淺談RBN-DGPS系統(tǒng)的重要作用和升級設(shè)想

李鵬宇+張平

摘 要：介紹我國RBN-DGPS臺站工作現(xiàn)狀，論述在航海實(shí)踐中的作用，探討系統(tǒng)功能升級的現(xiàn)實(shí)需求，指明實(shí)現(xiàn)功能升級的途徑。

關(guān)鍵詞：RBN-DGPS 重要作用 系統(tǒng)升級

1.RBN-DGPS系統(tǒng)概述

1 . 1 GPS

GPS是由美國國防部負(fù)責(zé)研制，主要滿足軍事需求，用于地球表面及近地空間用戶的精確定位、測速和作為一種公共時間基準(zhǔn)的全天候星基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。它可全天候、連續(xù)地為用戶提供三維位置、速度和時間基準(zhǔn)。出于自身安全考慮，美國人為增加衛(wèi)星鐘差和星歷誤差（SA政策），從而加劇GPS系統(tǒng)定位誤差。此外還存在電離層、對流層傳播等自然誤差。要獲取精準(zhǔn)定位，就必須減少存在的干擾誤差。DGPS概念便應(yīng)運(yùn)而生。

1 . 2 DGPS

所謂差分GPS（DGPS）就是把一臺GPS基準(zhǔn)接收機(jī)放在位置已精確測定的點(diǎn)上，它將收到的定位數(shù)據(jù)不斷地與其準(zhǔn)確位置相比較，求得GPS在該點(diǎn)的位置或偽距測量誤差，從而推算出所有可見衛(wèi)星偽距測量誤差，再把這些測量誤差通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)射機(jī)廣播出去，工作區(qū)內(nèi)的GPS用戶接收到這些誤差校正信息，修正GPS測量值，提高定位精度。

1 . 3 RBN/DGPS

R BN/DGPS（Radio Beacon Navigation/DGPS）即利用海事無線電信標(biāo)發(fā)射機(jī)作為數(shù)據(jù)鏈發(fā)射機(jī)而組成的一套差分GPS系統(tǒng)。以信標(biāo)為主載波，MSK調(diào)制的差分GPS修正信息為副載波組成的信標(biāo)/差分兼容發(fā)射系統(tǒng)，這樣既保留原信標(biāo)功能，又能向覆蓋區(qū)域內(nèi)發(fā)播差分校正信息，以實(shí)現(xiàn)高精度導(dǎo)航和定位。

2.RBN-DGPS系統(tǒng)在航海實(shí)踐中的作用

2 . 1在船舶進(jìn)出港中的作用

在進(jìn)出港時，由于有限的航道和有限的時間，尤其是船只交會的時候，可以選用DGPS來保證導(dǎo)航的精度，避免擱淺和碰撞。現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（ECDIS），就是將DGPS、雷達(dá)、計(jì)程儀、測深儀、VTS、AIS等各種信號和設(shè)備整合利用，為船只進(jìn)出口提供高精度的導(dǎo)航定位服務(wù)。這種系統(tǒng)功能強(qiáng)大，直觀方便，能在地形圖上顯示出高精度的本船位置，在能見度較低的霧天條件下也可正常工作，這是目視導(dǎo)航所不及的。DGPS的重要作用不言自明。

2 . 2在測定船舶機(jī)動性中的作用2.2.1 精準(zhǔn)測定船舶航速

過去船舶測速，大都采用高精度無線電定位儀來測定，相對誤差在1%左右，但比較繁瑣。GPS的出現(xiàn)使航速測量更加簡單方便。利用差分GPS定位技術(shù)，可使航速測量的相對誤差不超過0.1%。但值得注意的是，直接利用標(biāo)準(zhǔn)GPS進(jìn)行測速，相對誤差可能會超過5%。

2.2.2 準(zhǔn)確測量船舶回旋半徑

回旋半徑是指船舶在一定舵角和一定速度條件下，船舶航行的圓形航跡半徑。它是船舶機(jī)動性的重要指標(biāo)。在測量時，可通過接收差分GPS信號，實(shí)時獲得準(zhǔn)確的位置信息，每半分鐘記錄一次。先同一航速和舵角條件下回旋3-4圈，然后反向航行相同的回旋，并記錄信息。通過電腦可把測量的結(jié)果繪制在航跡儀上，直接獲得旋回圓曲圖，并解算出回旋半徑及周期。反復(fù)進(jìn)行此操作，求出不同舵角時的旋回半徑和周期，對船舶準(zhǔn)確進(jìn)出港和在狹窄巷道中航行都有重要作用。

2.2.3 測定船舶舵角提前量

舵角提前量是指船舶從發(fā)出指令開始轉(zhuǎn)舵的位置，到船舶實(shí)際航跡已經(jīng)到達(dá)新航向時所需航行的距離。當(dāng)船舶在狹窄水道航行時，必須精確知道船舶各種舵角和不同航速時，達(dá)到新航向所需的舵角提前量。船舶航行中，從下達(dá)轉(zhuǎn)向舵令開始，連續(xù)記錄差分GPS位置數(shù)據(jù)，一直到進(jìn)入新航線，然后繪制出航跡圖，求出到達(dá)進(jìn)入新航線時的距離，便獲得轉(zhuǎn)舵角的提前量。精準(zhǔn)測定不同舵角的提前量，對船舶安全航行意義重大。差分GPS信號功不可沒。

2.2.4 測量船舶航向穩(wěn)定性

航向穩(wěn)定性即操縱能力，是指船舵位于船首線時，船舶保持直線航行的能力。由于種種原因，盡管舵角為零，但船舶航向卻在改變，駕駛員必須根據(jù)羅經(jīng)指示值的變化，不斷操控船舶，使之航行在預(yù)定航線上。差分GPS使測量船舶航向更簡便快捷，測量時，只要連續(xù)記錄差分GPS的位置信息，求出平均方位線的各點(diǎn)相對于平均速度方位線的偏移量，即可求出直線航行穩(wěn)定性。這一指標(biāo)與考核和提高船員的操縱能力，節(jié)省燃油和縮短航行時間密切相關(guān)。

2 . 3在校準(zhǔn)助航儀器中的作用

船舶上裝備的助航設(shè)備很多，如：計(jì)程儀、羅經(jīng)等。這些設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，不依賴外部信息。但有的儀器累計(jì)誤差大，需要定期校準(zhǔn)。利用差分GPS校準(zhǔn)這些助航儀器，精度高，且速度快。在無風(fēng)流情況下，用差分GPS實(shí)時給出船舶的平面位置，同時記錄計(jì)程儀和羅經(jīng)的讀數(shù)，通過計(jì)算機(jī)求出各點(diǎn)間距離和方位，以此校準(zhǔn)計(jì)程儀和羅經(jīng)。這種校準(zhǔn)方法精度高，距離誤差小于0.1%，航向誤差小于5分。

3.RBN-DGPS系統(tǒng)升級的現(xiàn)實(shí)需求

3 . 1提高RBN-DGPS系統(tǒng)的可靠性和安全性GPS歷經(jīng)20多年開發(fā)建設(shè)，已在各領(lǐng)域處于壟斷地位。鑒于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的巨大作用，許多國家已經(jīng)爭相發(fā)展自己的導(dǎo)航系統(tǒng)。俄羅斯已擁有GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，歐洲正著手建設(shè)Gialilue衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，我國也在開發(fā)“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前，我國多數(shù)RBN-DGPS臺站只能播發(fā)GPS差分信息，信息源單一，易受干擾限制，針對當(dāng)前世界衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)競相發(fā)展的現(xiàn)狀，研究對其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容性以提高RBN-DGPS系統(tǒng)的可靠性和安全性具有非常重要戰(zhàn)略意義。

3 . 2選擇更好的衛(wèi)星覆蓋以改善定位精度

俄羅斯GLONASS現(xiàn)已有30顆工作衛(wèi)星，且已實(shí)現(xiàn)與GPS/Gialilue在L1頻點(diǎn)上兼容和互用。歐洲Gialilue系統(tǒng)也將由30顆衛(wèi)星組成，并可提供精度1m的民用信號，它與GPS在L1和L5頻點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)兼容和互用。我國“北斗”系統(tǒng)現(xiàn)有15顆工作衛(wèi)星組網(wǎng)，預(yù)計(jì)2020年建成覆蓋全球的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。在建筑物密集城市或樹木茂盛的森林地區(qū)，由于GPS衛(wèi)星信號易被遮擋，使得GPS單系統(tǒng)的可見衛(wèi)星數(shù)較少或不足，導(dǎo)致定位精度較差，甚至無法定位。若將上述4大系統(tǒng)組合定位，將使得可用衛(wèi)星數(shù)成倍增加，有利于增強(qiáng)衛(wèi)星分布的幾何圖形強(qiáng)度，提高定位測量精度、可靠性和效率。

3 . 3提高RBN-DGPS臺站自動化管理程度

我國多數(shù)RBN-DGPS臺站都處于孤島或犄角等沿海偏遠(yuǎn)地區(qū)，且不同程度存在設(shè)備陳舊化、人員老齡化等，對RBN-DGPS系統(tǒng)的正常工作造成影響。因此需要加系統(tǒng)改造升級力度，使該系統(tǒng)具備自動監(jiān)控機(jī)房濕度溫度、火情盜情和供電系統(tǒng)工作狀況的功能，并可將實(shí)時監(jiān)測情況報送上級部門，提高

RBN-DGPS系統(tǒng)自動化管理程度。

4.RBN-DGPS系統(tǒng)升級的具體途徑

4 . 1基準(zhǔn)站接收機(jī)的多星兼容

RBN-DGPS系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)站、完善性監(jiān)測臺和播發(fā)臺組成。將RBNDGPS系統(tǒng)升級為多星兼容，可充分利用現(xiàn)有臺站設(shè)施和播發(fā)系統(tǒng)，重點(diǎn)改造基準(zhǔn)站的衛(wèi)星接收機(jī)、完善性監(jiān)測軟件，沿用MSK調(diào)制方式及相關(guān)配套設(shè)施。升級后的基準(zhǔn)站衛(wèi)星接收機(jī)天線需采用組合有源天線，信號處理單元擴(kuò)展為48路通道，以保證基準(zhǔn)站的視野范圍內(nèi)各衛(wèi)星系統(tǒng)的所有衛(wèi)星信號均能有效接受并參與計(jì)算處理，實(shí)現(xiàn)對各個衛(wèi)星系統(tǒng)差分信息的統(tǒng)一計(jì)算、打包、順序播發(fā)和人工設(shè)置播發(fā)等各項(xiàng)功能需求。升級后的監(jiān)控軟件可以基本參考現(xiàn)行監(jiān)控軟件，對原有的數(shù)據(jù)監(jiān)測、儲存、參數(shù)配置、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等功能模塊進(jìn)行擴(kuò)展，以適應(yīng)于多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)三維差分信息的監(jiān)控。

4 . 2差分信息播發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展

RBN-DGPS系統(tǒng)對外播發(fā)的格式和類型所采用的標(biāo)準(zhǔn)為RTCMSC-104于1996年公布的《適用于差分GPS基準(zhǔn)站和完善性監(jiān)測站的推薦標(biāo)準(zhǔn)》，目前尚未有新的差分信息播發(fā)的國際標(biāo)準(zhǔn)出臺。因此對升級后的RBN-DGPS系統(tǒng)，必須對RTCMSC-104的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)展定義。RBN-DGPS系統(tǒng)對外播發(fā)信息的速率為 200bps，經(jīng)估算可知，基準(zhǔn)臺站將視野內(nèi)所有GPS衛(wèi)星的差分信息全部播發(fā)出去的周期為3-4s，如果升級后的系統(tǒng)也采用順序播發(fā)的方式，則所有衛(wèi)星差分信息播發(fā)的更新周期約為12-16s。在沒有SA政策的情況下，GPS在20s內(nèi)的差分改正是基本穩(wěn)定不變的，因此上述升級后的RBNDGPS系統(tǒng)12-16s的差分信息播發(fā)更新周期是可行的。

4 . 3臺站設(shè)備的智能監(jiān)測

通過增加輸入輸出接口處理單元、接口信號放大及調(diào)理單元、監(jiān)測模塊和GPRS模塊的方式，利用多數(shù)臺站八串口同工控機(jī)進(jìn)行通訊，可將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)顯示在臺站屏幕上，還可將測試結(jié)果送往上級監(jiān)控中心。當(dāng)臺站監(jiān)控管理軟件監(jiān)測到設(shè)備、設(shè)施出現(xiàn)異常時，會自動發(fā)送短信通知有關(guān)人員，實(shí)現(xiàn)臺站設(shè)備的智能監(jiān)測報警。升級后的設(shè)備能初步獲得天線電流監(jiān)測、機(jī)房溫度濕度監(jiān)測、供電系統(tǒng)監(jiān)測、柴油機(jī)開關(guān)控制、空調(diào)開關(guān)控制、煙霧探測、短訊警告等功能，促使臺站向無人自動監(jiān)測方向更進(jìn)一步，為系統(tǒng)向西沙、南沙無人島礁延伸打下基礎(chǔ)。

5.結(jié)束語

通過以上論述分析可知，美國隨時可對GPS導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，改變其定位導(dǎo)航精度。要想不受制于人，保障船舶航行安全，RBN-DGPS系統(tǒng)的建設(shè)就只能加強(qiáng)。同時還應(yīng)考慮對RBN-DGPS系統(tǒng)進(jìn)行升級，以適應(yīng)多系統(tǒng)綜合導(dǎo)航的需求，打破對GPS系統(tǒng)過度依賴。

參考文獻(xiàn)：

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[3]對我國RBN/DGPS系統(tǒng)精度分析及精度改進(jìn)方法的探討.