淺談北斗導航技術在船舶定位中的應用

◎ 吳佐政 廣州航標處

2020年，北斗三號全球衛星導航系統正式建成啟用，這標志著我國也有了自主知識產權的導航系統。在北斗導航系統建成以前，我國的船舶定位主要依靠GPS導航系統，現在北斗系統的全球覆蓋，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航定位途徑?；舱沁@個原因，我們今天提出了基于北斗導航技術在船舶定位方面的應用。

1.北斗導航技術的簡介

1.1 北斗導航技術組成

北斗導航技術屬于衛星定位的技術范疇，其主要是空間設備、地面設備和使用終端三部分構成，空間設備就是空間運行的衛星，我國的北斗導航衛星由靜止軌道衛星、同步軌道衛星和中圓軌道衛星三種類型。地面設備主要是在地球表面的主控設備、時間同步/注入站和監測設備等若干地面站設備，以及星間鏈路運行管理設設備。使用終端就是在用戶端的 北斗兼容其他衛星導航系統的芯片、模塊、天線等基礎產品，以及終端產品、應用系統與應用服務軟件等。

1.2 北斗導航系統中船舶定位的原理

北斗導航技術中定位主要依靠三球交會測量定理，當在大洋中航行的船舶D 的位置，主要是根據在地球中的中圓軌道衛星三顆衛星 A、B 以及 C 算出船舶D 的位置，在軌道運行的三顆衛星的空間位置已知，在通過三顆衛星與船舶D之間的空間距離，然后分別以三顆衛星的當前的位置為中點構建一個的以三顆衛星與船舶D之間的直線距離為 R 形成虛擬球體，然后將這3個虛擬球體在地球上交匯的那一點就是待測點船舶 D此時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，有兩顆衛星就可以實現定位，在大洋中航行的船舶D的北斗導航用戶終端發出北斗定位申請，并將這一信號發射給靜止軌道運行的北斗衛星，并經由這個衛星中轉發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發出確認位置的確認信號，然后根據該確認信號在空中往返傳輸的時間，計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星之間的距離，從而計算出大洋中的船舶D所在位置，這種定位方式需要兩顆靜止軌道北斗衛星作球面做為參照物，同時還要根據地球本身即是一個球體的原理，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星，發送給大洋中的船舶D。

2.北斗導航技術在船舶定位的應用

北斗導航技術在船舶定位的應用系統主要有兩部分組成，分別是船載裝置和北斗電子海圖信息控制系統。

2.1 北斗船舶定位系統船載裝置

2.1.1 船載裝置的作用

船載裝置的作用主要是接收和發出指令，當船舶有定位需求時，向岸基地面控制中心發出請求定位申請信號，并通過船載北斗定位系統中的定位模塊獲取船舶的位置數據。如果岸基地面控制中心要獲取船舶位置時，船載裝置接收由北斗導航衛星中裝的地面控制中心的定位申請信號，并利用北斗導航系統中的特有的短報文通信功能將船舶動態數據打包封裝，再通過短報文數據返回斗導航衛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計方式，其內部組成主要有五個部分，分別是系統中央數據運行模塊、北斗定位模塊、北斗天線模塊、位置信息數據采集以及電源模塊。

北斗天線模塊又含有三個子模塊分別是天線、射頻模塊、基帶模塊完成北斗信號的捕獲、跟蹤、解調、譯碼、偽距與偽距率參數測量過程。其工作原理是天線接收北斗衛星信號，并將接收的原始數據傳輸給射頻模塊，通過射頻模塊將原始信號數據進行低噪放處理，并進一步變頻處理，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，再持續輸出北斗衛星信號即跟蹤過程，在此基礎上將信號解調成基帶信號即解調過程，接著完成譯碼過程，并將北斗衛星傳輸過程中誤差進行偽距與偽距率參數測量。最終將處理后的信號交由中央處理模塊進行處理。

中央數據運行模塊。中央數據運行模塊一方面協調其他幾個模塊之間的工作，同時也要將其他模塊獲取的定位原始數據，進行運算分析，把不同數據通信格式轉換為體統默認的格式、并將轉換后的數據存儲在相應的存儲器內，并進一步將處理后的數據顯示在系統圖像輸出裝置上，并監測衛星通信、傳感器工作狀態，確認供電狀態的有效值，同時將天線傳輸的幀數據中提取信號發送時間、本地接收時間、導航電文等定位解算需要用到的數據，并把它們存入全局變量，供解算模塊使用，經過數據類型判別，并按照系統默認協議格式進行封裝，后傳送給系統中北斗定位模塊。并將系統中北斗定位模塊計算處理后的數據回傳給天線模塊發出相應的動作指令。

北斗定位模塊。該模塊是將船舶實時航行速度、航行方向等原始數據參數，經由系統數據接口傳輸給中央數據運行單元，并接收中央數據運行單元的申請指令，將位置信息和一些航行數據通過系統的接口，按照特定的通信協議轉換后發送給中央數據運行模塊，船舶位置信息包含船舶實時的自測經緯度以及請求定位時間等。

數據采集模塊。數據采集模塊的工作內容是收集提取船舶上傳感器發出的實時數據，并將這些原始數據都將通過系統接口傳輸給中央數據運行單元，將船舶的機艙內傳感器采集船舶各部件運行數據進行采集然后發送給中央數據運行單元。

2.2 北斗電子海圖信息控制系統

北斗電子海圖信息控制系統也就是北斗導航技術在船舶定位應用的軟件系統，其中包括控制軟件和電子海圖信息庫兩部分。

2.2.1 系統控制軟件

在北斗導航船舶定位系統中，船舶操控人員要實時的獲得自己的位置、速度、時間等信息，在船舶定位系統中嵌入操作系統，操作系統控制船載裝置的天線連續實時接收北斗導航衛星信息，在裝置的顯示器上顯示在船舶上方北斗導航衛星的數目，在地球軌道的位置及該衛星目前所處的方位角，并在系統的衛星圖像上顯示和實時運行變化情況，并不斷計算出船舶定位系統天線和船舶數據采集模塊采集的數據如航海速度、方向等信息進行匯集并進行綜合計算，然后根據北斗電子海圖信息庫圖形進行疊加，將船舶當前的位置及航速、方向等顯示在電子海圖上，為船舶的控制人提供數據參考。

在北斗導航船舶定位系統中，電子海圖界面是十分重要的，因為在定位系統中海圖界面可以直接顯示船舶當前所處的位置，這種圖形界面可以直觀的對系統進行操作。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，也可以利用現有的電子海圖，通過數據的中北斗衛星的位置信息進行轉換，具備電子海圖的系統控制界面，可以極大的幫助船舶的操控者隨時監控航海的線路，同時可以針對船舶在近岸航行還是在遠岸航行時該海域的暗礁和淺灘等障礙物進行標注，以避免事故的發生。

3.結語

北斗導航系統的全球范圍開通，將對我國的遠洋航運產生深遠的影響，一方面可以打破國外導航技術的壟斷，另一方面也可以極大的提高船舶航行的安全性，進一步促進我國遠洋航海事業的發展，促進國家對外經貿的拓展。