淺談北斗導(dǎo)航技術(shù)在船舶定位中的應(yīng)用

◎ 吳佐政 廣州航標(biāo)處

2020年，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式建成啟用，這標(biāo)志著我國也有了自主知識產(chǎn)權(quán)的導(dǎo)航系統(tǒng)。在北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建成以前，我國的船舶定位主要依靠GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，現(xiàn)在北斗系統(tǒng)的全球覆蓋，這不僅打破了GPS的壟斷也為我們的船舶定位又提供了一種更加安全和精確的導(dǎo)航定位途徑?；舱沁@個(gè)原因，我們今天提出了基于北斗導(dǎo)航技術(shù)在船舶定位方面的應(yīng)用。

1.北斗導(dǎo)航技術(shù)的簡介

1.1 北斗導(dǎo)航技術(shù)組成

北斗導(dǎo)航技術(shù)屬于衛(wèi)星定位的技術(shù)范疇，其主要是空間設(shè)備、地面設(shè)備和使用終端三部分構(gòu)成，空間設(shè)備就是空間運(yùn)行的衛(wèi)星，我國的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星由靜止軌道衛(wèi)星、同步軌道衛(wèi)星和中圓軌道衛(wèi)星三種類型。地面設(shè)備主要是在地球表面的主控設(shè)備、時(shí)間同步/注入站和監(jiān)測設(shè)備等若干地面站設(shè)備，以及星間鏈路運(yùn)行管理設(shè)設(shè)備。使用終端就是在用戶端的 北斗兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等基礎(chǔ)產(chǎn)品，以及終端產(chǎn)品、應(yīng)用系統(tǒng)與應(yīng)用服務(wù)軟件等。

1.2 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中船舶定位的原理

北斗導(dǎo)航技術(shù)中定位主要依靠三球交會測量定理，當(dāng)在大洋中航行的船舶D 的位置，主要是根據(jù)在地球中的中圓軌道衛(wèi)星三顆衛(wèi)星 A、B 以及 C 算出船舶D 的位置，在軌道運(yùn)行的三顆衛(wèi)星的空間位置已知，在通過三顆衛(wèi)星與船舶D之間的空間距離，然后分別以三顆衛(wèi)星的當(dāng)前的位置為中點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)的以三顆衛(wèi)星與船舶D之間的直線距離為 R 形成虛擬球體，然后將這3個(gè)虛擬球體在地球上交匯的那一點(diǎn)就是待測點(diǎn)船舶 D此時(shí)所處的地球的空間位置。而對于有地面控制中心參與的定位，有兩顆衛(wèi)星就可以實(shí)現(xiàn)定位，在大洋中航行的船舶D的北斗導(dǎo)航用戶終端發(fā)出北斗定位申請，并將這一信號發(fā)射給靜止軌道運(yùn)行的北斗衛(wèi)星，并經(jīng)由這個(gè)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)發(fā)射給岸基地面控制中心E，岸基地面控制中心E接收到這一申請信號后，再由岸基地面控制中心向大洋中的船舶D發(fā)出確認(rèn)位置的確認(rèn)信號，然后根據(jù)該確認(rèn)信號在空中往返傳輸?shù)臅r(shí)間，計(jì)算出岸基地面控制中心到大洋中的船舶D和在地球靜止軌道的兩顆靜止北斗衛(wèi)星之間的距離，從而計(jì)算出大洋中的船舶D所在位置，這種定位方式需要兩顆靜止軌道北斗衛(wèi)星作球面做為參照物，同時(shí)還要根據(jù)地球本身即是一個(gè)球體的原理，也就是在另一種條件下的三球交會測量定位，在這種情況下岸基地面控制中心便可求出大洋中的船舶D的位置，然后將這一信息通過靜止軌道北斗衛(wèi)星，發(fā)送給大洋中的船舶D。

2.北斗導(dǎo)航技術(shù)在船舶定位的應(yīng)用

北斗導(dǎo)航技術(shù)在船舶定位的應(yīng)用系統(tǒng)主要有兩部分組成，分別是船載裝置和北斗電子海圖信息控制系統(tǒng)。

2.1 北斗船舶定位系統(tǒng)船載裝置

2.1.1 船載裝置的作用

船載裝置的作用主要是接收和發(fā)出指令，當(dāng)船舶有定位需求時(shí)，向岸基地面控制中心發(fā)出請求定位申請信號，并通過船載北斗定位系統(tǒng)中的定位模塊獲取船舶的位置數(shù)據(jù)。如果岸基地面控制中心要獲取船舶位置時(shí)，船載裝置接收由北斗導(dǎo)航衛(wèi)星中裝的地面控制中心的定位申請信號，并利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中的特有的短報(bào)文通信功能將船舶動態(tài)數(shù)據(jù)打包封裝，再通過短報(bào)文數(shù)據(jù)返回斗導(dǎo)航衛(wèi)星中裝的地面控制中心。

2.1.2 船載裝置的組成

船載裝置采用模塊化設(shè)計(jì)方式，其內(nèi)部組成主要有五個(gè)部分，分別是系統(tǒng)中央數(shù)據(jù)運(yùn)行模塊、北斗定位模塊、北斗天線模塊、位置信息數(shù)據(jù)采集以及電源模塊。

北斗天線模塊又含有三個(gè)子模塊分別是天線、射頻模塊、基帶模塊完成北斗信號的捕獲、跟蹤、解調(diào)、譯碼、偽距與偽距率參數(shù)測量過程。其工作原理是天線接收北斗衛(wèi)星信號，并將接收的原始數(shù)據(jù)傳輸給射頻模塊，通過射頻模塊將原始信號數(shù)據(jù)進(jìn)行低噪放處理，并進(jìn)一步變頻處理，降低信號的載波頻率，而基帶模塊將變頻后的信號中北斗衛(wèi)星的信號從眾多的信號中提取出來即信號的捕獲過程，再持續(xù)輸出北斗衛(wèi)星信號即跟蹤過程，在此基礎(chǔ)上將信號解調(diào)成基帶信號即解調(diào)過程，接著完成譯碼過程，并將北斗衛(wèi)星傳輸過程中誤差進(jìn)行偽距與偽距率參數(shù)測量。最終將處理后的信號交由中央處理模塊進(jìn)行處理。

中央數(shù)據(jù)運(yùn)行模塊。中央數(shù)據(jù)運(yùn)行模塊一方面協(xié)調(diào)其他幾個(gè)模塊之間的工作，同時(shí)也要將其他模塊獲取的定位原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行運(yùn)算分析，把不同數(shù)據(jù)通信格式轉(zhuǎn)換為體統(tǒng)默認(rèn)的格式、并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲在相應(yīng)的存儲器內(nèi)，并進(jìn)一步將處理后的數(shù)據(jù)顯示在系統(tǒng)圖像輸出裝置上，并監(jiān)測衛(wèi)星通信、傳感器工作狀態(tài)，確認(rèn)供電狀態(tài)的有效值，同時(shí)將天線傳輸?shù)膸瑪?shù)據(jù)中提取信號發(fā)送時(shí)間、本地接收時(shí)間、導(dǎo)航電文等定位解算需要用到的數(shù)據(jù)，并把它們存入全局變量，供解算模塊使用，經(jīng)過數(shù)據(jù)類型判別，并按照系統(tǒng)默認(rèn)協(xié)議格式進(jìn)行封裝，后傳送給系統(tǒng)中北斗定位模塊。并將系統(tǒng)中北斗定位模塊計(jì)算處理后的數(shù)據(jù)回傳給天線模塊發(fā)出相應(yīng)的動作指令。

北斗定位模塊。該模塊是將船舶實(shí)時(shí)航行速度、航行方向等原始數(shù)據(jù)參數(shù)，經(jīng)由系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口傳輸給中央數(shù)據(jù)運(yùn)行單元，并接收中央數(shù)據(jù)運(yùn)行單元的申請指令，將位置信息和一些航行數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)的接口，按照特定的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換后發(fā)送給中央數(shù)據(jù)運(yùn)行模塊，船舶位置信息包含船舶實(shí)時(shí)的自測經(jīng)緯度以及請求定位時(shí)間等。

數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊的工作內(nèi)容是收集提取船舶上傳感器發(fā)出的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將這些原始數(shù)據(jù)都將通過系統(tǒng)接口傳輸給中央數(shù)據(jù)運(yùn)行單元，將船舶的機(jī)艙內(nèi)傳感器采集船舶各部件運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集然后發(fā)送給中央數(shù)據(jù)運(yùn)行單元。

2.2 北斗電子海圖信息控制系統(tǒng)

北斗電子海圖信息控制系統(tǒng)也就是北斗導(dǎo)航技術(shù)在船舶定位應(yīng)用的軟件系統(tǒng)，其中包括控制軟件和電子海圖信息庫兩部分。

2.2.1 系統(tǒng)控制軟件

在北斗導(dǎo)航船舶定位系統(tǒng)中，船舶操控人員要實(shí)時(shí)的獲得自己的位置、速度、時(shí)間等信息，在船舶定位系統(tǒng)中嵌入操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)控制船載裝置的天線連續(xù)實(shí)時(shí)接收北斗導(dǎo)航衛(wèi)星信息，在裝置的顯示器上顯示在船舶上方北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的數(shù)目，在地球軌道的位置及該衛(wèi)星目前所處的方位角，并在系統(tǒng)的衛(wèi)星圖像上顯示和實(shí)時(shí)運(yùn)行變化情況，并不斷計(jì)算出船舶定位系統(tǒng)天線和船舶數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)如航海速度、方向等信息進(jìn)行匯集并進(jìn)行綜合計(jì)算，然后根據(jù)北斗電子海圖信息庫圖形進(jìn)行疊加，將船舶當(dāng)前的位置及航速、方向等顯示在電子海圖上，為船舶的控制人提供數(shù)據(jù)參考。

在北斗導(dǎo)航船舶定位系統(tǒng)中，電子海圖界面是十分重要的，因?yàn)樵诙ㄎ幌到y(tǒng)中海圖界面可以直接顯示船舶當(dāng)前所處的位置，這種圖形界面可以直觀的對系統(tǒng)進(jìn)行操作。在電子海圖的制作，目前多采用墨卡托投影法和麥卡托投影法，也可以利用現(xiàn)有的電子海圖，通過數(shù)據(jù)的中北斗衛(wèi)星的位置信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，具備電子海圖的系統(tǒng)控制界面，可以極大的幫助船舶的操控者隨時(shí)監(jiān)控航海的線路，同時(shí)可以針對船舶在近岸航行還是在遠(yuǎn)岸航行時(shí)該海域的暗礁和淺灘等障礙物進(jìn)行標(biāo)注，以避免事故的發(fā)生。

3.結(jié)語

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的全球范圍開通，將對我國的遠(yuǎn)洋航運(yùn)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，一方面可以打破國外導(dǎo)航技術(shù)的壟斷，另一方面也可以極大的提高船舶航行的安全性，進(jìn)一步促進(jìn)我國遠(yuǎn)洋航海事業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)國家對外經(jīng)貿(mào)的拓展。