基于GPS的船舶導(dǎo)航信息系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

羅瑤+趙茂伸

摘 要：GPS全球定位系統(tǒng)自從向全球民用開(kāi)放以來(lái)，在航海中得到了普遍的應(yīng)用，以此為基礎(chǔ)的船舶導(dǎo)航信息系統(tǒng)也得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。傳統(tǒng)的定位技術(shù)，存在著定位精確度低、受氣候影響大以及引航距離有限等問(wèn)題，而基于GPS的船舶導(dǎo)航信息系統(tǒng)的出現(xiàn)使上述問(wèn)題得到了解決。該文主要探討了基于GPS的船舶導(dǎo)航信息系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)以及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：全球定位系統(tǒng) 地理信息系統(tǒng) 電子海圖 船舶導(dǎo)航

中圖分類(lèi)號(hào)：TP30 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）07（b）-0007-02

GPS全球定位系統(tǒng)是利用接收的GPS衛(wèi)星信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位、授時(shí)與導(dǎo)航的先進(jìn)技術(shù)，具有在陸、海、空實(shí)時(shí)全方位的進(jìn)行三維定位與導(dǎo)航的性能。該技術(shù)在工程領(lǐng)域和導(dǎo)航領(lǐng)域占據(jù)不可替代的作用，解決了定位與導(dǎo)航的問(wèn)題，產(chǎn)生了可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。在船舶導(dǎo)航中應(yīng)用GPS技術(shù)，可以提供更為精準(zhǔn)的定位和導(dǎo)航服務(wù)，能夠有效提高船舶航行的安全性與航行效率，具有重要的意義。

1 GPS的船舶導(dǎo)航信息系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 GPS船位推算方法

船舶在航行過(guò)程中會(huì)遇到一些特殊情況，影響GPS的定位精確度，這時(shí)需要對(duì)船位進(jìn)行推算。GPS船位推算方法主要有兩種：第一種是利用計(jì)程儀掌握實(shí)時(shí)航速，利用羅經(jīng)掌握實(shí)時(shí)航向信息，通過(guò)利用航速和航行進(jìn)行船位的推算。此種方法只適用于短時(shí)的船位推測(cè)，時(shí)間越長(zhǎng)，誤差就會(huì)越大，最終導(dǎo)致推算出的船位不精確。第二種是利用兩種或兩種以上的GPS接收機(jī)接收到的關(guān)于船位的有效數(shù)據(jù)，近似的推算出船舶的當(dāng)前位置。這種方法是在航行方向一定、船舶的航速不變的情況下，短期內(nèi)能獲得準(zhǔn)確位置。當(dāng)航行方向和船舶速度發(fā)生變化時(shí)，預(yù)測(cè)的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大的偏差，從而導(dǎo)致預(yù)測(cè)值無(wú)效。

1.2 相關(guān)參數(shù)計(jì)算

地球是一個(gè)橢球體，不是平面體。所以，所有的參數(shù)的計(jì)算都要遵循橢球大地的基本原則。大地線(xiàn)是指橢球面上的任意兩點(diǎn)間的最短的距離，船舶在航行中的航線(xiàn)的確定是應(yīng)該以大地線(xiàn)為主要依據(jù)。相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法：一是偏航距。在偏航距的計(jì)算中，由于相鄰的航路點(diǎn)的距離及偏航距較小，所以可用大圓弧替代大地線(xiàn)計(jì)算，使用球面三角形距離的計(jì)算公式。二是偏航角。偏航角是上一航路點(diǎn)到下一航路點(diǎn)的大地方位角與上一航路點(diǎn)到航行點(diǎn)的大地方位角之差。三是兩點(diǎn)之間的距離。四是兩大地點(diǎn)方位角。使用特定的公式進(jìn)行計(jì)算。五是下一航路點(diǎn)時(shí)間。計(jì)算方法是用到下一航路點(diǎn)距離除以航行速度。六是到終點(diǎn)的距離。是航行點(diǎn)到下一點(diǎn)的距離與下一點(diǎn)到目的點(diǎn)的航路距離兩者之和。七是到目的地的時(shí)間。計(jì)算方法是用到終點(diǎn)的距離除以速度。八是到下一航路的距離。計(jì)算方法是航行點(diǎn)到下一航路點(diǎn)的大地距離。

1.3 船舶航行速度的計(jì)算

船舶在海上航行的瞬時(shí)速度變化較大，GPS-OEM板所計(jì)算出的速度不能反應(yīng)船舶航行的真實(shí)速度。若采用連續(xù)的兩次定位得到的位置方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。由于存在GPS位置漂移，計(jì)算所得結(jié)果存在誤差可能較大。若使用參數(shù)計(jì)算，也得不到精確的數(shù)值。最科學(xué)而又簡(jiǎn)單的方法就以平均速度作為船舶的航行速度。具體的計(jì)算方法是最近的n次的有效位置數(shù)據(jù)，利用最小二乘法做直線(xiàn)擬合，計(jì)算出相應(yīng)的直線(xiàn)距離。

1.4 平滑濾波技術(shù)

通過(guò)衛(wèi)星測(cè)量而造成的GPS定位誤差主要?dú)w為兩種：一種是隨空間、時(shí)間迅速變化，相關(guān)性較弱的隨機(jī)誤差；另一類(lèi)是隨空間、時(shí)間緩慢變化，相關(guān)性很強(qiáng)的隨機(jī)性偏移誤差。由于GPS信號(hào)存在誤差，當(dāng)其在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示為定位位置固定不變時(shí)，GPS的位置在一個(gè)圓內(nèi)變化。船舶在航行過(guò)程中，位置的偏差會(huì)對(duì)航向、航跡產(chǎn)生較大的影響，不能如實(shí)的反應(yīng)航向和航跡。消除這種隨機(jī)誤差的方法就是平滑濾波技術(shù)。該技術(shù)處理GPS-OEM板輸出數(shù)據(jù)，有效的提高了GPS定位的精確度?？墒褂米赃m應(yīng)濾波、自回歸滑動(dòng)平均（ARMA）、卡爾曼濾波和預(yù)測(cè)處理等方法提高與預(yù)測(cè)量的精度。

2 GPS的船舶導(dǎo)航信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

2.1 參數(shù)計(jì)算模塊

導(dǎo)航參數(shù)計(jì)算模塊中所需數(shù)據(jù)包含兩部分：一部分來(lái)自于數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)設(shè)的航線(xiàn)信息；另一部分從GPS-OEM板接收的。經(jīng)過(guò)坐標(biāo)處理和數(shù)據(jù)類(lèi)型變換的定位信息。

2.2 信息接收模塊

計(jì)算機(jī)串口接收GPS-OEM板發(fā)來(lái)的GPS數(shù)據(jù)，依據(jù)導(dǎo)航所需要的參數(shù)，選擇接收的語(yǔ)句，提取語(yǔ)句中有效性、維度、經(jīng)度、速度等信息，再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換，最后將信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建

船舶航行為了滿(mǎn)足實(shí)際航行的需求，需要設(shè)置多條航路。該軟件采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)10條航路，設(shè)置10個(gè)航路點(diǎn)。若航路較長(zhǎng)，航路點(diǎn)較多，則可分段導(dǎo)航。那么，在對(duì)應(yīng)的GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)定10個(gè)航路表。每個(gè)表代表一條航路信息，每個(gè)表包含10條記錄，每條記錄都代表著一個(gè)航路點(diǎn)的信息，每條記錄都包含5個(gè)字段，分別代表著航路點(diǎn)、經(jīng)緯度、偏航距、偏航角、航路點(diǎn)編號(hào)。

2.4 人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)

人機(jī)界面的實(shí)現(xiàn)是整個(gè)GPS的船舶導(dǎo)航信息系統(tǒng)最為復(fù)雜的部分。人機(jī)界面的設(shè)計(jì)主要遵循了解用戶(hù)（了解用戶(hù)使用目的、使用頻率以及用戶(hù)的背景知識(shí)）、交互風(fēng)格（導(dǎo)航軟件的交互部分是航路的設(shè)定、增加、減少、修改等操作，包括表格填充、菜單選擇和直接操作3種交互風(fēng)格）、任務(wù)分析（對(duì)用戶(hù)的需求進(jìn)行分析，從而設(shè)計(jì)出導(dǎo)航軟件參數(shù)和實(shí)現(xiàn)的具體功能）、預(yù)防出錯(cuò)（當(dāng)用戶(hù)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，要提醒用戶(hù)，提供出錯(cuò)信息）四項(xiàng)基本原則。

3 基于GPS的船舶導(dǎo)航信息系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 GPS在船舶導(dǎo)航信息系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

GPS全球定位系統(tǒng)于1993年6月基本建成。該系統(tǒng)具有全球、無(wú)誤差積累、全天候等特點(diǎn)，是當(dāng)今中遠(yuǎn)程航線(xiàn)上最好的導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS船舶導(dǎo)航信息系統(tǒng)在航海中得到了廣泛的使用，幾乎每艘船舶都備有GPS船舶導(dǎo)航信息系統(tǒng)。GPS在航海中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在：一是可與通信導(dǎo)航設(shè)備，如羅經(jīng)、船舶的ARPA，實(shí)現(xiàn)匹配相接，為其他導(dǎo)航設(shè)備提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，為船舶導(dǎo)航自動(dòng)化提供支持。二是即時(shí)的為航行中的船舶提供準(zhǔn)確的位置信息。三是可進(jìn)行連續(xù)的定位。四是具備多種報(bào)警功能，如偏航向報(bào)警、時(shí)間報(bào)警、到達(dá)航路點(diǎn)報(bào)警等，為船舶提供了可靠的安全保障。五是GPS用戶(hù)可在全球任意位置、任何天氣準(zhǔn)確接收衛(wèi)星信號(hào)。六是強(qiáng)大的導(dǎo)航功能。用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際需要來(lái)設(shè)計(jì)航線(xiàn)和航路點(diǎn)，為船舶航行提供經(jīng)濟(jì)可靠的路線(xiàn)保障。

3.2 GPS的船舶導(dǎo)航信息系統(tǒng)在長(zhǎng)江引航工作中的應(yīng)用

長(zhǎng)江引航中心于2006年建立了長(zhǎng)江GPS船舶導(dǎo)航信息系統(tǒng)。長(zhǎng)江引航中心下轄南京、南通、鎮(zhèn)江、武漢、張家港、蕪湖、江陰、常熟、太倉(cāng)9個(gè)引航站，在職引航員二百多人，大部分引航員都是三級(jí)或三級(jí)以上的級(jí)別。該系統(tǒng)包含有船載單元、監(jiān)控中心、電子海圖，具有對(duì)船舶在航行中精確定位、保留航跡數(shù)據(jù)、應(yīng)對(duì)突發(fā)天氣等功能。引航員可通過(guò)電腦中即時(shí)的船舶航行狀態(tài)、潮汐水位信息以及航道等參數(shù)，準(zhǔn)確下達(dá)船舶操作的相關(guān)命令。船載單元設(shè)備便利了引航員的工作，減輕了引航員的壓力和工作強(qiáng)度，保障了引航的安全。在長(zhǎng)江引航中心建立的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)督引航員的操作狀態(tài)和實(shí)時(shí)監(jiān)控船舶的航行過(guò)程，降低了引航責(zé)任事故的發(fā)生率，提升了引航的安全管理工作水平。該系統(tǒng)的建立也提高了長(zhǎng)江引航中心的國(guó)際地位，使引航管理走向現(xiàn)代化。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在水上貿(mào)易、航行越來(lái)越繁榮的當(dāng)今，船舶導(dǎo)航的意義越來(lái)越重要。通過(guò)對(duì)基于GPS的船舶導(dǎo)航信息系統(tǒng)的研究，明確了GPS的船舶導(dǎo)航信息系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)、開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)以及在實(shí)際中的應(yīng)用。隨著國(guó)內(nèi)船舶導(dǎo)航信息系統(tǒng)的不斷發(fā)展，相信GPS與其他技術(shù)（如電子海圖、Android，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）相結(jié)合的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)將在航海中得到應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 田源.基于GPS的船舶管理信息系統(tǒng)研究[J].電子制作，2013（6）：292.

[2] 趙薛洋，王金林.構(gòu)建電子海圖顯示和信息雙背景導(dǎo)航系統(tǒng)[J].中國(guó)航海，2012（9）：45-48.

[3] 商鋒，劉一江.多模導(dǎo)航系統(tǒng)的接收天線(xiàn)的設(shè)計(jì)[J].西安郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（6）：62-65.