基于GNSS浮標的實時水深船舶導航模型＊

湯均博，周 立

（淮海工學院 測繪工程學院，江蘇 連云港 222005）

0 引言

船舶在海上航行時，大多是依據(jù)航海圖導航的。而航海圖上標注的水深是以深度基準面為準的圖載水深。從1956年開始，我國就統(tǒng)一采用理論最低潮面作為我國海圖的深度基準面。這種海圖水深的表示方法，能較好地保證艦船航行的安全。由于潮汐的影響，海水的瞬時深度隨水位不斷發(fā)生變化，瞬時水深往往比圖載水深要深，如果艦船能夠?qū)崟r獲得航道瞬時水深，利用水位變化導航，則可擴大航道的通航能力。

在實際航海中，通常利用潮位預報得到某時刻的潮位值來改正海圖水深數(shù)據(jù)，進而估計實時水深。但是這種預報潮位沒有考慮實際存在的涌浪、風浪、余水位等誤差，和實際水深相比，其誤差有時會達到dm 級［1－2］；而且，潮位預報的范圍往往較大，不利于航道、港池和碼頭等局部范圍的導航。因此，探索一種可行的實時水深導航模型，構(gòu)建局部實時水深導航系統(tǒng)，具有一定的實用意義。

1 GNSS浮標實時水深導航模型構(gòu)建

隨著衛(wèi)星導航定位（GNSS）技術(shù)的發(fā)展，GNSS技術(shù)在海洋測繪各個領(lǐng)域得到深入廣泛的應用。特別是 DGPS技術(shù)的發(fā)展，信標差分、GPS－RTK、CORS等差分定位手段為高精度海洋測繪工程提供了新的技術(shù)途徑。這為海面布設(shè)GNSS浮標，實時測定海面三維坐標提供了很好的技術(shù)保障。本文提出，借助布設(shè)的GNSS浮標實時測定浮標所在位置的大地坐標（B，L，H），通過數(shù)據(jù)鏈，發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心（基準站），通過對船舶導航系統(tǒng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)進行改正，獲得GNSS浮標所在位置及附近區(qū)域的實時水位，達到引導船舶航行的目的。導航模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GNSS浮標導航模型結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic model of GNSS navigation buoy

1.1 GNSS浮標

GNSS浮標采用錨系浮標形式。浮標水上部分裝載GNSS接收機、信號發(fā)射器、姿態(tài)傳感器及供電設(shè)備。GNSS接收機能接收衛(wèi)星信號，實現(xiàn)浮標的實時定位，并通過信號發(fā)射器將定位信息發(fā)送到岸上GNSS基準站。

1.2 GNSS基準站

GNSS基準站又是導航信息處理中心。其主要功能是：① 接收GNSS衛(wèi)星信號。通過電臺接收浮標定位信號并對接收到的浮標定位信息進行差分改正，獲得較高精度的浮標平面坐標和浮標所在海水面的WGS84橢球大地高。②構(gòu)建GNSS浮標信息系統(tǒng)。應用該系統(tǒng)能實現(xiàn)浮標編號、大小、所在位置及其海面瞬時高度的查詢。③ 實現(xiàn)電子海圖與浮標信息系統(tǒng)的融合。通過電子海圖系統(tǒng)能查詢航道信息、GNSS浮標位置海圖基準及瞬時水深。④通過電臺實時發(fā)布海圖及浮標所在位置的實時水位或水深等信息。

1.3 船舶導航

船舶導航通過現(xiàn)有的船載導航儀來實現(xiàn)。通過船載GNSS定位儀、信號收發(fā)臺實現(xiàn)與基準站的信息互動，通過導航軟件設(shè)置航線并查詢航線區(qū)域海圖，查詢航線區(qū)域?qū)崟r水深。

GNSS浮標實時水深導航模型的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 GNSS浮標實時水深導航模型的功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Functional configuration diagram of real－depth model about GNSS navigation buoy

2 GNSS浮標實時水深船舶導航模型的可行性分析

（1）該模型中，航道水面GNSS浮標有3根錨鏈系泊，每根錨鏈在靠近浮標處都放置一個浮筒。試驗結(jié)果表明，此錨泊系統(tǒng)能滿足浮標的運動，錨鏈張力也比較小，具有較好的工程應用價值［3］。為提高浮標的定位精度，可安裝浮標姿態(tài)傳感器采集校正數(shù)據(jù)調(diào)制后發(fā)送到GNSS基準站。應用GPS測定水面高度，觀測條件好的情況下能達到標準偏差3cm，觀測條件不好的情況下能獲得與驗潮儀一樣的結(jié)果［4］。GNSS浮標的密度可參考一個驗潮站控制的范圍為準，即同一時刻任兩點的潮位高低之差不得大于測深精度的一半［5］；潮位變化大的地區(qū)，GNSS浮標設(shè)置密度大；潮位變化小的區(qū)域，GNSS浮標設(shè)置密度小。

（2）數(shù)據(jù)處理中心（GNSS基準站）可通過改造沿海信標基準臺站，進行功能拓展。海圖對應的深度基準面的大地高，可在確定深度基準面的長期驗潮站測量求取。根據(jù)文獻［6］，只要在驗潮站附近水準點架設(shè)GNSS接收機，測定水準點的 WGS84橢球大地高就可獲得深度基準面的大地高。

驗潮站深度基準面與GNSS天線、驗潮站水準點、多年平均海面等基準面之間的空間結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 驗潮站深度基準面大地高求定示意Fig.3 Schematic diagram of datum geodetic height in tide station

由圖3可知，驗潮站深度基準面的大地高可由下式求得：

式中，H為GNSS天線大地高，Δh為GPS天線至水準點的高差，h為驗潮站水準點高程，hm為多年平均海面至深度基準面的高差。

數(shù)據(jù)處理中心可構(gòu)建浮標管理信息系統(tǒng)對浮標進行管理［7］，在電子海圖信息系統(tǒng)中可查詢浮標的實時位置，并將浮標所在區(qū)域水位和實時水深通過電臺發(fā)送給用戶（船舶）。

（3）目前交通部下轄的各海事局港區(qū)及外港作業(yè)船舶都在使用DGPS導航儀（如MX400系列）。該定位儀依靠全球各國海上安全監(jiān)督管理部門設(shè)置的指向標站日夜通過數(shù)據(jù)鏈播發(fā)RTCM改正數(shù)信息，實現(xiàn)船舶DGPS定位；同時能夠查詢附近船舶在電子海圖上位置［8－9］。若在數(shù)據(jù)鏈中調(diào)制 GNSS浮標位置及水深信息，在船載導航儀中實現(xiàn)GNSS浮標及實時水深查詢是可行的。

3 結(jié)束語

在船舶航行過程中，常借助海圖和潮汐表來預報計劃航線上的水深。由于圖載水深和預報水位的誤差，造成預報水深和實際水深的差異，給航行帶來安全隱患。本文提出在海面安置一些GNSS浮標，實時測定瞬時海面的高度，并將經(jīng)過處理的實時水位信息發(fā)送給用戶。在電子海圖中加載航線實時水深，可對船舶進行導航。該模型包括海上GNSS浮標、數(shù)據(jù)處理中心（基準站）和用戶（船舶）3個部分，各部分實現(xiàn)不同的功能。模型涉及GNSS技術(shù)、通信技術(shù)和電子海圖技術(shù)，如果將3種技術(shù)很好地融合在一起，在實際工作中是切實可行的。

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