跨海大桥下GNSS信号盲区连续定位技术探讨

跨海大桥下GNSS信号盲区连续定位技术探讨

李盼盼

上海山南勘测设计有限公司，上海 201206

摘要：随着我国跨海大桥建设的飞速发展，桥下GNSS（全球导航卫星系统）信号盲区问题日益凸显，对水下地形测量等作业造成了严重困扰。本文首先分析了跨海大桥下GNSS信号盲区形成的原因，深入探讨了GNSS与惯性导航系统（INS）组合定位技术的原理、优势及其在跨海大桥下连续定位中的应用。通过对比单一导航系统与组合导航系统的性能差异，提出了在复杂海洋环境下实现连续高精度定位的技术途径。

关键词：跨海大桥；GNSS信号盲区；连续定位技术；INS；组合导航系统

1 引言

跨海大桥作为连接海域两岸的重要通道，在提升区域交通便捷性和促进经济发展中发挥着举足轻重的作用。随着综合国力的提升，我国先后建成了杭州湾跨海大桥、舟山连岛跨海大桥、青岛胶州湾跨海大桥、港珠澳大桥等一系列高难度、高投入的外海大桥，一次次的刷新着世界纪录。在提高通行效率，拉动经济发展的同时，安全性也不容忽视，水下地形测量等作业需求日益增加。跨海大桥桥面因GNSS信号遮挡，导致在桥下形成信号盲区，严重影响了多波束测深系统的定位精度和连续性。因此，跨海大桥下GNSS信号盲区连续定位技术具有重要的理论意义和实际应用价值。

2 GNSS信号盲区现状及影响分析

GNSS（全球导航卫星系统）是一个由多个卫星组成的网络，为全球范围提供定位、导航和授时服务。它利用卫星发射无线电信号，通过接收和处理这些信号，使得地面或空间用户能够确定其精确的位置、速度和时间信息。GNSS作为现代测绘领域最为普遍的定位手段，具有全天候、准确度高等优势。GNSS通过接收卫星信号进行定位，其精度受卫星数量、分布、信号质量、接收机性能等多种因素影响。然而，在跨海大桥复杂环境下，由于桥面对GNSS信号的遮挡，在桥下形成了GNSS信号盲区。在此区域内，无法实现高精度、连续性的定位。此外，受调查海域环境条件差、构筑物遮挡RTK差分信号、RTK电台作用距离远等多重因素的影响，GNSS定位精度会进一步降低，甚至影响惯导系统的有效运行。GNSS信号盲区对水下地形测量等作业的影响主要表现在以下几个方面：一是定位精度降低，无法满足高精度测量需求；二是定位连续性差，影响作业效率和安全性；三是增加作业成本，需要采用其他辅助手段进行定位。因此，解决跨海大桥下GNSS信号盲区问题，实现连续高精度定位，对于提高水下地形测量等作业的效率和安全性具有重要意义。

3 GNSS/INS组合定位技术原理及优势

惯性导航系统（INS）是一种高精度自主导航技术，主要是利用测量物体在惯性空间中的加速度，经过积分运算得到物体的速度和位置等导航参数，从而实现导航、定位和姿态确定等功能。INS主要由惯性测量单元（IMU）和导航计算机两部分构成。IMU内部集成了三个加速度计和三个陀螺仪，分别用于测量载体在三个轴向的加速度和角速度。加速度计通过测量载体相对于惯性空间的加速度，经过积分运算得到载体的速度；而陀螺仪则用于测量载体相对于惯性空间的角速度，经过积分运算得到载体的姿态角。

INS不依赖于任何外部信息，具有较强的抗干扰能力，因此可以在任何环境下进行自主导航和定位，包括GNSS信号无法覆盖的区域或受到干扰的区域。INS通过积分运算得到导航参数，因此存在误差累积的问题。随着时间的推移，误差会逐渐增大，影响导航精度。

GNSS具有长期精度高的优点，但易受干扰与遮挡；而INS具有短期精度高、不受外界干扰的优势，但长期精度较低。由于GNSS信号盲区的影响，在跨海大桥下单独使用GNSS或INS均无法满足高精度、连续性的定位要求，将两者结合使用，互补优势，能够实现高精度、连续性的定位。

GNSS/INS组合定位技术具有以下优势：

1、高精度：结合GNSS和INS的优势，可以实现高精度定位，满足复杂环境下的定位需求。

2、连续性：在GNSS信号盲区，INS能够弥补GNSS信号的不足，提供稳定的导航数据，保证定位的连续性。

3、抗干扰能力强：INS不受外界信号干扰，可以在复杂环境下提供稳定的导航数据。

4 GNSS/INS组合定位实现路径

1、选择合适的GNSS接收机和INS传感器

为实现跨海大桥下的连续定位，需要选择性能优良的GNSS接收机和INS传感器。接收机应具备较高的接收灵敏度和抗干扰能力，以便在信号较弱或受到干扰时仍能稳定接收卫星信号；INS传感器应具备精度高、可靠性强等特点，以提供准确的导航数据。

2、优化数据融合算法

数据融合算法是GNSS/INS组合导航系统的核心。通过优化数据融合算法，可以实现GNSS和INS数据的最佳融合，提高定位精度和连续性。在实际应用中，可以采用卡尔曼滤波算法或粒子滤波算法等先进的融合算法，对GNSS和INS数据进行融合处理。

3、建立差分定位基站

在跨海大桥周边建立差分定位基站，可以提高GNSS接收机的定位精度。差分定位基站通过接收多个卫星信号并计算误差修正值，将修正值传输给GNSS接收机，从而消除或减小卫星信号传播过程中的误差，提高定位精度。

4、考虑海洋环境对定位的影响

在跨海大桥下，海洋环境对定位精度和连续性具有重要的影响。例如，海浪、海流等海洋动力因素会对定位结果产生干扰。因此，在应用GNSS/INS组合定位技术时，需要充分考虑海洋环境对定位的影响，并采取相应的措施进行补偿和修正。

5 结论和展望

本文在分析跨海大桥下GNSS信号盲区问题的基础上，探讨了连续定位技术的现状与发展趋势，并重点介绍了GNSS/INS组合定位技术的原理、优势及其在跨海大桥下连续定位中的应用。GNSS/INS组合导航系统能够充分利用GNSS和INS的优势，实现连续、高精度的定位。未来，随着GNSS和INS技术的不断发展、算法的不断优化，GNSS/INS组合定位技术将在更多领域得到广泛应用，为解决复杂环境下的定位问题提供更多可能性。

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