏浚工業(yè)使用最先進(jìn)的定位技術(shù)，這樣做是為了使投資得到盡可能高的回報(bào)。由于在海岸工程市場上，無線電定位設(shè)備的實(shí)用性，大量的基于地面信標(biāo)的定位設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。特別是近年來，RTK GPS由于它的快速動態(tài)測量方案的優(yōu)異性能已經(jīng)得到較廣泛應(yīng)用，與此同時(shí)，RTK GPS在精確性方面也在穩(wěn)步提高。例如，在精密要求的疏浚工程中，使用實(shí)時(shí)動態(tài)定位技術(shù)提供的厘米級精度，在裝填土石方過程中可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的水位變化觀測和潮位改正，工程可以在較短的時(shí)間里高精度的完成。這些應(yīng)用可以完全利用雙頻衛(wèi)星定位接收機(jī)和令人驚訝的RTK/LRK性能完成。