北斗導(dǎo)航與GPS定位技術(shù)在航海定位中的對比分析

陳倫杰

摘 要 本文從北斗導(dǎo)航與GPS定位技術(shù)概述入手，分析了二者的原理，通過對比實(shí)驗(yàn)來對比了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)船舶定位和GPS導(dǎo)航船舶定位的精度，對比分析可知，作為我國自主研發(fā)的導(dǎo)航和定位技術(shù)，北斗導(dǎo)航航海定位有著一定的優(yōu)勢，其對于促進(jìn)航海技術(shù)的發(fā)展有著積極的意義。

關(guān)鍵詞 北斗導(dǎo)航；GPS導(dǎo)航；航海定位；對比

中圖分類號 P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0100-02

導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用價(jià)值在于定位位置、指導(dǎo)人們行進(jìn)線路，GPS定位技術(shù)是美國研發(fā)的在全世界第一個(gè)投入應(yīng)用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其各項(xiàng)技術(shù)相對成熟，系統(tǒng)性能穩(wěn)定。我國自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是一種能夠全天候提供衛(wèi)星導(dǎo)航信息的導(dǎo)航系統(tǒng)，它的出現(xiàn)打破了GPS定位技術(shù)的市場壟斷，對于促進(jìn)我國導(dǎo)航事業(yè)的發(fā)展有著重要的作用?；谝陨希疚膶Ρ倍穼?dǎo)航與GPS定位技術(shù)在航海定位中的應(yīng)用進(jìn)行了對比分析，旨在進(jìn)一步促進(jìn)我國航海技術(shù)的發(fā)展。

1 北斗導(dǎo)航與GPS定位技術(shù)概述

北斗導(dǎo)航和GPS定位技術(shù)都屬于衛(wèi)星定位技術(shù)的范疇，由地球監(jiān)控設(shè)備、用戶終端以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組成，地球監(jiān)控設(shè)備的主要功能是將采集到的指令傳輸給衛(wèi)星系統(tǒng)，同時(shí)能夠?qū)πl(wèi)星狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組處理，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主要功能是傳輸并轉(zhuǎn)發(fā)信號，用戶終端的主要功能是接收衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)來的信號，并對定位報(bào)文進(jìn)行解析，從而計(jì)算并確定自身地理位置。下面來簡要分析北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的原理。

1.1 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)原理

北斗導(dǎo)航位置定位有著主動性、精準(zhǔn)性和有源性的特點(diǎn)，能夠全雙工傳輸數(shù)據(jù)，但其到達(dá)區(qū)域有限，這就使得其服務(wù)范圍有著一定的局限性。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)由3部分組成：1）空間部分：空間部分主要由兩顆工作衛(wèi)星和一顆備用衛(wèi)星組成，衛(wèi)星與地球同步運(yùn)動，軌道高度為36 000km，兩顆工作衛(wèi)星的坐標(biāo)分別為（80°E，0°）和（140°E，0°），備用衛(wèi)星的坐標(biāo)為（110.5°E，0°），空間部分衛(wèi)星不具備導(dǎo)航電文發(fā)射功能，且沒有原子鐘，其主要功能是進(jìn)行地面中心站和用戶站的雙向信號中繼傳輸，覆蓋面積為地球面積的42%[ 1 ]；2）地面中心控制系統(tǒng)：主要由地面中心站、測軌站及數(shù)十個(gè)地面參考標(biāo)校站等組成，其中地面中心站配置了電子高程圖，主要功能包括衛(wèi)星定位、測軌以及調(diào)控衛(wèi)星等，對導(dǎo)航定位參量數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集和校正，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶位置的精確測定；3）用戶終端：用戶終端指的是收發(fā)器，其帶有定向天線，能夠接收衛(wèi)星傳來的信號，并發(fā)射相關(guān)通信請求。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)定位工作過程如下：1）地面控制中心將詢問信號發(fā)送給空間部分的兩顆工作衛(wèi)星；2）空間部分工作衛(wèi)星接收到詢問信號之后，利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器將詢問信號轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)區(qū)用戶；3）服務(wù)區(qū)用戶對其中一顆工作衛(wèi)星的詢問信號進(jìn)行響應(yīng)，同時(shí)將回應(yīng)信號發(fā)送給另一顆工作衛(wèi)星[ 2 ]；4）工作衛(wèi)星接收到響應(yīng)信號之后，利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器將響應(yīng)信號轉(zhuǎn)發(fā)給地面控制中心；5）地面控制中心對接收到的用戶響應(yīng)信號進(jìn)行解讀，明確用戶申請服務(wù)內(nèi)容，以數(shù)值地圖計(jì)算為基礎(chǔ)，對用戶所在地的三維坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，之后將相關(guān)信息發(fā)送給空間部分工作衛(wèi)星；6）空間部分工作衛(wèi)星接收到坐標(biāo)資料或通信內(nèi)容等信息之后，利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，從而實(shí)現(xiàn)定位?？梢钥闯?，在整個(gè)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)定位工作過程中，空間部分工作衛(wèi)星相當(dāng)于地面控制中心和用戶之間通信的中轉(zhuǎn)站。

1.2 GPS導(dǎo)航系統(tǒng)原理

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)主要由1個(gè)MCS主要控制臺、4個(gè)地表天線站以及6個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)等3部分組成，用戶設(shè)備是GPS導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)的最終目的地，通過接收機(jī)來接受GPS衛(wèi)星發(fā)送的信息，以GPS衛(wèi)星固定角度獲取測量衛(wèi)星，并跟蹤捕獲衛(wèi)星數(shù)據(jù)，獲取導(dǎo)航報(bào)文，最后計(jì)算出用戶設(shè)備的定位數(shù)據(jù)，例如經(jīng)緯度數(shù)據(jù)、速率數(shù)據(jù)等。

當(dāng)前GPS定位技術(shù)方法種類繁多，但原理基本一致，都是以GPS衛(wèi)星為測量中心點(diǎn)，至少需要4顆衛(wèi)星，確定為衛(wèi)星坐標(biāo)，進(jìn)行空間距離的后方交會，通過數(shù)學(xué)建模方法來進(jìn)行定位[3]。根據(jù)GPS衛(wèi)星的運(yùn)動狀態(tài)可以將GPS定位算法分為動態(tài)定位算法和靜態(tài)定位算法兩種，根據(jù)參考物選取可以分為相對定位算法和單點(diǎn)定位算法兩種，一般采用偽距法進(jìn)行定位計(jì)算，此外，載波相位測量以及多普勒定位等方法也可以在GPS定位中應(yīng)用。

2 北斗導(dǎo)航與GPS定位技術(shù)在航海定位中的實(shí)驗(yàn)對比

對北斗導(dǎo)航和GPS導(dǎo)航在航海定位中的應(yīng)用進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，以AIS船載自動識別系統(tǒng)為基礎(chǔ)，獲取船舶航行過程中的相關(guān)信息或信號，例如海岸基站信息、周圍船舶信息等，并將這些信息轉(zhuǎn)發(fā)給岸上終端系統(tǒng)[4]。在此過程中，AIS船載自動識別系統(tǒng)會將搜集到的信息傳輸?shù)奖倍穼?dǎo)航衛(wèi)星或GPS導(dǎo)航衛(wèi)星上，經(jīng)過衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)控制中心?？刂浦行睦肁IS解碼、多基站信息融合等技術(shù)來處理船舶航行信息，并將其存儲到數(shù)據(jù)庫中，監(jiān)控系統(tǒng)會讀取數(shù)據(jù)庫中的船舶信息并將其顯示在電子屏幕上，這就能夠?qū)崿F(xiàn)對船舶的定位，并實(shí)現(xiàn)對船舶航行的實(shí)時(shí)、動態(tài)監(jiān)控。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)船舶定位和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)船舶定位的精準(zhǔn)度對比如表1所示，每隔2s獲取以此船舶航行相關(guān)數(shù)據(jù)信息，每隔482m長度設(shè)置一條極限，需要注意的是，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)船舶定位測試的數(shù)據(jù)類型與GPS導(dǎo)航系統(tǒng)船舶定位測試的數(shù)據(jù)類型有著一定的差別，前者測試數(shù)據(jù)類型為檢測相位大小以及B1速率和B2速率偽距，后者測試的數(shù)據(jù)類型為L1、L2以及C1、P2，截至高度角控制在15°。

由表1可知，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)船舶定位的相位精度在4.1mm～5.1mm之間，而觀察準(zhǔn)確度在0.32m～0.43m之間，這兩個(gè)精度指標(biāo)與GPS導(dǎo)航系統(tǒng)船舶定位基本相等。

測試衛(wèi)星高度角對船舶定位精準(zhǔn)度的影響，采集不間斷的十組歷元分組數(shù)據(jù)，計(jì)算北斗導(dǎo)航系統(tǒng)船舶定位和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)船舶定位的準(zhǔn)確度結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，去除不精確結(jié)果，得出高度角匹配精度預(yù)估值，之后進(jìn)行平均值的計(jì)算。

測試結(jié)果表明，對于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)船舶定位來說，隨著衛(wèi)星高度角的增加，船舶定位精準(zhǔn)度也隨之增加，隨著衛(wèi)星高度角的降低，船舶定位精準(zhǔn)度也降低，而在GPS導(dǎo)航系統(tǒng)船舶定位中，這種關(guān)系依然存在，相較于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)來說，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的這種相關(guān)度更加穩(wěn)定，歷元有著較好的信號接受能力，能夠接收衛(wèi)星的數(shù)量也更多。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)船舶定位中的歷元MEO衛(wèi)星數(shù)量波動較大，GEO衛(wèi)星相對穩(wěn)定，但從準(zhǔn)確性方面來看，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)船舶定位要更優(yōu)良一些。

綜上所述，在衛(wèi)星高度角較小的基礎(chǔ)上，相較于GPS導(dǎo)航系統(tǒng)船舶定位來說，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)船舶定位的精確性更優(yōu)良。

3 結(jié)論

綜上所述，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全球范圍內(nèi)的導(dǎo)航和定位，其在航海領(lǐng)域中的應(yīng)用至關(guān)重要，通過對比分析可知，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)航海定位精度和準(zhǔn)確度更加優(yōu)良，能夠?qū)崿F(xiàn)定位導(dǎo)航、精密授時(shí)以及報(bào)文通信等眾多功能。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在航海定位中的應(yīng)用能夠有效促進(jìn)我國航海技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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