伽利略衛星定位系統在海洋測繪中的應用初探

1. 伽利略計劃簡(jiǎn)介

2001年3月26日，歐盟15個(gè)成員國的交通部長(cháng)在布魯塞爾決定開(kāi)始啟動(dòng)伽利略衛星導航定位系統計劃。27日，歐盟委員會(huì )主席普羅迪稱(chēng)贊這一決定是個(gè)突破，認為伽利略計劃定會(huì )成功，為打破世界衛星導航定位系統美國獨霸天下的局面、開(kāi)創(chuàng )歐盟航天事業(yè)的新階段向前邁出了堅實(shí)的一步。

伽利略計劃的資金預計為32億到36億歐元，由30顆高軌道衛星組成，分布在軌道高度為2.4萬(wàn)千米、傾角為56度的3個(gè)軌道面上?；A設施包括天基和地基兩部分。衛星將為用戶(hù)提供精確的時(shí)間和誤差不超過(guò)一米的全球精確定位服務(wù)，與美國的全球衛星定位系統（GPS）和俄羅斯的全球衛星定位系統（GLONASS）爭奪市場(chǎng)。

伽利略計劃分4個(gè)階段逐步實(shí)施。第一階段是系統可行性評估或定義階段（2000年前結束）；第二階段為開(kāi)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)運行階段（2008年以后）。

歐盟為何如此注重開(kāi)發(fā)自己的衛星導航定位系統呢？首先，衛星導航定位可應用于人們生活的各個(gè)方面，伽利略計劃將創(chuàng )造巨大的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，打破美國在這方面的壟斷地位，為歐盟贏(yíng)得可觀(guān)的市場(chǎng)份額。權威部門(mén)預計，伽利略計劃將為歐盟創(chuàng )造15萬(wàn)個(gè)高技術(shù)含量的就業(yè)崗位，每年經(jīng)濟收益有100億歐元之多。歐盟估計，僅出售航空和航海終端設備一項就可在2008年至2020年將150億歐元收入囊中。第二，歐盟開(kāi)發(fā)此項目可為歐盟現在極力提倡的歐洲共同安全防御政策服務(wù)。歐盟近年來(lái)，一直主張要擁有獨立于北約的自己的安全體系。伽利略計劃可為實(shí)施歐洲共同安全防御政策提供必要的技術(shù)保障。第三，歐盟認為，21世紀是科技高速發(fā)展的世紀，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(méi)有科技上的領(lǐng)先地位，歐盟在將來(lái)許多事務(wù)中就沒(méi)有主導權。

正如普羅迪所說(shuō)，伽利略計劃對歐盟來(lái)說(shuō)是一場(chǎng)技術(shù)革命，它將給人們帶來(lái)的自豪感絕不會(huì )亞于“空中客車(chē)”飛機和“阿麗亞那”火箭。當然歐盟發(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(lái)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(chǎng)壟斷和反壟斷的斗爭，是一場(chǎng)涉及政治、經(jīng)濟、軍事和國家利益的外交斗爭，所以在追求建立自己獨立的衛星導航定位系統上的決心從來(lái)沒(méi)有動(dòng)搖過(guò)。

2. GALILEO衛星定位技術(shù)在海洋工程中的應用

伽利略計劃的啟動(dòng)，無(wú)疑會(huì )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)濟建設起到劃時(shí)代的影響。歐盟發(fā)展伽利略計劃，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，我們主要從應用角度考慮，這里，我們在海洋方面加以論述。

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

2.1. 海岸工程

海岸工程活動(dòng)發(fā)生在近岸一帶，包括港口和航道的建設和維護、土地改造、海岸防護和河堤保護等。一般根據國家或者當地政府的發(fā)展計劃，有計劃的對海岸資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)和利用。

就定位服務(wù)而言，海岸工程項目執行者一般以GPS為定位設備，少部分使用全站儀進(jìn)行定位。海岸工程是一項高附加值的部分，在很多年里為了保證項目運行能產(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(chǎng)中，和定位系統有關(guān)的價(jià)值同項目全部開(kāi)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備的性能。因此，定位系統方案的選擇不但受制于技術(shù)因素，而且經(jīng)濟因素對它的影響也不容忽視。

在海岸工程市場(chǎng)部分，一直以來(lái)都是通過(guò)設備購買(mǎi)而很少通過(guò)租用定位服務(wù)來(lái)獲得在定位技術(shù)中的利益。從上世紀80年代開(kāi)始，前一種依托地面無(wú)線(xiàn)電傳輸的定位技術(shù)已經(jīng)被日益增長(cháng)的差分GPS所代替。近年來(lái)，為了得到精確定位應用，在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（Real Time Kinematic，簡(jiǎn)稱(chēng)RTK）技術(shù)方面呈現出較大的發(fā)展趨勢。

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

2.1.1. 我國目前海岸工程現狀

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，海岸工程多數為石油開(kāi)發(fā)，如勝利油田、遼河油田、萊州灣油田、北部灣天然氣開(kāi)發(fā)等，還有近海電廠(chǎng)建設，如福建核電廠(chǎng)、山東海陽(yáng)核電廠(chǎng)等，另外，包括海岸帶調查與利用，內海整治工程，港口碼頭等基礎建設與維護，航道疏浚，漁業(yè)養殖等。

使用的定位系統而言，95%以上使用DGPS，差分數據主要使用交通部設立的海岸信標臺，這套系統為地方差分系統(Local Area Differential GPS)，精度為5m以?xún)?，信號無(wú)償使用，使用的坐標系統為WGS84坐標系統。對于高精度用戶(hù)，厘米級的RTK定位技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越多的部門(mén)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(yíng)養化等等海岸工程項目，甚至人工島建造都是正常航道疏?；顒?dòng)的一部分。每一種不同種類(lèi)的工作需要一系列專(zhuān)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裝卸的浮橋碼頭。對所有這些應用領(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)還必須考慮其費用問(wèn)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。由于在海岸工程市場(chǎng)上，無(wú)線(xiàn)電定位設備的實(shí)用性，大量的基于地面信標的定位設備得到廣泛應用。特別是近年來(lái)，RTK GPS由于它的快速動(dòng)態(tài)測量方案的優(yōu)異性能已經(jīng)得到較廣泛應用，與此同時(shí)，RTK GPS在精確性方面也在穩步提高。例如，在精密要求的疏浚工程中，使用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)提供的厘米級精度，在裝填土石方過(guò)程中可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的水位變化觀(guān)測和潮位改正，工程可以在較短的時(shí)間里高精度的完成。這些應用可以完全利用雙頻衛星定位接收機和令人驚訝的RTK/LRK性能完成。