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导航定位系统
早期的大洋多金属结核调查的导航定位工作采用罗兰C式导航系统。随着科学技术的不断发展，卫星导航取代了上述系统。TRANSIT卫星综合导航系统曾经一度是各国进行大洋调查中定位的主要手段。
3.3.1 TRANSIT导航定位系统
TRANSIT子午仪导航定位系统计有5枚同时操作的卫星，运行于地表上方1000km的圆形极轨道。轨道周期为107min。前后两枚卫星信号地平均间隔时间在赤道地区约为90min，南北纬45°地带间隔时间约为60min，卫星传达利用150MHz和400MHz两个频道带。这种系统操作较之先前的定位精确，而且不受气候的影响，可以全天24小时连续作业；工作方法是首先确定探测的起点和终点，其次为每隔30min确定一次船只的位置及其转向点，确定取样位置，包括投放和回收无缆地质取样器的地点以及有缆地质取样器投放位置、海底接触位置和回收地点。
TRANSIT号人造卫星在轨道上每107min绕地球一次，高度为600n mile，绕行轨道为呈橘子图像的剖面——赤道部分宽，向两极部分收缩。这些人造卫星在南北极之间环绕地球，但它们的轨道不随地球旋转。因此，六个轨道就似一个静止的球形鸟笼，地球则在笼内绕轴自转。因而，地球表面每一点大约一天有两次处于这六个轨道之下。每个人造卫星连续不断地以时间函数广播其位置，只要测出人造卫星飞越船顶时所收到的讯号的多普勒频率率化，就可以非常精确地定出船只相对人造卫星航线的位置。使用这一系统进行卫星定位的精确度在30m以内。船只的速度误差可以造成其它误差。经过两小时后的累积计算定位误差在大多数海上条件下仍可以使位置精确度在2000m以内。这个系统现已被全球定位系统〔GPS）所替代，后者的定位精度更为精确。
3.3.2 全球定位系统
全球定位系统是一个连续性的全球导航和定位系统。它为陆地、海上和空中的应用提供精确的三维定位导航。全球定位系统的生产卫星均匀地散开分布在六个轨道平面上。从一个卫星讯号中解译的导航数据包含了精确的卫星轨道数据、系统时间、卫星时钟性能数据和各种状况信息。实际上，卫星轨道数据的一个完全的导航信息中共有两项：①对发送卫星备有精确的轨道参数（天体位置推算表）；②对其它可能的卫星则备有较不精确的数据（天文年鉴）。使用者位置的确定是利用“天体位置推算表”，计算接收到的每一个卫星发送的讯号当时使用者的位置来完成的。确定讯号到达使用者的时间的精确度不超出有关各时钟偏差范围。方法是利用卫星所发出的C/A信号码来校准接收机。反传播时间迟延和时钟误差之和根据炮速度加以比例换算以用于计算伪范围。由于大洋多金属结核远离陆地、岛屿，不能使用差分全球定位系统，所以目前使用的全球定位系统其导航定位误差为35m，概率90%。
若要在较小的区域内进行详测，则采用一个长基线声学导航系统。这个系统先要投放一系列声学应答器，在对它们所构成的定位场进行校准后就可以用于测定船只或任何其它配有声学应答器的装置的位置，其误差往往不超过10m。
地质矿产部海洋四号船在东太平洋海域进行多金属结核矿产资源调查中，曾先后采用过MX5000型综合卫星导航系统和ISAH-GPS系统（加拿大Quester Tangent公司生产）进行卫星导航、定位。后者包括有全球定位系统（美国Ashtech公司生产）、多路接口系统及其外围设备。如上所述，全球定位系统的特点是卫星多，能连续实时导航定位，操作简便，功能与精度明显高于子午仪系统。ISAH-GPS系统的多路接口的功能是将调查仪器与GPS联机工作。在地震测量工作中，由GPS系统控制并触发地震放炮，提供位标记并将前述调查资料与导航定位资料一并显示、打印和记带。
对GPS系统进行了3次稳定性试验。结果表明，其离散半径r均小于40m。在3r半径下保证了99%的定位精度（即99%的抽样点在3r半径内），当航速为v，定位时间间隔为t时，则动态定位精度优于3r+vt。若航速小于15km/h，定位取样间隔为2s，定位精度均优于3×40+4.2×2＜130m。若航速＜28km/h，取样间隔时间为2s，其定位精度优于3×40+7.8×2＜140m。这些试验结果表明，运用全球定位系统进行大洋多金属结核调查可以保证获得足够的定位精度。
高精度差分GPS技术在海洋资源调查中的应用
杨世学 刘宇明
摘要 本文以差分GPS技术多年来在海洋资源调查中使用为例，对差分技术在海洋资源调查中的应用和定位质量评定方法作探讨，并对两种综合导航定位系统作了介绍。
关键词 差分GPS技术 定位中误差 伪距
1 前言
自20世纪90年代以来，我国海洋资源调查中，使用了许多先进的技术手段，如多波束地形地貌全覆盖精密探测技术、多道数字地震勘探和海洋工程勘探技术等，为我国海洋资源的探测发挥了重要作用。而这些先进的技术手段都离不开导航定位技术，近年来，高精度差分GPS导航定位技术有了很大发展，在海洋资源调查中得到广泛的应用。
2 差分GPS定位技术的产生
对海洋资源调查来说，最合适的测量手段是GPS定位技术。早期的GPS定位精度（2DRMS）在百米左右，美国政府在GPS设计中，设计了两种定位方式，即标准定位服务（SPS）及精密定位服务（PPS）。标准定位服务的定位精度约100m，提供给民间用户使用；精密定位服务的定位精度可达到10m，但仅提供给美国军方和得到美国政府特许的用户使用。在标准定位服务方式中，美国政府采用了选择可用性（SA）政策，人为地将误差引入卫星时钟和卫星轨道数据中，降低了GPS的定位精度，使得标准定位服务方式的用户仅能获得100m的水平定位精度（2DRMS）。为了克服SA政策的影响，国内外一些SPS方式的用户采用了较易实施的方法——差分GPS（DGPS）技术。GPS测量中，主要存在着两大误差，一是GPS接收机本身的误差，它包括噪声和量变误差、接收机通道偏差和多路径误差；二是外部误差，它包括电离层延迟误差、对流层延迟误差、卫星时钟误差和卫星轨道参数误差。使用差分技术，主要是为了消除大部分外部公共误差，从而达到提高定位精度的目的。
差分GPS系统可分为四种：位置差分，伪距差分，相位平滑伪距差分和相位差分。这四种差分方式的工作原理基本相同。伪距差分GPS系统工作时，基准站接收机观察它至所有可见卫星的距离，它包含有卫星时钟误差、电离层延迟误差、对流层延迟误差、卫星轨道参数误差等，因此，该距离称为伪距。根据已测定的基准站坐标，求得其至各卫星的精确距离，得到各卫星的伪距改正数，即测定的基准站坐标，求得其至各卫星的精确距离，得到各卫星的伪距改正数，即测距误差。利用α－β滤波器将此差值滤波并求出其偏差——误差改正值。将所有卫星的误差改正值通过通讯链传送给用户。用户利用此值改正测量伪距，从而消除外部误差，提高定位精度。
2000年以后，美国政府暂时取消SA政策（Selective Availability）,GPS单机定位精度有了较大的提高。但是，海上实际工作证明，它仍未能满足海洋资源高精度调查的需要，因此，差分GPS技术仍然得到广泛的使用（图1）。
图1 差分GPS系统工作原理
Fig.1 The operating principle of DGPS
3 差分GPS定位技术的应用及探讨
目前我局使用的差分GPS（DGPS）技术有：广域差分GPS技术和区域差分GPS技术。
3.1 广域差分GPS技术
它的工作原理是：在广大的区域内每隔一定的距离建立一个基准站，基准站的接收机观测它至所有可视卫星的距离，这一距离中包含卫星时钟误差、电离层延迟误差、卫星轨道参数误差等。再根据基准站已知坐标解算出各卫星距离的改正数，并发给主控站。主控站将各卫星的改正数发送给通讯卫星，再由通讯卫星转发给用户（如SEASTAR和LGBX-PRO卫星差分定位接收机）使用。它的工作特点是信号稳定，定位精度高，差分通讯链的作用距离基本不受限制。
LGBX-PRO卫星差分定位接收机是我局使用较多的一种广域差分定位接收机。通过陆地稳定性试验和海上实际工作证明，仪器工作稳定，定位精度高，特别适用于远离陆地的海上作业区。通过下述两个实例可说明如何评价广域差分GPS接收机的动态定位精度：
3.1.1 2001年5月在珠江口某地进行固定点稳定性试验并计算测距误差MR
采样间隔：1s采集73197组数据
试验期间LGBX接收机的HDOP最大值为1.9，最小值为0.9，平均值为1.087397。
经过计算得出其均方差值为：MP＝±5.74m
测距误差MR与均方差MP的关系为：
MP=MR×HDOPA
式中各参数的意义如下：
MP：所有样点位置的均方差
MR:GPS测距误差
HDOPA：所有样点的HDOP平均值
其中已测得：
MP＝±5.74m
HDOPA=1.087397
故： MR=MP/HDOPA＝±5.28m
经过稳定性试验得到有关数据后，船开赴南黄海开展油气资源调查，综合整个工区内的导航数据，以计算定位中误差（m）。
经统计，HDOP平均值HDOPA为1.127，
因： M=MR×HDOPA
其中MR已由上述算出为±5.28（m）
将有关数据代入误差公式中：
M=MR×HDOP＝±5.28×1.127＝±5.95（m）
3.1.2在南海东北部地球化学调查中，整个工区均使用GPS差分定位，差分信号质量良好。综合整个工区内的导航数据，经统计，HDOP平均值HDOPA为1.078，由误差公式M=MR×HDOPA同样可得到该工区的定位中误差。
如上所述 MR＝±5.28（m）
将有关数据代入误差公式：
定位中误差 M=MR×HDOP＝±5.28×1.078＝±5.69（m）
可见，使用广域差分GPS接收机进行导航定位，其定位精度可在五、六米的范围。工作中有时出现无差分信号，主要是由于受到天波干扰和船上超高频大功率通讯设备的通讯干扰。消除后者干扰的方法是，尽量将差分GPS天线远离干扰源并安装屏蔽板。
3.2 区域差分GPS技术
它的工作原理和广域差分GPS基本相同，只是它的差分改正数是由基准站的通讯链发送给用户的。由于用户和基准站同时接受到同一颗卫星发出的信号，所以，当两者之间的距离增大时，观察卫星的角度不同，相关参数的可靠性变差。因此，随着距离的增加，用户所得到的差分定位误差也会增大。目前，区域差分GPS技术有两种方式：本地差分台和信标差分台。
3.2.1 本地差分台方式
由用户在已知点上建立自己使用的差分基准台，如Sercel LRDGPS系统。它由基准站、差分改正数通讯链和移动台组成。基准站由NR103GPS接收机、格式器和数据通讯发射机组成。通讯系统采用散频技术和错误检查校正技术，数据通讯发射机采用双频发射，发射功率100W，作用距离800km，其实时差分精度在±10m以内。下面举两个实例说明该系统的工作情况。
（1）Sercel LRDGPS系统固定点接收试验。基准站放在广州海洋地质调查局技术方法所导航室楼顶联网点上，移动台放在距联网点145km的惠东县海边。数据通讯信号通过陆地传播，移动台接收到的差分信号稳定。DGPS测算距离与光电测距仪测算距离比较：误差1.68m。
（2）SERCEL差分GPS系统在南海海区工作时，差分参考站架设在一岛上。差分参考站以80W的功率发射误差改正数，移动台接收机在距离参考站800多公里的海区仍正常工作。表1是其中一条测线工作时，差分系统定位中误差统计结果。
表1 SERCEL差分GPS系统定位中误差统计
从表1中的数据可知，差分工作状态时，工作距离达到800km，系统提供的定位中误差优于±10m的定位点仍可达到97%以上。
3.2.2 信标差分台
世界上许多国家利用设在沿海的无线电指向信标台发射差分GPS信号，在该信号覆盖范围内，用户GPS接收机接收到信标差分信息就可提高定位精度。我国已建成二十个发射差分GPS信号的信标台，信号覆盖中国沿海300km地区，从2002年起正式投入使用，该信标网精度很高，在离站台300km之内，定位中误差小于3m。我局的LGBX-PRO GPS接收机可接收信标台的差分信息进行定位。
4 综合导航定位系统
海洋调查船装备了不同类型的物理勘探仪器。如地震仪、浅地层剖面仪、测深仪、多波束测量系统、旁测声纳、磁力仪和重力仪等等。综合导航定位系统不仅要为调查船的海上作业进行导航定位，同时还须控制物探设备、采集调查数据及测线控制参数，在使调查船沿着预定的测线作业的同时还要对定位数据进行质量监控，并将优化的定位数据以不同的数据格式输送到物探仪器。调查船使用了综合导航定位系统后，提高了作业效率，保证了野外采集数据的质量，加强了定位数据和物探数据的交换性，为室内后处理提供了可靠的原始资料。图2是HYPACK和SPECTRA综合导航定位系统的工作原理图。
图2中的两种综合导航定位采集系统都具有较强的图形和数据处理功能，它们采用菜单形式，操作简单，系统工作稳定性。特别是SPECTRA导航定位系统，它是针对地震采集系统开发的综合导航定位采集系统，由三台导航工作站及实时导航接口（RTNU）构成以太网，形成导航控制中心，对地震记录系统、气枪控制器、电缆罗盘数据、GPS接收机数据等外部设备进行监控，通过以太网联系，可同时处理不同设备的海量数据信息。这两种综合导航定位采集系统已在南海、黄海、东海及太平洋调查项目中广泛应用。
图2 HYPACK综合导航定位系统和SPECTRA综合导航定位系统
Fig.2 The HYPACK and SPECTRA integrated navigation and positioning system
5 使用差分GPS技术的几点体会
海上作业证明，综合导航定位系统配备差分GPS接收机，能够满足各种高精度物探仪器工作的要求。在为海洋资源调查服务过程中，从如何提高GPS接收信号质量、加强抗干扰能力和改善差分信号等方面得出以下几点体会。
（1）在某些区域存在着广域差分GPS信号不稳定、甚至长时间接收不到差分信号的情况。多次试验表明，这些区域存在较强的干扰源，特别是沿海地区，随着经济的发展，建设了大功率的雷达和通讯设备，它们的发射信号干扰了差分信号，应采取减弱干扰信号强度的措施，如安装屏蔽板、选定对干扰源方向有遮挡的方向作业等，以提高信噪比。
（2）对区域差分GPS系统而言，基准站的选址应首先考虑干扰源的问题。在拟定台址进行试验期间，观测工作频率边带的频谱，确信频带不受干扰。其次台址应尽量靠近海边，以缩短差分信号通过陆地的距离。因为无线电信号在陆地传播的衰减程度要比在海上大得多。
（3）Sercel LRDGPS系统在满负荷工作时只能运行30分钟，超过时间容易损坏仪器部件。试验和工作证明，在船台距基准台800km范围内，该系统在80%负荷工作时，其差分信号质量与系统满负荷工作时基本相同。
（4）为改善调查船接收的差分信号的质量，船台差分GPS天线位置应选择在空旷地点，尽量远离调查船上的雷达和通讯天线，并连接好地线。
参考文献及资料
[1]彭朝旭等.1999.高精度差分GPS导航定位技术研究报告（内部资料）.3～10
[2]英国CONCEPT公司SPECTRA技术手册
[3]美国COASTAL OCEANOGRAPHICS公司HYPACK技术手册
[4]国土资源部南海地质调查局技术方法所编写.2000.南黄海盆地油气资源调查与评价导航定位报告（内部资料）.2～4
[5]中国海事局发布的中国沿海RBN-DGPS台站位置及信号覆盖范围示意图。
THE APPLICATION AND DISCUSSION ON HIGH ACCURACY DIFFERENTIAL GPS IN MARINE RESOURCE INVESTIGATION
Yang Shixue Liu Yuming
Abstract:In this article,taking the use of differential GPS technology in marine resource investigation as an example,the author discusses the method and positioning quality evaluation of differential GPS technology used in marine resource investigation.And describes HYPACK and SPECTRA integrate navigation systems.
Key word:difference GPS technology,DMRS（determination of root of mean square）,pseudorange
我国古代海上导航系统是如何定位的？
我国古代海上导航系统一般是通过牵星术、太阳位置、指南针、海道图来进行在海洋中定位的，虽然不如现在的卫星定位系统精准，但已经能够保持古代航船在海洋中不会迷失方位。
牵星术
牵星术是一种根据天文星象辨别方位的航海方法。早在战国时期的时候，人们就利用磁石南北极的原理制作了能够辨别方位的“司南”，但这种发明多应用在陆地定位上，在海上航行中，人们已经可以通过一定的仪器，来测量观察海上天体的高度来辨别自己的方位。在西汉时期，就出现了在海上观星定位的牵星术，并且发行了《海中五星经杂事》和《海中星占验》等相关书籍，提供了许多在航海中对星座、行星等位置的判定经验，让人们在汪洋大海中确定自己的航线。
北极星和太阳
在古代航海中，北极星和太阳有着非同寻常的意义。人们白天依靠太阳的位置来简单判定自己所处的方位和航向，晚上则利用最明亮的北极星来判别自己的方位航向。唐朝时已经发明了一种叫“复矩”的仪器，用来测量海洋中北极星与地面的高度，从而判定出实际的子午线，对海洋航行有很好的定位导航作用。
指南针、海道图
北宋时期海上导航技术得到了重大突破，就是发明了指南针这个仪器。为了让指南针在航海上实现更精确的指向，人们把指南针设计成精确的罗盘结构，大大方便了人们在海上的航行交通和方位判别，定位效率比以前提高了很多，同时发明指南针也是人类史上的一项重要贡献。随着两宋时期频繁的海上航行活动，人们渐渐积累了很多海洋地理经验，不少人就把这些经验绘制成了海道图，由此出现了多条海上安全航线，有效促进了我国乃至世界的航海发展。
海军导航卫星系统的主要功用是什么？
美国低轨道导航卫星系列。又称海军导航卫星系统，英文缩写为NNSS。主要功用是：为核潜艇和各类海面舰船等提供高精度断续的二维定位，用于海上石油勘探和海洋调查定位、陆地用户定位和大地测量（测定极移、地球形状和重力场）等。
从1960年4月到80年代初共发射30多颗。第一颗是子午仪1B号，用来对导航卫星方案及其关键技术进行试验鉴定，并验证双频多普勒测速定位导航原理，结果证明卫星导航可行。
1963年12月发射第一颗实用导航卫星子午仪5B-2号；1964年6月发射第一颗定型导航卫星子午仪5C-1号，并交付海军使用；1967年7月子午仪号导航卫星组网实用并允许民用。
1972年开始执行子午仪改进计划（TIP），共发射3颗卫星，主要试验扰动补偿系统，对大气阻力和太阳辐射压力等引起的轨道摄动作实时补偿，大大提高了轨道预报精度，故称无阻力卫星。1981年5月发射经过改进的实用型子午仪号卫星，改名为新星号（NOVA）。
运行轨道
子午仪号卫星取高度约1000千米的近圆极轨道，采用双频多普勒测速导航体制，使用这样的低轨道是为了避免多普勒效应减弱。由轨道面均匀分开的4～5颗卫星组成围绕地球的空间导航网（导航星座），可使全球任何地方的导航用户能在平均每隔1.5小时左右利用卫星定位一次。
实用型子午仪号卫星采用重力梯度稳定，使天线对地定向。卫星上装有磁力姿态控制系统，使卫星重力杆捕获当地重力垂线，杆端阻尼球用来阻尼天平动，定向精度可达3°～5°。新星号等改进型卫星在俯仰方向上还安装了偏置动量轮进行偏航控制，重力杆改用剪刀形结构，三轴姿态控制的精度优于3°。
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