如何利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)和ECDIS實施航道內(nèi)船位監(jiān)控

廖才明 方玉林

如何利用電子海圖（ECDIS）在航道中實施定位并在定位頻率及定位精度二個方面滿足航行安全要求，是行業(yè)一直以來爭論的焦點問題。

理念上航道內(nèi)定位應(yīng)根據(jù)船舶所處的環(huán)境，駕駛?cè)藛T在獲取前一個可靠船位基礎(chǔ)上，繼續(xù)航行至下一個測定船位的航行區(qū)間內(nèi)，航行的船只不能因定位不足而讓本船涉入險境。需要考慮的因素有：航道寬度、航道彎曲程度、通航密度、本船噸位大小、船舶運動軌跡與航道外淺水區(qū)或礙航物(No Go Area)的橫向距離、船舶受橫向流壓時應(yīng)配置的流壓角、避讓它船后駛回原計劃航向的船位可控性、外部定位條件是否便利等，目前行業(yè)觀點認為通常情況下以6～10分鐘左右一個可靠船位能滿足上述要求。

航海定位手段的優(yōu)先級和ECDIS衛(wèi)星定位誤差校核頻度

根據(jù)最新資料，船位校核應(yīng)滿足下列要求：

1、開敞海區(qū)或深水航區(qū)（Open sea/Deep water）

當船舶行駛在開敞或深水航區(qū)時，應(yīng)每個班次（三班制方式為4小時，二班制的為6小時）校核ECDIS上的船位精度一次。

2、沿岸航行或駛近海岸、錨泊、靠離泊機動操作時，應(yīng)至少每1小時用其它手段校核ECDIS上的船位一次。

3、驗證船位有效性應(yīng)按下列順序或它們的組合方法擇優(yōu)獲得可靠船位。

? 視覺觀測定位（Visual observations），如導航疊標，串視物標。

? 雷達觀測船位（Radar observations），較近孤立物標的距離定位。

? 平行標線法（Parallel Index），與航向成直角的平行距離差值。

? 用戶終端雷達位置映像（如在駕駛臺指揮位置上配有獨立顯示器的雷達位置——Radar Overlay/）/電子海圖上的雷達數(shù)據(jù)（ENC Underlay——它可能以物標的距離和方位顯示，并不一定是經(jīng)緯度）。

? 查核衛(wèi)星定位的精度因子《DOP checking，后文詳細解說》

? 信噪比或載噪比《Signal or Carrier to Noise Ratio (SNR or CNR)》-——（該技術(shù)指標的解釋見文末）。

上述要求對開敞海區(qū)和近岸航行提出了船位校核頻度，但依然未觸及航海中難度最大的航道導航提出可分析和可操作的依據(jù)。

航道航行利用衛(wèi)星定位需考慮的因素

隨著衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展和ECDIS技術(shù)的成熟，給我們利用衛(wèi)星定位在航道上進行實時船位監(jiān)控提供了可應(yīng)用的渠道，但業(yè)界一致的觀點是利用衛(wèi)星定位和傳統(tǒng)航海定位手段中，下列三個問題必須明確：

1、ECDIS和傳統(tǒng)紙質(zhì)海圖之間的固定位移差值。

2、其它國家提供的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，有可能因為某種原因而意外關(guān)閉。

3、衛(wèi)星定位的精度不能讓人滿意，特別是港內(nèi)定位，如果定位精度不能達到米級以下的話，這種定位方式是不能被業(yè)界所認可的。

對于問題1，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)（BDS）采用的是2019年12月發(fā)布的北斗坐標系（BDCS），與最新的國際地球參考框架（ITRF）對齊，在全球范圍內(nèi)與航海用的WGS-84系統(tǒng)相差不超過5cm，對航海而言，該差值可完全忽略。

對問題2，國產(chǎn)北斗3號系列在全球的成功應(yīng)用，這個擔憂也已經(jīng)被解除，顯然我們只需要分析和討論它的定位精度問題就可以了。

對問題3，也是本文的焦點，就是GPS定位方式和精度。

衛(wèi)星系統(tǒng)的定位原理和精度分析

本文中，GPS一詞指的是所有衛(wèi)星定位系統(tǒng)（一般叫做GNSS即全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)），目前，常用的有美國GPS、中國北斗、歐盟伽利略和俄羅斯的GLONASS，未來還有印度的IRNSS等，由于各系統(tǒng)定位原理相同，文中不分開表述，但在誤差分析結(jié)論時，著重引用的是北斗3系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

需要特別提請讀者留意的是：GPS目前分單點和差分（DGPS）二種定位形式：

1、單點定位，即GPS接收機從導航定位信號中解碼,直接根據(jù)衛(wèi)星信息進行定位。

2、差分定位，也叫DGPS，其本質(zhì)就是一個單點定位的GPS接收機加上一個地點固定的GPS基準站共同進行定位的方式。其中基準站的數(shù)據(jù)是一種后處理數(shù)據(jù)，也叫做DGPS數(shù)據(jù)鏈，通過接收DGPS數(shù)據(jù)，接收機對當前的定位坐標進行修正，從而得到更精確的導航坐標，過程可以用上圖來表示。

目前差分情況下的精度已經(jīng)小于1米，有資料稱大多數(shù)在0.4～0.5米左右，在消除本輪的固定誤差后，這樣的精度已完全滿足港內(nèi)導航要求。

下面的誤差分析是針對單點定位進行的論述。

1、GPS定位方式和定位原理簡述

? 2D模式(2 dimension)衛(wèi)星數(shù)據(jù)結(jié)合天線仰角高度而得出的船位。

? 3D模式(3 dimension)三維定位，需要4顆或更多的衛(wèi)星。

? 差分模式（DGPS）信標臺接收衛(wèi)星信號后，通過已知準確位置的基站發(fā)送給GPS系統(tǒng)的誤差校準數(shù)據(jù)，提高定位精度。

顯然，其精度依序為DPGS優(yōu)于3D更優(yōu)于2D。

具體到JRC的JLR-7700II，如果收到4顆及以上衛(wèi)星信號的時候，GPS接收機顯示3D模式定位；如果收不到4顆衛(wèi)星，只有3顆衛(wèi)星信號時，GPS接收機采用2D模式定位（即只提供平面定位，此時JLR-7700II需要并入預先置入的天線高度參數(shù)計算；也就是說2D模式時，如果預置的天線高度誤差較大的話，引出的船位誤差可能會比較大，但隨著衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量的增加，接收機上出現(xiàn)2D現(xiàn)象已基本消失，中國已經(jīng)于2020年7月31日正式開通北斗3系，美國也在最近發(fā)展到了GPS-3A系，據(jù)稱北斗3系的民用精度小于5m，GPS-3A系精度為1m）。

最新公開報道的北斗三號衛(wèi)星系統(tǒng)定位精度均值為2.34米，該準確度應(yīng)是單點精度，也已滿足大多數(shù)港口航道導航所需。

2、GPS定位誤差

和其它導航系統(tǒng)一樣，衛(wèi)星系統(tǒng)也有固定誤差和隨機誤差，而隨機誤差中主要影響的是系統(tǒng)的精度因子（精確度因子）。

（1）在GPS中描述精度誤差的大小用定位精度因子（DOPDilution of Precision）來表示，即“精度強弱度”，或者就理解為“誤差系數(shù)”。它和“準確度”意思不相同，表述方法是：觀測成果的好壞與被測量的衛(wèi)星和接收儀間的幾何形狀有關(guān)且影響甚大，計算該誤差量就稱為精度的強弱度。天空中衛(wèi)星分布不均，這個數(shù)字就會增加，如果衛(wèi)星分布均勻，這個數(shù)字就會更小，反映出的定位精度也就越高，衛(wèi)星接收機的定位精度值和該值相乘，可換算出最終測量誤差（在數(shù)學上它就是個誤差系數(shù)），主要使用的參數(shù)有下列幾個：

? HDOP——水平精度因子（2D平面座標精度因子—最常用）。

? VDOP——垂直座標精度因子（離海平面的高程，如飛機在空中飛行時，飛機需要知道離海平面的高度）。

? PDOP——3D位置點位精度因子。

? TDOP——時間精度因子。

? GDOP——幾何精度因子（三維坐標與時間精度因子）。

DOP越小定位精度越高，民用導航中僅使用水平精度因子(HDOP)和垂直精度因子(VDOP)已經(jīng)滿足要求，對于航海而言，船舶始終在海平面行駛，垂直高度已經(jīng)用地理坐標系修訂，所以只需考慮水平精度因子(HDOP)這一項，下表給出了它的表征值。

（2）衛(wèi)星接收機本身的定位準確度（Position Accuracy，也叫定位精度）

用來表述GPS接收機的水平定位精度，使用的是均方根值（RMSRoot Mean Square）， 假 如RMS值為1.2m，是指“使用測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到，測量位置與真實位置之間水平誤差的標準差為1.2m，意味約65%測量值與真實的誤差在1.2m以內(nèi)”，目前大多數(shù)產(chǎn)品說明書上標明的單點誤差在1.0米～1.2米之間。

（3）單點定位的誤差計算

整合系統(tǒng)誤差和接收機誤差二個因子后，根據(jù)2.1和2.2，誤差計算舉例說明如下：

假如接收機的定位精度為1.2米，某時刻HDOP值為20，那么此時的定位誤差為1.2×20=24米；如果該時段的HDOP值為5，此時誤差為1.2×5=6米，所以表格中列明，如果要用于航道內(nèi)導航，HDOP值必須小于5。

D O P值 評定等級（R a t i n g） 表征1理想情況 最高置信等級，適用于全天候需要最高精度的應(yīng)用。1-2 優(yōu)秀 這個置信等級，能夠滿足除了1中的絕大多數(shù)應(yīng)用2-5 良好 可以用于航路導航5-1 0 中等 可用于計算。更廣闊的天空能夠提高置信水平。（不可用于航道中）。1 0-2 0 及格 低等級置信水平，應(yīng)該丟棄，或僅僅對當前位置非常初略的估計。>2 0 不及格這個等級的置信水平，測量已經(jīng)非常不精確了。當定位精度為6 m，D O P = 5 0的時候，誤差已經(jīng)有3 0 0 m 之巨 (5 0 D O P × 6 m)。

有些文章介紹為6或者7以下，鑒于現(xiàn)在尚處于摸索階段，建議控制在5以下，某些儀器的HDOP選項有4/10/20三個，如果是航道導航，應(yīng)置于最高檔的4，但別忘記了在開航后恢復原始狀態(tài)。較高的門限便于選擇高精度定位，但同時也有可能因為衛(wèi)星分布不均衡時，接收機得不到船位。

實際操作注意事項

1、正確設(shè)置GPS主數(shù)據(jù)中的水平偏移量和天線偏移量（類似于消除固定誤差和磁羅經(jīng)的自差）。

駕駛?cè)藛T應(yīng)了解本船衛(wèi)星接收機天線位置，需要注意的是即使天線處于艏艉中線上，也有可能存在天線偏移量，它需要人為設(shè)置并對本船數(shù)據(jù)進行正確驗證，有可能還需要技術(shù)圖表來表示。

這個步驟必須在開航前完成，因為它可能涉及在管理員模式下操作ECDIS。

對該段文字的理解有兩個方面：

（1）天線不在艏艉中線上，那么它一定存在水平偏移量，大型船只可能達10多米，這個誤差已經(jīng)遠遠超過衛(wèi)星系統(tǒng)的誤差，必須糾正。

（2）即使天線在中線上，但接收機受到周邊其它電子設(shè)備的電磁場等因素干擾后，它也會出現(xiàn)一定的位置偏移，隨方位或者舷角的不同而有所改變，那么理解上它類似于磁羅經(jīng)的自差，測定時應(yīng)以精準船位為基點，測出不同方位（舷角）上的誤差值，然后繪制成圖表。

最后測定的偏移量小于一定的數(shù)量級時，可根據(jù)本輪噸位大小做取舍，如2萬噸級以上船只測定的偏移小于1米應(yīng)可忽略，但應(yīng)有相關(guān)記錄證明。

2、現(xiàn)有設(shè)備中大多數(shù)北斗接收機兼容GPS系統(tǒng)，但有部分GPS卻不兼容北斗，但新生產(chǎn)的產(chǎn)品應(yīng)是雙系統(tǒng)兼容的為主，駕駛?cè)藛T應(yīng)了解本船接收機在進入中國海域時是自動選擇還是人工選擇北斗系統(tǒng)，可在接收機上做選擇，如果是自動模式的，可從顯示屏上給出的信息做出判斷。

以JRC為例，JRC ECDIS GPS信號接入：

（1）JAN-901B/701B：直接由GPS1和GPS2輸出(不通過選擇開關(guān)和放大器)接入兩路信號，在MAIN-SETTING-SENSOR選擇使用。在這種情況下，衛(wèi)星船位可通過手動選擇，如選擇GPS還是北斗；

（2）JAN-9201/7201:

①接入三路GPS信號（其中一路為北斗衛(wèi)星）；

②CCU(ECDIS主機)接入通過選擇開關(guān)和放大器輸出的GPS信號；

③SLC(串口信號接收單元)接入直接由GPS1和GPS2輸出的(不通過選擇開關(guān)和放大器)兩路信號；

④GPS信號自動選擇，SLC優(yōu)先。

實操舉例

JRC的JLR-7700II模式選擇

1、自動模式

（1）當GPS接收機接收到4顆衛(wèi)星信號時將以自動3D模式定位（如收到4顆以上衛(wèi)星信號，接收機將選擇位置分布比較好的4顆衛(wèi)星，HDOP將相應(yīng)的變小，定位精度提高)，屏幕顯示AUTO。

（2）當GPS接收機只接收到3顆衛(wèi)星信號時將以自動2D模式定位（天線高度為3D模式下的最后一個天線高度），屏幕顯示AUTO。

2、天線模式（2D only mode）：在人工輸入比較準確的天線高度后，將以2D模式定位，屏幕顯示2D。

3、DGPS（差分模式）

當GPS接收機接收到差分信號時（radio-beacon），相應(yīng)的衛(wèi)星編號處顏色會加深，此時將以DGPS模式定位（自動使用AUTO模式），屏幕顯示D。

誤差分析和運用結(jié)論

前述已分析北斗3系的誤差是滿足港內(nèi)導航要求的，JRC的JLR-7700II的準確度描述如下：

13m 2DRMS （HDOP≦4 SA off）

(2倍均方誤差為13米，Selective Availability關(guān)閉，即采用10米高精度模式，HDOP≦4）。

5m 2DRMS（Beacon selected)

（2倍均方誤差為5米，采用基站糾差模式）。

7m 2DRMS（SBAS selected）

（2倍均方誤差為7米，采用基站寬泛糾差模式,SBAS解釋見文末）。

數(shù)據(jù)表明單點定位時，即使HDOP≦4，它的2倍均方誤差為13m,該精度用于港內(nèi)導航稍顯不足，如果HDOP值≦2，即誤差為2-5米時，可以使用。

差分情況下，其2倍誤差最大為7米，可以用于港內(nèi)導航。

需注意到，該種機型的誤差測定早于2011年，正如本文開頭所說，隨著GPS-3A系的發(fā)展，該誤差應(yīng)被更優(yōu)化了。

上述的分析是基于業(yè)界公認的雷達測距定位完全適用于航道導航而作的量化比較，雷達固定距標的測距誤差為所用量程的0.25%，以3nm為常規(guī)測量近距離物標時，其誤差為3×1852×0.25/100≈13.9米，那么結(jié)論就有了，雷達定位精度能被業(yè)界認可，顯然定位精度優(yōu)于雷達定位的衛(wèi)星系統(tǒng)也一樣能被業(yè)界所接受。當然實際使用時雷達在3NM的測距誤差通常應(yīng)<5米。

需要注意的關(guān)鍵點：

1、DGPS已接收差分信號時，DOP不能被人為改變；

2、2D only mode可人為輸入較準確的天線高度以降低VDOP值來提高定位精度；

3、AUTO模式下將自動選擇位置分布比較好的衛(wèi)星以降低HDOP來提高定位精度；

4、HDOP值僅僅是單點定位時的誤差評價指標，反映的是自然條件下衛(wèi)星系統(tǒng)定位出現(xiàn)的誤差因子，因此當有基站做差分糾正時，HDOP已經(jīng)沒有意義，所以不能選擇。

結(jié)論和建議

1、ECDIS提供的實時顯示船位信息和可以人工設(shè)置的定位間隔，與紙質(zhì)海圖上用定位方式獲取船位有很大區(qū)別，船長和駕駛員可隨時查看本船船位在航道中的位置，運用接收機提供的偏航或邊界（XTD/BOUNDARY）報警等功能，如果導航精度滿足要求，它為航道航行提供了極大的便利和安全性。

為了確保定位的可靠，駕駛員應(yīng)根據(jù)擇優(yōu)獲得可靠船位方法定期校核船位，以防止GPS/北斗衛(wèi)星信號或人為設(shè)置錯誤等，但使用了ECDIS的實時監(jiān)控功能時，顯然不應(yīng)再有多少分鐘定位一次的要求，但需確定此時的船位是可靠的。

2、目前仍然有信息稱衛(wèi)星系統(tǒng)在某些區(qū)域會受到外界干擾而出現(xiàn)非常大的誤差現(xiàn)象，這一點應(yīng)引起航海者的充分警惕，特別是當船只經(jīng)過大功率雷達站或電離層異常（如雷暴）時，有時候可能出現(xiàn)GPS信號丟失現(xiàn)象，應(yīng)確保船位的可靠。

3、該文章目前僅僅是對能否利用ECDIS的衛(wèi)星船位在航道內(nèi)導航做技術(shù)分析，不能認為這樣的分析就是可操作的依據(jù)，各位讀者可在總結(jié)分析的基礎(chǔ)上逐步完善并制定出操作規(guī)程，有了可驗證的方法后，可運用于實際操作。

● 小貼士

1、信噪比和載噪比

衛(wèi)星信號在傳輸過程中，噪聲和干擾是影響通信質(zhì)量的主要因素。來自內(nèi)部產(chǎn)生的連續(xù)隨機雜波對有用信號的影響，我們稱為噪聲。外界信號侵入和有源器件產(chǎn)生的諧波及雜波的影響我們稱為干擾。

信噪比(SNR或者S/N)：表示衛(wèi)星信號的平均功率與噪聲功率的相對強度。

載噪比(C/N)：表示載波與噪聲的相對強度。

它們的單位都是分貝(dB）,二者區(qū)別在于，載噪比中的已調(diào)制信號功率包括了傳輸信號的功率和調(diào)制載波的功率，而信噪比中僅包括傳輸信號的功率，衛(wèi)星定位系統(tǒng)中該二者數(shù)值非常接近，有效數(shù)值范圍為01～99dB。

在IMO的MSC通函中，衡量該指標的單位并不是分貝，而是dBm(分貝毫瓦)，二者換算關(guān)系較復雜，日常使用時接收機上顯示的數(shù)值在30-40左右是理想，20-50也正常，因和本文關(guān)聯(lián)不大，在此省略。

2、SBAS

Abbreviation of Satellite Based Augmentation System. It is a blanket term for wide scale GPS support systems using fixed position satellites which send GPS error correction data over a wide range.

中國船級社召開華中地區(qū)委員會2020年年會

2020年10月20日，中國船級社（CCS）華中地區(qū)委員會2020年年會在武漢順利召開，來自華中地區(qū)的政府主管部門，以及造船、航運、船舶配套制造單位的60多名委員代表出席了會議。CCS副總裁范強參加了會議。會議圍繞“貫徹落實交通強國戰(zhàn)略，助力長江經(jīng)濟帶高質(zhì)量發(fā)展”主題進行了深入探討。與會代表們就綠色環(huán)保、智能船舶、新能源應(yīng)用等方面議題結(jié)合各自單位實際情況作了經(jīng)驗交流，并對CCS未來的發(fā)展提出了寶貴的意見和建議。范強副總裁介紹了CCS在疫情防控期間發(fā)揮的作用和2020年工作中取得的成績，以及圍繞交通強國建設(shè)、長江航運高質(zhì)量發(fā)展和全面推進國際一流中國船級社建設(shè)目標任務(wù)的工作成果。他表示，在未來的發(fā)展中，CCS將秉承過往，全力服務(wù)長江地區(qū)航運、造船和產(chǎn)品配套等相關(guān)行業(yè)，與業(yè)界同仁在多平臺全方位通力合作，發(fā)揮CCS在技術(shù)、管理、區(qū)位、資源等方面的整合優(yōu)勢，共同謀劃提升長江航運、造船和相關(guān)制造業(yè)的整體實力，合力譜寫交通強國建設(shè)和長江經(jīng)濟帶高質(zhì)量發(fā)展新篇章。