北斗導航及GPS技術在航海定位中的應用

陳紅齊，吳益新

（東海航海保障中心福州航標處，福建福州 350005）

0 引言

北斗導航技術和GPS（Global Positioning System，全球定位系統）技術的實際應用價值是在于定位，知道船舶海上行進路線。GPS 技術是美國所研發在全球第一個投入使用的衛星導航系統，該技術的各個方面都是極為成熟的，其系統性能極為穩定，伴隨著我國北斗導航系統的發展，這種類型的壟斷優勢逐漸被打破，北斗導航系統是中國自主開發的定位以及導航技術，他的出現不僅推進航空航天領域的發展，也提升我國在國家范圍內的實際影響力。在一定程度上北斗導航技術和GPS 技術是能夠在全球范圍內進行導航以及定位的，其也能夠運用在各領域中，特別是在航海領域中。北斗導航系統是一種全天候的衛星導航信息的導航系統，他的出現打破了GPS 市場中的壟斷，在對于推動我國導航發展有著極為重要的意義和作用。在二十世紀之后，定位導航技術研究學者在航海期間記錄下船只航行以及運行的變化來推算船只的地理位置。二戰結束后，為能夠取得更大的勝利，讓戰斗機在空中作戰的能力更為準確，人們發明了一種無線電定位系統，但是伴隨著該系統的快速發展，其能夠很好的運用在航海定位中，該技術一直發展到當前的衛星定位系統，這才將人們帶入到一個嶄新的時代，全球定位系統能夠給地球上任何地位在海上運行的船舶進行導航，準確的找到自己的地理位置。通過對北斗導航技術和GPS 定位技術在船只航海定位當中的應用進行相應的對比分析，促進我國航海技術的可持續發展。

1 北斗導航以及GPS 定位技術的介紹

北斗導航以及GPS 定位技術都是屬于衛星定位技術的范圍，主要由地球上的監測設備和衛星網絡以及終端所構成，地球上的監控設備的功能是采集指令然后傳輸給天空中的衛星系統，能夠對于衛星的運行狀態進行動態監測，并且還能夠對所采集到的數據進行相應的分類處理。衛星網絡系統的功能是傳輸信號，然后就是用戶終端系統，該系統的主要功能是接受衛星所發來的信號，并且針對衛星定位進行解析，然后通過計算并且來確定自己所在的地理位置。

2 北斗導航衛星系統能為船只提供定位服務

（1）北斗導航衛星系統和雷達配合使用。在一定程度上雷達所跟蹤的目標和AIS（Aeronautical Information Service，船舶自動識別系統）報告的目標是有所關聯的，簡單來說就是雷達會將分別來自和雷達傳感器以及AIS 傳感器目標的定位以及航海速度以及航海方向等方面的信息進行歸納分析，然后按照地理位置和實踐以及航海方向和速度，根據相關準則進行優化處理和合理支配，最后根據船舶駕駛員的要求進行輸出目標一致性的動態信息。在一定程度上若是定位誤差較大，那么就會讓目標無法顯示出位置所在地，并且還會讓所有基于定位系統的AIS 設備圖標都會偏離雷達回波的固定位置，并且還會讓部分的目標出現失聯的情況，與此同時，也有可能會導致目標數據精度出現降低的現象，從而影響到船舶航線和航速。所以，在一定程度上雷達自身需要高準確度的位置信息，還需要讓AIS 信號也有高精度位置信息，北斗衛星的高精度是能夠完全運用在雷達設備當中的，這樣是能夠解決我國使用國外定位技術的困惑。

（2）電子海圖信息系統和現實系統。該系統是一種備用配置，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，在一定程度能夠選擇性的現實系統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控航海路線。在電子海圖信息系統中，不論是在近岸航行還是在遠岸航行，其對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的實時高精度，在不同的現實情況下，船舶位置信息都是會及時的顯示在屏幕上，船舶駕駛員可以根據屏幕上所顯示的相關數據對船只進行控制和周圍狀況的實時觀察，其主要包含暗礁和淺灘等障礙物，充分運用高準確度的北斗導航衛星系統能夠有效的避免危險情況的出現。伴隨著我國船只的重量和規模不斷增大，船只自身的吃水深度也會不斷加深，這種情況就需要提供可靠和準確的船只信息。北斗導航衛星系統能夠不間斷，全天候的提供給船只精確的信息，在測量精度當中可以高達0.15 m/s。因此，北斗導航衛星系統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 導航系統原理分析

GPS 導航系統主要是由4 個地表天線站、4 個MCS 控制臺和6 個監控系統所構成，用戶設備主要是GPS 導航系統數據的目的地，然后通過信息接收器來接受GPS 衛星所發出的信號，在以GPS 衛星所固定的角度去獲得測量GPS 衛星，并且跟蹤獲取衛星的相關數據，最后在通過計算，計算出用戶設備的主要定位數據，比如地理位置的經度和維度等信息。在現目前GPS 定位技術中，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 衛星來測量中心。根據GPS 衛星的運動情況可以把GPS 定位計算方法分為單點計算法和相對定位計算法，大多數情況下所采用的都是偽距的計算方法來進行定位計算；除此之外，多普勒定位和載波測量方法也可以充分運用在GPS 系統定位中。

4 北斗導航系統原理分析

北斗導航定位是有著精準性和主動性的特征，在一定程度上能夠進行雙工數據傳輸，但是在特定區域時也是有著極大的局限性。北斗導航系統的構建主要是由地面中心控制系統、空間部分以及用戶終端所構成。其中地面中心控制系統是由地面到中心站和地面岑靠標校站所組成；空間可以分為衛星以及備用衛星所構成；用戶終端是收發器，能夠接受和發送衛星所傳輸而來的信號。北斗導航系統定位工作流程如下所示：①地面控制站將信號發送到空間衛星；②空間工作衛星接收信息后，運用轉發器將信號傳輸給用戶，③服務區用戶對工作衛星所發出的信號進行回應；④地面控制中心接受到用戶信號后進行解析；⑤空間衛星接收用戶坐標資料，運用衛星轉發器將數據傳輸給用戶，從而獲取定位。總而言之，北斗導航系統定位中空間工作衛星是地面控制中心和用戶之間的中轉站。

5 北斗導航以及GPS 技術在航海定位中的對比分析

北斗導航以及GPS 導航在航海定位中的實際應用對比分析，以AIS 為基礎，在一定程度上去獲取船只航行期間相關信號以及信息分析，比如在海岸基站周圍船只信息等方面，并且會將這些信息傳輸到岸上的系統當中。在信息傳輸過程中，AIS 會將接收到的信息傳輸到北斗導航衛星或者是傳輸到GPS 導航衛星上面，然后通過衛星的傳輸到達控制中心。在定位控制中心充分運用多基站信息融合技術對船只信息進行處理，然后將其儲存到數據庫當中，監控系統會自動讀取數據庫中的船只信息并將其顯示在屏幕上，這樣能夠實現對船只航行和航速進行動態監控。在一定程度上北斗導航系統船只定位和GPS 導航系統船只定位的準確度對比表（表1），在每相隔480 m 長度去設置一條極限，但是需要注意的是，北斗導航系統船只定位測試的數據和GPS 導航船只定位測試數據類型是有很多不同支出的。北斗導航系統船只定位測試數據類型是檢測相位大小和B1 與B2速率的偽距，GPS 導航系統測試數據類型是L1 和L2 與C1 和P2 中的數據分析。

通過表1 中所顯示的數據，我們可知北斗導航系統船舶的定位準確度在（4～5）mm，然而觀察準確度在（0.3～0.4）m，其中這2 個準確度的指標是和GPS 導航系統船只定位相同的。在一定程度上，去測試衛星高角度對于船只定位準確度的實際影響，所采用的是不間斷的10 組分元組數據來進行計算的，這樣能夠計算出北斗導航系統船只定位以及GPS 導航系統船只定位的準確度的結果。在某種層面上可以去除不精確的結果，然后得到高角度匹配的精確度數值之后再進行實際均值的計算。在一定程度上測試結果表明，在對于北斗導航系統船只定位而言，伴隨著我國衛星高角度的不斷提升，航海船只定位準確度也會不斷增加，伴隨著我國衛星高角度的降低，航海船只準確度也會得到下降；然而在GPS 導航系統船只定位當中，上述這種關系也同樣存在的，但是相對于北斗導航系統而言，GPS導航系統的相關度是更為穩定，其自身的歷元接受信號的能力向度較強，所接受的衛星數量較多，北斗導航系統船舶定位當中的MEO（Medium Earth Orbit，中地球軌道）衛星數量出現的波動信息是非常大的，其GEO（Stationary Earth Orbit，地球同步軌道）衛星是較為穩定的，但是從精確度上來說，北斗導航系統船舶定位好于GPS 導航系統定位。

6 結語

北斗導航技術在全球范圍導航和定位中，能夠適用在各領域當中，特別是在航海領域中的使用能夠極大的提高船舶航行的安全性。北斗導航系統是我國自主開發的定位和導航技術，該技術不僅促進我國航空航天事業的發展，還提升我國在國際中的影響力，隨著我國針對北斗導航導航定位系統的完善，其在航海領域中能夠全面實現定位導航，這將促進我國航海事業的發展。