伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)在海洋測繪中的應用初探

1. 伽利略計劃簡介

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

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(wèi)星組成，分布在軌道高度為2.4萬千米、傾角為56度的3個軌道面上?；A設施包括天基和地基兩部分。衛(wèi)星將為用戶提供精確的時間和誤差不超過一米的全球精確定位服務，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。

伽利略計劃分4個階段逐步實施。第一階段是系統(tǒng)可行性評估或定義階段（2000年前結束）；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)星導航定位系統(tǒng)呢？首先，衛(wèi)星導航定位可應用于人們生活的各個方面，伽利略計劃將創(chuàng)造巨大的經濟效益和社會效益，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。權威部門預計，伽利略計劃將為歐盟創(chuàng)造15萬個高技術含量的就業(yè)崗位，每年經濟收益有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，歐盟開發(fā)此項目可為歐盟現(xiàn)在極力提倡的歐洲共同安全防御政策服務。歐盟近年來，一直主張要擁有獨立于北約的自己的安全體系。伽利略計劃可為實施歐洲共同安全防御政策提供必要的技術保障。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重要地位，占領世界高科技陣地是不可或缺的。沒有科技上的領先地位，歐盟在將來許多事務中就沒有主導權。

正如普羅迪所說，伽利略計劃對歐盟來說是一場技術革命，它將給人們帶來的自豪感絕不會亞于“空中客車”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，既有技術上困難，也有來自國外如美國的壓力。但歐盟深知，這是事關歐洲前途的大事，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(wèi)星導航定位系統(tǒng)上的決心從來沒有動搖過。

2. GALILEO衛(wèi)星定位技術在海洋工程中的應用

伽利略計劃的啟動，無疑會對全球產生重大的影響，對我國而言，該技術將對我國的國民經濟建設起到劃時代的影響。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，由于關鍵技術被國外公司壟斷，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以內，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(yǎng)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(tǒng)，包括石油天然氣、管道鋪設、通訊電纜以及光纜等相關的工程。此外，有關大洋調查，如礦產資源、大洋環(huán)境調查等。

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行開發(fā)和利用。

就定位服務而言，海岸工程項目執(zhí)行者一般以GPS為定位設備，少部分使用全站儀進行定位。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生最好的生產效率已經廣泛利用定位技術和吸引大量高端新技術。這一工程項目已經發(fā)生在世界五大洲的幾乎每一個國家。

在海岸工程市場中，和定位系統(tǒng)有關的價值同項目全部開支相比較是很有限的。然而，海岸工程生產生產力的獲得絕大部分取決于定位設備的性能。因此，定位系統(tǒng)方案的選擇不但受制于技術因素，而且經濟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備購買而很少通過租用定位服務來獲得在定位技術中的利益。從上世紀80年代開始，前一種依托地面無線電傳輸的定位技術已經被日益增長的差分GPS所代替。近年來，為了得到精確定位應用，在實時動態(tài)（Real Time Kinematic，簡稱RTK）技術方面呈現(xiàn)出較大的發(fā)展趨勢。

因此，海岸工程將可能利用GALILEO衛(wèi)星定位技術提供的方案，這個方案是真正經濟和技術的，它替代了現(xiàn)有以GPS為基礎的方案。

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施的行為。在海岸40km范圍內，海岸工程多數為石油開發(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，如福建核電廠、山東海陽核電廠等，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(yǎng)殖等。

使用的定位系統(tǒng)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(tǒng)為地方差分系統(tǒng)(Local Area Differential GPS)，精度為5m以內，信號無償使用，使用的坐標系統(tǒng)為WGS84坐標系統(tǒng)。對于高精度用戶，厘米級的RTK定位技術已經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)化等等海岸工程項目，甚至人工島建造都是正常航道疏浚活動的一部分。每一種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裝卸的浮橋碼頭。對所有這些應用領域，高質量、高效率完成工作是海岸工程主要的要求，與此同時還必須考慮其費用問題。

商業(yè)上的成本促使航道疏浚工業(yè)使用最先進的定位技術，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上，無線電定位設備的實用性，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，RTK GPS由于它的快速動態(tài)測量方案的優(yōu)異性能已經得到較廣泛應用，與此同時，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，使用實時動態(tài)定位技術提供的厘米級精度，在裝填土石方過程中可以進行實時的水位變化觀測和潮位改正，工程可以在較短的時間里高精度的完成。這些應用可以完全利用雙頻衛(wèi)星定位接收機和令人驚訝的RTK/LRK性能完成。