淺析GPS技術(shù)在船舶定位中的應用

蔡亞軍，萬隆君（通訊作者）

（集美大學輪機工程學院 福建 廈門 361000）

1 引言

二十一世紀是海洋世紀，繼十八大之后黨的十九大報告再一次指出，“堅持陸海統(tǒng)籌，加快建設海洋強國”，其是對創(chuàng)建海洋強國戰(zhàn)略所提出的更加高的需求。作為全球主要的海運大國，打造海運強國戰(zhàn)略是全面貫徹海洋強國戰(zhàn)略必不可少的部分，同時還是加速“一帶一路”戰(zhàn)略發(fā)展的重要途徑，更加是提升國家經(jīng)濟發(fā)展水平的要求。《關(guān)于促進海運業(yè)健康發(fā)展的若干意見》的出臺，更加是對我們國家航運業(yè)的不斷發(fā)展實施充分系統(tǒng)地安排，其對于我國加速創(chuàng)建海運強國與海洋強國戰(zhàn)略，有著非常重要的意義。針對我國的航運業(yè)來說，日益繁瑣的自然條件與海上環(huán)境，及船舶現(xiàn)代化、信息化的不斷發(fā)展，促使船舶的管理人員充分認識到獲取船舶及時性位置信息與把握船舶行駛信息的重要意義。為了降低船舶海損事故的出現(xiàn)，加強船舶監(jiān)控管理能力，并且為了能夠更加好的對海上運輸實施監(jiān)管、加強遇險救助能力，運用GPS技術(shù)創(chuàng)建起有效的水上交通管理體系。

2 GPS技術(shù)概述

衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)通過接收GPS衛(wèi)星信號以達到定位、導航以及授時的一種技術(shù)，具備在陸、海、空實施全方位及時三維定位和導航的功能，所以GPS技術(shù)由根本層面處理了人們在定位與導航上遇到的問題，其在定位、導航工程領(lǐng)域中發(fā)揮著不可取代的作用，同時能夠帶來較好的社會效益與經(jīng)濟收益。

GPS系統(tǒng)主要由以下三個部分組成：第一，空間星座部分—GPS衛(wèi)星星座；第二，地面監(jiān)管部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)；第三，終端接收部分——信號接收機。

3 GPS船舶定位監(jiān)控系統(tǒng)

（1）GPS船舶定位監(jiān)控系統(tǒng)

伴隨無線通信網(wǎng)絡技術(shù)與GPS技術(shù)的快速發(fā)展，移動定位監(jiān)控技術(shù)同樣獲得了較大的發(fā)展。GPS船舶定位監(jiān)控系統(tǒng)集移動通信技術(shù)、GPS技術(shù)、計算機管理技術(shù)以及GIS技術(shù)于一體創(chuàng)建起了船舶動態(tài)化管理系統(tǒng)，能夠達到大范圍、全天化、多船只的及時化、動態(tài)化調(diào)度、定位、監(jiān)管，改善船舶航行管理，提升應對突發(fā)事件的能力，加強船舶航行的安全度與運行效率。GPS船舶定位監(jiān)控系統(tǒng)建立相對簡單、并不需要申請專門的頻點，并不需要建造基站，定位監(jiān)控系統(tǒng)能夠監(jiān)管所有加裝了船載單元的移動船只，通訊方式的達到就像是購買與運用手機那么便利。

以GPS為基礎(chǔ)的船舶定位監(jiān)控系統(tǒng)運用終端接收裝置經(jīng)過GPS模塊收集數(shù)據(jù)信號，中央處理單元針對定位信號實施處理獲得相應的位置信息，接著由通信模塊把信息傳遞到監(jiān)控服務器。中央處理單元同樣能夠經(jīng)過通信模塊接受源自監(jiān)控中心所發(fā)出的指令，進而實現(xiàn)其它功能。其功能大致涵蓋：緊急報警功能、監(jiān)控功能以及行駛記錄等相關(guān)功能。監(jiān)控中心硬件大都是由數(shù)據(jù)庫服務器、信網(wǎng)關(guān)服務器以及監(jiān)管應用服務器等所構(gòu)成。其軟件部分大都是由應用程序模塊、GIS模塊以及通信模塊等所組成。監(jiān)控中心的功能涵蓋：傳播查詢功能、定位功能、指揮調(diào)度、預警功能、緊急救援功能以及到港預報等其它功能。

（2）系統(tǒng)特點

第一，定位精準程度高。GPS船舶定位系統(tǒng)運用單GPS模塊的形式，其定位精準度往往在15米內(nèi)。為了達到一些其它用戶較高精度定位的要求，便能夠運用差分GPS的形式，按照差分GPS基準站傳遞信息形式的不同能夠?qū)⒉罘諫PS定位劃分成以下三種：相位差分、位置差分以及偽距差分。以上三種差分方式的運行機理是完全一樣的，均是由基準站傳遞優(yōu)化值，由用戶接受同時對測量結(jié)果實施改正，以得到精準的定位結(jié)果。其區(qū)別在于傳遞修正值的主要內(nèi)容不相同，其差分精準度也不一樣。其間偽距差分便是把移動臺的GPS數(shù)據(jù)與差分基準站的GPS數(shù)據(jù)共同傳遞至中心實施二次差分以抵消公共誤差，以提升定位精準度。

第二，覆蓋范圍廣。在有移動網(wǎng)絡的地方，GPS船舶定位系統(tǒng)便能夠發(fā)揮作用，進而能夠跨省又或是全國范圍內(nèi)的監(jiān)控。運用網(wǎng)絡技術(shù)與衛(wèi)星通信技術(shù)，能夠達到船舶監(jiān)管部門和船舶之間長途距離的信息交流，拓寬海事機構(gòu)對于海上船舶的監(jiān)管范疇，加強船舶監(jiān)控管理的水平與船舶安全行駛的能力。

第三，信息容量大，交互更加方便。運用網(wǎng)絡技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)以及計算機技術(shù)等等，創(chuàng)建起以同步定位衛(wèi)星通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)的船舶監(jiān)控管理體系，以達到船舶動態(tài)、靜態(tài)信息資源的共同分享與船舶監(jiān)控組織和船舶間迅速、便利的信息溝通，進而有助于增強船舶的監(jiān)管和指揮調(diào)控，促進船舶運行效益的提升。

4 GPS技術(shù)在船舶定位中的應用

4.1 GPS技術(shù)在船舶絕對定位中的應用

船舶絕對定位大都是通過GPS技術(shù)對于船舶在WGS-84坐標系中的相應位置實施精準定位，需以4顆GPS衛(wèi)星為基石，此時的GPS測量才具備更高的準確性。在實施船舶絕對定位的時候，僅通過GPS的接收設施便能夠單獨完成，與其它方式對比來看，GPS技術(shù)在船舶絕對定位過程中的應用具備便于處理、組織方便以及操作簡單的優(yōu)勢。然而其同樣有著星歷誤差、信號延遲等層面的影響，從而導致GPS技術(shù)運用的誤差，對船舶絕對定位的準確性造成影響。

4.2 GPS技術(shù)在船舶動態(tài)定位中的應用

經(jīng)過動態(tài)定位能夠及時掌握船舶運行的方向、速度以及所處位置等，是船舶選取行駛路線，指引船舶的重要基礎(chǔ)。因為動態(tài)定位過程船舶一直處在運動狀況，角度、速度的不一樣均會對GPS技術(shù)的運用造成極大的影響，若不調(diào)節(jié)GPS技術(shù)在船舶動態(tài)定位中存在的誤差，極易導致誤差累積，從而影響無法充分把握船舶準確的方位與行駛速度，從而喪失了航線改善的可能性，不僅會對船舶航運的經(jīng)濟性產(chǎn)生影響，同時還會發(fā)生安全隱患。

4.3 船舶航行GPS定位數(shù)據(jù)處理

（1）空間位置的坐標表示

對于空間位置的描繪需在某個相應的系統(tǒng)下運用固定的形式來完成，此系統(tǒng)便是坐標參照系，然而 描繪位置的形式便是由坐標系所明確的。最為常見的坐標參照系包含參心系與地心系，其和地球的物理與幾何特征有著非常密切的聯(lián)系。最為常見的坐標系有：大地坐標系、空間直角坐標系以及平面直角系等等。

（2）GPS坐標轉(zhuǎn)換流程

在系統(tǒng)具體運用環(huán)節(jié)，運用GPS定位的終極目標便是經(jīng)過載入GPS定位的信息，及時、精準地在電子地圖中體現(xiàn)出目標點所處的位置信息。載入GPS定位信息其實就是對定位信息實施坐標轉(zhuǎn)換于投影，以使得其能夠和電子海圖存在于同一個坐標系里面，以實現(xiàn)坐標相互匹配的目標。

（3）基準轉(zhuǎn)換

在工程運用環(huán)節(jié)采取GPS系統(tǒng)所收集的數(shù)據(jù)為WGS-84坐標系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，其便需實施基準轉(zhuǎn)換，將所收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鱾€國家又或是區(qū)域運用的坐標系統(tǒng)下。基準轉(zhuǎn)換的方法非常之多，最為常見的便是莫洛金斯基模型與布爾沙-沃爾夫模型。

（4）坐標系的轉(zhuǎn)換

在相同的坐標系統(tǒng)又或是基準下，空間點的坐標有著完全不一樣的展示方式，一類方式對應著一種坐標系。不一樣的坐標系間，需要通過轉(zhuǎn)換之后，才可以獲得所需要的坐標。

5 GPS定位誤差及解決措施

因為遭受航行環(huán)境的影響，大多運用絕對動態(tài)定位的形式，此形式存在著非常大的誤差，需針對誤差實施減小，才可以精準對船舶實施定位。在具體工作環(huán)節(jié)，GPS天線大多會安裝于船的上部，唯有的海況優(yōu)良的背景下，船和GPS天線的運動是保持一致的。如果海況偏差，GPS天線便會遭受船橫、縱搖的影響，定位數(shù)據(jù)會出現(xiàn)比較大的跳變。此時船舶的航向、航跡改變同樣是非常大的，無法真實體現(xiàn)航向與航跡。因此需要對數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩ㄎ徽`差實施分析同時進行修正。

（1）測偽距誤差

測偽距誤差又被叫做等效測距誤差。與其它觀測值相同，在測偽距的時候，因為有著星歷誤差、衛(wèi)星時鐘誤差以及信號在傳遞環(huán)節(jié)因為對流層延時、電離層延遲等造成的傳遞誤差與終端裝置的接收機通道間誤差、接收機噪聲所造成的接收機偏差等等。以上誤差的存在便會造成測偽距的偏差。民用C/A碼GPS的等效測距偏差在5～10mm之內(nèi)。接收機誤差便歸屬偶然性偏差，是人為操作不當所造成的，所以在測量的時候需要確保接收機穩(wěn)定工作。因為接收機各式各樣，其定位的精準度并不相同。普通船舶所運用的大都是導航型接收機，此類接收機大多應用于運動物體的導航，其能夠及時提供物體的具體位置與行駛速率。在抵達目標位置時，期能夠指引載體抵達設定的目標。此類接收機均是運用C/A碼偽距測量，單點即時定位，定位的精準度為25m，此種接收機的價格低廉，有大量的運用。此類接收機在船舶導航定位中的運用，同時與海圖搭配應用。然而測地型接收機是一種應用于精密測量工作的接收機。此類儀器大都運用載波相位觀測值實施定位，定位精準程度高。儀器價格繁瑣，價格比較昂貴，并不適合在船舶中運用。

（2）衛(wèi)星在空間分布及正確的選星

對定位精度產(chǎn)生影響的次要因素便是衛(wèi)星在空間布局與準確的選星。GPS在定位的時候僅需選取其間的4顆衛(wèi)星。因此，在衛(wèi)星數(shù)量多于4顆的時候，便需進行選星計算，以明確最好的衛(wèi)星組合。

因為偽距誤差是由大氣環(huán)境與衛(wèi)星所明確的，用戶無法對其直接進行更改。然而幾何因子往往是由用終端接收裝置和衛(wèi)星相對位置所明確的。經(jīng)過科學的選取導航衛(wèi)星，減少幾何因子，能夠?qū)崿F(xiàn)降低誤差、提升精度的目標。

（3）差分定位

差分定位系統(tǒng)是由多用戶流動站、基準站以及數(shù)據(jù)鏈這三個不同的部分所構(gòu)成。在基準站中收集各個可視衛(wèi)星里面的測距信息，涵蓋導航電文、偽距以及載波相位等等。

因為基準站的坐標已經(jīng)知曉，便能夠計算出各星站間的實際幾何距離，進而獲得觀測值的優(yōu)化數(shù)。然而精準程度較高的RTK技術(shù)，傳遞給流動站的并非是觀測值的優(yōu)化數(shù)，是基準站最初的觀測值。基準站需傳遞給流動站的還涵蓋基準站本身的部分信息，例如：基準站的天線高與坐標等等。按照在沿海部分區(qū)域的運用，需要在沿海港口航道測量創(chuàng)建起相應數(shù)目的差分基準站，同時產(chǎn)生網(wǎng)絡，對沿海港口航道測量船舶提供相關(guān)的定位數(shù)據(jù)。

6 結(jié)論

綜上所述，船舶定位是船舶航行過程中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，需要在高效導航與精準測量的基礎(chǔ)之上才可以保證船舶定位的精確性。GPS技術(shù)在船舶航行中的運用，船舶往往會通過GPS技術(shù)來確保定位的精準性與迅速性。因為GPS技術(shù)自身遭受著工作原理、坐標系以及實際狀況等因素的影響，產(chǎn)生GPS誤差進而影響到船舶定位的精度。為了能夠更加準確的進行船舶定位，更加合理的運用GPS技術(shù)，需要由精準選星、測偽距誤差調(diào)控以及實時差分定位等過程出發(fā)，探究船舶定位運用GPS技術(shù)的關(guān)鍵，以達到對于船舶靜態(tài)與動態(tài)更加快速而精準的定位目標。

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