基于GPS的船舶導航信息系統(tǒng)的研究與應用

羅瑤+趙茂伸

摘 要：GPS全球定位系統(tǒng)自從向全球民用開放以來，在航海中得到了普遍的應用，以此為基礎(chǔ)的船舶導航信息系統(tǒng)也得到了越來越多的應用。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題，而基于GPS的船舶導航信息系統(tǒng)的出現(xiàn)使上述問題得到了解決。該文主要探討了基于GPS的船舶導航信息系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)計與開發(fā)以及應用。

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

中圖分類號：TP30 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（b）-0007-02

GPS全球定位系統(tǒng)是利用接收的GPS衛(wèi)星信號實現(xiàn)定位、授時與導航的先進技術(shù)，具有在陸、海、空實時全方位的進行三維定位與導航的性能。該技術(shù)在工程領(lǐng)域和導航領(lǐng)域占據(jù)不可替代的作用，解決了定位與導航的問題，產(chǎn)生了可觀的社會效益和經(jīng)濟效益。在船舶導航中應用GPS技術(shù)，可以提供更為精準的定位和導航服務，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

船舶在航行過程中會遇到一些特殊情況，影響GPS的定位精確度，這時需要對船位進行推算。GPS船位推算方法主要有兩種：第一種是利用計程儀掌握實時航速，利用羅經(jīng)掌握實時航向信息，通過利用航速和航行進行船位的推算。此種方法只適用于短時的船位推測，時間越長，誤差就會越大，最終導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)能獲得準確位置。當航行方向和船舶速度發(fā)生變化時，預測的結(jié)果會產(chǎn)生較大的偏差，從而導致預測值無效。

1.2 相關(guān)參數(shù)計算

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

1.3 船舶航行速度的計算

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

1.4 平滑濾波技術(shù)

通過衛(wèi)星測量而造成的GPS定位誤差主要歸為兩種：一種是隨空間、時間迅速變化，相關(guān)性較弱的隨機誤差；另一類是隨空間、時間緩慢變化，相關(guān)性很強的隨機性偏移誤差。由于GPS信號存在誤差，當其在計算機屏幕上顯示為定位位置固定不變時，GPS的位置在一個圓內(nèi)變化。船舶在航行過程中，位置的偏差會對航向、航跡產(chǎn)生較大的影響，不能如實的反應航向和航跡。消除這種隨機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。可使用自適應濾波、自回歸滑動平均（ARMA）、卡爾曼濾波和預測處理等方法提高與預測量的精度。

2 GPS的船舶導航信息系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計

2.1 參數(shù)計算模塊

導航參數(shù)計算模塊中所需數(shù)據(jù)包含兩部分：一部分來自于數(shù)據(jù)庫中預設(shè)的航線信息；另一部分從GPS-OEM板接收的。經(jīng)過坐標處理和數(shù)據(jù)類型變換的定位信息。

2.2 信息接收模塊

計算機串口接收GPS-OEM板發(fā)來的GPS數(shù)據(jù)，依據(jù)導航所需要的參數(shù)，選擇接收的語句，提取語句中有效性、維度、經(jīng)度、速度等信息，再經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，最后將信息存儲到數(shù)據(jù)庫中。

2.3 數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

船舶航行為了滿足實際航行的需求，需要設(shè)置多條航路。該軟件采用Access數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，設(shè)計10條航路，設(shè)置10個航路點。若航路較長，航路點較多，則可分段導航。那么，在對應的GPS導航數(shù)據(jù)庫中設(shè)定10個航路表。每個表代表一條航路信息，每個表包含10條記錄，每條記錄都代表著一個航路點的信息，每條記錄都包含5個字段，分別代表著航路點、經(jīng)緯度、偏航距、偏航角、航路點編號。

2.4 人機界面的實現(xiàn)

人機界面的實現(xiàn)是整個GPS的船舶導航信息系統(tǒng)最為復雜的部分。人機界面的設(shè)計主要遵循了解用戶（了解用戶使用目的、使用頻率以及用戶的背景知識）、交互風格（導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種交互風格）、任務分析（對用戶的需求進行分析，從而設(shè)計出導航軟件參數(shù)和實現(xiàn)的具體功能）、預防出錯（當用戶出現(xiàn)錯誤時，要提醒用戶，提供出錯信息）四項基本原則。

3 基于GPS的船舶導航信息系統(tǒng)的應用

3.1 GPS在船舶導航信息系統(tǒng)的應用現(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、無誤差積累、全天候等特點，是當今中遠程航線上最好的導航系統(tǒng)。GPS船舶導航信息系統(tǒng)在航海中得到了廣泛的使用，幾乎每艘船舶都備有GPS船舶導航信息系統(tǒng)。GPS在航海中的應用主要表現(xiàn)在：一是可與通信導航設(shè)備，如羅經(jīng)、船舶的ARPA，實現(xiàn)匹配相接，為其他導航設(shè)備提供真實可靠的數(shù)據(jù)，為船舶導航自動化提供支持。二是即時的為航行中的船舶提供準確的位置信息。三是可進行連續(xù)的定位。四是具備多種報警功能，如偏航向報警、時間報警、到達航路點報警等，為船舶提供了可靠的安全保障。五是GPS用戶可在全球任意位置、任何天氣準確接收衛(wèi)星信號。六是強大的導航功能。用戶可根據(jù)實際需要來設(shè)計航線和航路點，為船舶航行提供經(jīng)濟可靠的路線保障。

3.2 GPS的船舶導航信息系統(tǒng)在長江引航工作中的應用

長江引航中心于2006年建立了長江GPS船舶導航信息系統(tǒng)。長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9個引航站，在職引航員二百多人，大部分引航員都是三級或三級以上的級別。該系統(tǒng)包含有船載單元、監(jiān)控中心、電子海圖，具有對船舶在航行中精確定位、保留航跡數(shù)據(jù)、應對突發(fā)天氣等功能。引航員可通過電腦中即時的船舶航行狀態(tài)、潮汐水位信息以及航道等參數(shù)，準確下達船舶操作的相關(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度，保障了引航的安全。在長江引航中心建立的GPS導航系統(tǒng)，能夠?qū)崟r的監(jiān)督引航員的操作狀態(tài)和實時監(jiān)控船舶的航行過程，降低了引航責任事故的發(fā)生率，提升了引航的安全管理工作水平。該系統(tǒng)的建立也提高了長江引航中心的國際地位，使引航管理走向現(xiàn)代化。

4 結(jié)語

總而言之，在水上貿(mào)易、航行越來越繁榮的當今，船舶導航的意義越來越重要。通過對基于GPS的船舶導航信息系統(tǒng)的研究，明確了GPS的船舶導航信息系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)、開發(fā)與設(shè)計以及在實際中的應用。隨著國內(nèi)船舶導航信息系統(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)星導航系統(tǒng)）相結(jié)合的船舶導航系統(tǒng)將在航海中得到應用。

參考文獻

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