淺析北斗系統(tǒng)在船舶定位中的應用

姜鑫源　 張譯丹

摘 要：船舶定位在軍事和民用方面有著重要價值和意義，當前以GPS為主導的船舶定位手段被廣泛應用于船舶航行領域，推動船舶定位進入高精度的衛(wèi)星定位導航時代。近年，我國北斗系統(tǒng)正式運行，各定位手段和方法滿足各精度需求的船舶定位領域。本文就北斗系統(tǒng)在船舶定位中的應用進行深入研究。

關鍵詞：北斗;船舶定位;GPS

1、船舶定位的意義

船舶定位是指確定船舶在地球表面的位置。實現(xiàn)船舶定位具有很重要的軍事和商業(yè)價值。一方面民間船公司、租家等船舶經營人可以遠程監(jiān)控船舶的實時動態(tài)，尤其對于軍方，艦船的位置是具有戰(zhàn)略價值的。另一方面對于港口管理機關，可以實現(xiàn)港區(qū)內船舶的全部監(jiān)控，便于更好的安排作業(yè)計劃和保障港區(qū)安全。

2、船舶定位的方法和手段

從技術手段看，目前的船舶定位技術有如下三種，陸標定位、天文定位和無線電定位。陸標定位和天文定位的優(yōu)勢在于方法簡單，使用成本低，目前已經成為特殊情況下的補充手段。無線電定位無線電定位方法經過了無線電測向儀、雷達、衛(wèi)星導航系統(tǒng)、GPS全球定位系統(tǒng)的發(fā)展為歷程，進入高精度衛(wèi)星導航定位時代。[1]尤其是GPS全球定位系統(tǒng)憑借定位精度高，可全天候實時導航定位作業(yè)，操作簡便等優(yōu)點使其自投入使用以來在定位導航領域的發(fā)展舉世關注。目前GPS全球定位系統(tǒng)已廣泛應用于船舶定位。

3、北斗系統(tǒng)

北斗系統(tǒng)于2000年以2顆衛(wèi)星小幅起步，建成了具有位置報告、短電文通信等顯著特色的北斗試驗系統(tǒng)。使我國成為世界上第三個擁有自我衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。隨后于2012年12月，利用14顆衛(wèi)星完成了北斗區(qū)域系統(tǒng)建設，實現(xiàn)了對亞太地區(qū)的連續(xù)覆蓋，收到ICG認可成為世界四大衛(wèi)星導航核心供應商之一[2]。計劃在2020年前后，建成北斗全球系統(tǒng)，向全球提供服務。

北斗系統(tǒng)相比其他導航定位系統(tǒng)起步較晚，但具有RDSS雙向通信功能，這是其他3大衛(wèi)星導航系統(tǒng)所不具備的，也是其核心優(yōu)勢[3]。北斗也是第一個實現(xiàn)與其他三大全球系統(tǒng)兼容與互操作的系統(tǒng) [4]。北斗系統(tǒng)打破GPS近乎壟斷市場的格局，對于國家安全、促進國內相關產業(yè)發(fā)展等具有戰(zhàn)略意義。

4、北斗系統(tǒng)定位原理

利用衛(wèi)星與地面點間的距離交會出地面點位置，通過精確測定衛(wèi)星與船載接收機之間的距離計算出船載接收機在指定坐標系中的坐標。距離測量分為偽距測量和載波相位測量。

（1）偽距測量定位

通過測定衛(wèi)星發(fā)射測距信號到船載接收機收到信號的時間間隔，繼而計算出衛(wèi)星到船舶之間的偽距ρ'：

ρ'=c·△t? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4-1）

式中c為光速;△t為信號傳播的時間間隔。實際上，由于信號在傳播過程中會受到來自和衛(wèi)星相關的誤差、和傳播途徑有關的誤差以及和接收機有關的誤差這三方面的綜合誤差影響，直接計算得到的偽距ρ'并非為衛(wèi)星到船舶之間的真實距離ρ。偽距測量定位優(yōu)點是速度較快，對信號的強度要求不高，是目前應用最廣的一中定位原理;缺點是定位精度較低。

（2）載波相位測量定位

載波相位測量是測量北斗載波信號從衛(wèi)星到船載接收機的相位變化值從而確定距離。設衛(wèi)星上載波發(fā)出時刻相位為φ_0，經過距離l后到達船載接收機時相位為φ1 ，那么載波所經歷過的載波相位變化為（φ1-φ0 ） ，其中，包括整周數(shù)和不足一周的小數(shù)部分。其測距公式為：

l=λ（n0-△φ）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4-2）

式中：l為衛(wèi)星到船舶接收機的距離;λ為已知載波的波長;n0 為載波相位（φ1-φ0 ）? 中的整周期數(shù)部分，;△φ為載波相位（φ1-φ0 ）中不足一周的小數(shù)部分; n0不能直接測量得到，即為載波測量中的整周模糊度，Δφ可以精 確測量。載波相位測量同樣受到上述三方面誤差的影響，其優(yōu)點是定位精度高于偽距測量定位，可實現(xiàn)毫米級定位;缺點是數(shù)據(jù)處理過程復雜。

5、利用北斗實現(xiàn)船舶定位的方法

北斗定位的方法有很多種，根據(jù)船舶使用場景可分為單點定位和差分定位。

單點定位

單點定位是利用單臺船載北斗接收機測量與衛(wèi)星之間的距離，根據(jù)已知衛(wèi)星瞬時坐標，來確定船舶的位置。設船舶在指定坐標系下的坐標為（XA，YA，ZA），被觀測的某顆北斗衛(wèi)星的坐標為（XS，YS，ZS），忽略各項誤差，衛(wèi)星和接收機之間的距離ρ為：

ρ=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5-1）

式5-1可知，通過單點定位方法得到接收機位置的三個未知數(shù)，船載接收機至少需要同時觀測3顆衛(wèi)星。實際情況中考慮到各種誤差源帶入式5-1，使得未知數(shù)多余3個，需要同時觀測的衛(wèi)星數(shù)在3顆以上，多余觀測用來計算其余未知數(shù)和參與平差。

單點定位無需依靠岸基基準站，在遠離陸地的船舶定位或對定位精度要求不高的情形中被廣泛應用。隨著精密單點定位技術（precise point positioning，PPP）的發(fā)展，基于載波相位測量定位原理，利用IGS提供的精密星歷和衛(wèi)星鐘差顆實現(xiàn)分米級甚至毫米級的高精度定位，在海洋測繪中發(fā)揮極大優(yōu)勢。

差分定位

差分技術利用一臺基準站和一臺船載接收機同時觀測衛(wèi)星信號，利用誤差的空間相關性進行差分計算，基準站將改正信息實時播發(fā)給船載接收機來提高定位精度，彌補單點定位的缺點。

海事部門使用的AIS屬于差分定位系統(tǒng)，其中的岸基GPS基準站用于差分導航定位。2013年底，在天津北塘實現(xiàn)的RNB-（DBDS+DGPS）的試驗播發(fā)，并在信號覆蓋的環(huán)渤海區(qū)域進行動靜態(tài)測試。測試結果表明：北斗和GPS單獨實時差分水平定位精度相當，優(yōu)于1.5米（95%置信度），北斗/GPS聯(lián)合實施差分定位精度更優(yōu)[5]。

結語

北斗系統(tǒng)作為我國自主的全球導航定位系統(tǒng)，在船舶定位領域，可使用單點偽距定位、偽距差分定位、PPP和載波相位差分定位技術，滿足不同精度需求的使用場景，尤其是和GPS聯(lián)合差分定位使得定位精度更加優(yōu)越。

參考文獻：

[1]陳杰. 工程船舶的回顧與發(fā)展. 江蘇船舶[J]，2003，20（6）：3～8.

[2]周兵. 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與建設構想[J].無線電工程，2016，46（4）：1～4.

[3]焦永強. 基于北斗衛(wèi)星的遠海施工船舶精準定位和信息化管理[J]，港口科技，2019，1（1）：1～2.

[4] Space-based Navigation Technical Planning Integrated Product Team 1997 Overview[C]∥Proceedings of the National Technical Meeting：“Navigation 2000”.California：Institute of Navigation，1998.

[5]王成. 中國沿海無線電信標差分（BDS+GPS）系統(tǒng)設計與實現(xiàn).航海[J]，2015，59～63.

作者簡介：

姜鑫源（1991.12），性別：男，民族：漢，籍貫（精確到市）：河南省洛陽市，當前職務：科員，當前職稱：助理工程師，學歷：本科，研究方向：海洋測繪、攝影測量.