北斗導(dǎo)航及GPS技術(shù)在航海定位中的應(yīng)用

陳紅齊，吳益新

（東海航海保障中心福州航標(biāo)處，福建福州 350005）

0 引言

北斗導(dǎo)航技術(shù)和GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值是在于定位，知道船舶海上行進(jìn)路線。GPS 技術(shù)是美國(guó)所研發(fā)在全球第一個(gè)投入使用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，該技術(shù)的各個(gè)方面都是極為成熟的，其系統(tǒng)性能極為穩(wěn)定，伴隨著我國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，這種類型的壟斷優(yōu)勢(shì)逐漸被打破，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)自主開發(fā)的定位以及導(dǎo)航技術(shù)，他的出現(xiàn)不僅推進(jìn)航空航天領(lǐng)域的發(fā)展，也提升我國(guó)在國(guó)家范圍內(nèi)的實(shí)際影響力。在一定程度上北斗導(dǎo)航技術(shù)和GPS 技術(shù)是能夠在全球范圍內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)航以及定位的，其也能夠運(yùn)用在各領(lǐng)域中，特別是在航海領(lǐng)域中。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是一種全天候的衛(wèi)星導(dǎo)航信息的導(dǎo)航系統(tǒng)，他的出現(xiàn)打破了GPS 市場(chǎng)中的壟斷，在對(duì)于推動(dòng)我國(guó)導(dǎo)航發(fā)展有著極為重要的意義和作用。在二十世紀(jì)之后，定位導(dǎo)航技術(shù)研究學(xué)者在航海期間記錄下船只航行以及運(yùn)行的變化來推算船只的地理位置。二戰(zhàn)結(jié)束后，為能夠取得更大的勝利，讓戰(zhàn)斗機(jī)在空中作戰(zhàn)的能力更為準(zhǔn)確，人們發(fā)明了一種無線電定位系統(tǒng)，但是伴隨著該系統(tǒng)的快速發(fā)展，其能夠很好的運(yùn)用在航海定位中，該技術(shù)一直發(fā)展到當(dāng)前的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，這才將人們帶入到一個(gè)嶄新的時(shí)代，全球定位系統(tǒng)能夠給地球上任何地位在海上運(yùn)行的船舶進(jìn)行導(dǎo)航，準(zhǔn)確的找到自己的地理位置。通過對(duì)北斗導(dǎo)航技術(shù)和GPS 定位技術(shù)在船只航海定位當(dāng)中的應(yīng)用進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)比分析，促進(jìn)我國(guó)航海技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

1 北斗導(dǎo)航以及GPS 定位技術(shù)的介紹

北斗導(dǎo)航以及GPS 定位技術(shù)都是屬于衛(wèi)星定位技術(shù)的范圍，主要由地球上的監(jiān)測(cè)設(shè)備和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)以及終端所構(gòu)成，地球上的監(jiān)控設(shè)備的功能是采集指令然后傳輸給天空中的衛(wèi)星系統(tǒng)，能夠?qū)τ谛l(wèi)星的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并且還能夠?qū)λ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分類處理。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能是傳輸信號(hào)，然后就是用戶終端系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要功能是接受衛(wèi)星所發(fā)來的信號(hào)，并且針對(duì)衛(wèi)星定位進(jìn)行解析，然后通過計(jì)算并且來確定自己所在的地理位置。

2 北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)能為船只提供定位服務(wù)

（1）北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)和雷達(dá)配合使用。在一定程度上雷達(dá)所跟蹤的目標(biāo)和AIS（Aeronautical Information Service，船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)）報(bào)告的目標(biāo)是有所關(guān)聯(lián)的，簡(jiǎn)單來說就是雷達(dá)會(huì)將分別來自和雷達(dá)傳感器以及AIS 傳感器目標(biāo)的定位以及航海速度以及航海方向等方面的信息進(jìn)行歸納分析，然后按照地理位置和實(shí)踐以及航海方向和速度，根據(jù)相關(guān)準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化處理和合理支配，最后根據(jù)船舶駕駛員的要求進(jìn)行輸出目標(biāo)一致性的動(dòng)態(tài)信息。在一定程度上若是定位誤差較大，那么就會(huì)讓目標(biāo)無法顯示出位置所在地，并且還會(huì)讓所有基于定位系統(tǒng)的AIS 設(shè)備圖標(biāo)都會(huì)偏離雷達(dá)回波的固定位置，并且還會(huì)讓部分的目標(biāo)出現(xiàn)失聯(lián)的情況，與此同時(shí)，也有可能會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)數(shù)據(jù)精度出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，從而影響到船舶航線和航速。所以，在一定程度上雷達(dá)自身需要高準(zhǔn)確度的位置信息，還需要讓AIS 信號(hào)也有高精度位置信息，北斗衛(wèi)星的高精度是能夠完全運(yùn)用在雷達(dá)設(shè)備當(dāng)中的，這樣是能夠解決我國(guó)使用國(guó)外定位技術(shù)的困惑。

（2）電子海圖信息系統(tǒng)和現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種備用配置，其能夠被視為修正了1974年SOLAS 公約第19 條和27 條要求的最新海圖航行信息系統(tǒng)，在一定程度能夠選擇性的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)電子航海圖信息和航行的傳感器的主要位置信息，有利于幫助航海工作人員監(jiān)控航海路線。在電子海圖信息系統(tǒng)中，不論是在近岸航行還是在遠(yuǎn)岸航行，其對(duì)于船舶的定位傳感器精度要求是非常高的，并且還要求信息系統(tǒng)的實(shí)時(shí)高精度，在不同的現(xiàn)實(shí)情況下，船舶位置信息都是會(huì)及時(shí)的顯示在屏幕上，船舶駕駛員可以根據(jù)屏幕上所顯示的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)船只進(jìn)行控制和周圍狀況的實(shí)時(shí)觀察，其主要包含暗礁和淺灘等障礙物，充分運(yùn)用高準(zhǔn)確度的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)能夠有效的避免危險(xiǎn)情況的出現(xiàn)。伴隨著我國(guó)船只的重量和規(guī)模不斷增大，船只自身的吃水深度也會(huì)不斷加深，這種情況就需要提供可靠和準(zhǔn)確的船只信息。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)能夠不間斷，全天候的提供給船只精確的信息，在測(cè)量精度當(dāng)中可以高達(dá)0.15 m/s。因此，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)能夠有利于船只船位信息的提供，從而保障船只的安全航行。

3 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)原理分析

GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)主要是由4 個(gè)地表天線站、4 個(gè)MCS 控制臺(tái)和6 個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)所構(gòu)成，用戶設(shè)備主要是GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)的目的地，然后通過信息接收器來接受GPS 衛(wèi)星所發(fā)出的信號(hào)，在以GPS 衛(wèi)星所固定的角度去獲得測(cè)量GPS 衛(wèi)星，并且跟蹤獲取衛(wèi)星的相關(guān)數(shù)據(jù)，最后在通過計(jì)算，計(jì)算出用戶設(shè)備的主要定位數(shù)據(jù)，比如地理位置的經(jīng)度和維度等信息。在現(xiàn)目前GPS 定位技術(shù)中，方法有很多種類，但是大致的原理都是一樣的，都是屬于以GPS 衛(wèi)星來測(cè)量中心。根據(jù)GPS 衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)情況可以把GPS 定位計(jì)算方法分為單點(diǎn)計(jì)算法和相對(duì)定位計(jì)算法，大多數(shù)情況下所采用的都是偽距的計(jì)算方法來進(jìn)行定位計(jì)算；除此之外，多普勒定位和載波測(cè)量方法也可以充分運(yùn)用在GPS 系統(tǒng)定位中。

4 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)原理分析

北斗導(dǎo)航定位是有著精準(zhǔn)性和主動(dòng)性的特征，在一定程度上能夠進(jìn)行雙工數(shù)據(jù)傳輸，但是在特定區(qū)域時(shí)也是有著極大的局限性。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)建主要是由地面中心控制系統(tǒng)、空間部分以及用戶終端所構(gòu)成。其中地面中心控制系統(tǒng)是由地面到中心站和地面岑靠標(biāo)校站所組成；空間可以分為衛(wèi)星以及備用衛(wèi)星所構(gòu)成；用戶終端是收發(fā)器，能夠接受和發(fā)送衛(wèi)星所傳輸而來的信號(hào)。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)定位工作流程如下所示：①地面控制站將信號(hào)發(fā)送到空間衛(wèi)星；②空間工作衛(wèi)星接收信息后，運(yùn)用轉(zhuǎn)發(fā)器將信號(hào)傳輸給用戶，③服務(wù)區(qū)用戶對(duì)工作衛(wèi)星所發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行回應(yīng)；④地面控制中心接受到用戶信號(hào)后進(jìn)行解析；⑤空間衛(wèi)星接收用戶坐標(biāo)資料，運(yùn)用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器將數(shù)據(jù)傳輸給用戶，從而獲取定位?？偠灾?，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)定位中空間工作衛(wèi)星是地面控制中心和用戶之間的中轉(zhuǎn)站。

5 北斗導(dǎo)航以及GPS 技術(shù)在航海定位中的對(duì)比分析

北斗導(dǎo)航以及GPS 導(dǎo)航在航海定位中的實(shí)際應(yīng)用對(duì)比分析，以AIS 為基礎(chǔ)，在一定程度上去獲取船只航行期間相關(guān)信號(hào)以及信息分析，比如在海岸基站周圍船只信息等方面，并且會(huì)將這些信息傳輸?shù)桨渡系南到y(tǒng)當(dāng)中。在信息傳輸過程中，AIS 會(huì)將接收到的信息傳輸?shù)奖倍穼?dǎo)航衛(wèi)星或者是傳輸?shù)紾PS 導(dǎo)航衛(wèi)星上面，然后通過衛(wèi)星的傳輸?shù)竭_(dá)控制中心。在定位控制中心充分運(yùn)用多基站信息融合技術(shù)對(duì)船只信息進(jìn)行處理，然后將其儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的船只信息并將其顯示在屏幕上，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)船只航行和航速進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控。在一定程度上北斗導(dǎo)航系統(tǒng)船只定位和GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)船只定位的準(zhǔn)確度對(duì)比表（表1），在每相隔480 m 長(zhǎng)度去設(shè)置一條極限，但是需要注意的是，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)船只定位測(cè)試的數(shù)據(jù)和GPS 導(dǎo)航船只定位測(cè)試數(shù)據(jù)類型是有很多不同支出的。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)船只定位測(cè)試數(shù)據(jù)類型是檢測(cè)相位大小和B1 與B2速率的偽距，GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)類型是L1 和L2 與C1 和P2 中的數(shù)據(jù)分析。

通過表1 中所顯示的數(shù)據(jù)，我們可知北斗導(dǎo)航系統(tǒng)船舶的定位準(zhǔn)確度在（4～5）mm，然而觀察準(zhǔn)確度在（0.3～0.4）m，其中這2 個(gè)準(zhǔn)確度的指標(biāo)是和GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)船只定位相同的。在一定程度上，去測(cè)試衛(wèi)星高角度對(duì)于船只定位準(zhǔn)確度的實(shí)際影響，所采用的是不間斷的10 組分元組數(shù)據(jù)來進(jìn)行計(jì)算的，這樣能夠計(jì)算出北斗導(dǎo)航系統(tǒng)船只定位以及GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)船只定位的準(zhǔn)確度的結(jié)果。在某種層面上可以去除不精確的結(jié)果，然后得到高角度匹配的精確度數(shù)值之后再進(jìn)行實(shí)際均值的計(jì)算。在一定程度上測(cè)試結(jié)果表明，在對(duì)于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)船只定位而言，伴隨著我國(guó)衛(wèi)星高角度的不斷提升，航海船只定位準(zhǔn)確度也會(huì)不斷增加，伴隨著我國(guó)衛(wèi)星高角度的降低，航海船只準(zhǔn)確度也會(huì)得到下降；然而在GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)船只定位當(dāng)中，上述這種關(guān)系也同樣存在的，但是相對(duì)于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)而言，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的相關(guān)度是更為穩(wěn)定，其自身的歷元接受信號(hào)的能力向度較強(qiáng)，所接受的衛(wèi)星數(shù)量較多，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)船舶定位當(dāng)中的MEO（Medium Earth Orbit，中地球軌道）衛(wèi)星數(shù)量出現(xiàn)的波動(dòng)信息是非常大的，其GEO（Stationary Earth Orbit，地球同步軌道）衛(wèi)星是較為穩(wěn)定的，但是從精確度上來說，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)船舶定位好于GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)定位。

6 結(jié)語(yǔ)

北斗導(dǎo)航技術(shù)在全球范圍導(dǎo)航和定位中，能夠適用在各領(lǐng)域當(dāng)中，特別是在航海領(lǐng)域中的使用能夠極大的提高船舶航行的安全性。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主開發(fā)的定位和導(dǎo)航技術(shù)，該技術(shù)不僅促進(jìn)我國(guó)航空航天事業(yè)的發(fā)展，還提升我國(guó)在國(guó)際中的影響力，隨著我國(guó)針對(duì)北斗導(dǎo)航導(dǎo)航定位系統(tǒng)的完善，其在航海領(lǐng)域中能夠全面實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航，這將促進(jìn)我國(guó)航海事業(yè)的發(fā)展。