基于差分信號的船舶導航系統航向標校方法及應用

【摘要】導航系統精度直接關系到船舶航行安全，因此，在船舶導航系統安裝及使用過程中，需要保證船舶導航系統航向的準確性，這就要求技術人員掌握科學的導航系統航向標校方法。本文以船舶導航系統航向標校為研究內容，提出一種基于差分信號的航向標校方法，并結合導航系統安裝、誤差矯正等對該方法的具體應用情況進行討論，以期能夠為廣大技術人員提供參考。

【關鍵詞】差分信號|船舶|導航系統|航向|標校

船舶遠洋航行過程中需要導航系統提供精準的位置、航向、航速等信息，從而在保證航線準確的同時，避免與其他船只發生碰撞，為保證船舶航行安全，大多數船舶導航系統均采用了冗余設計，在GPS等失效的情況下，導航雷達、慣性導航系統等依然可以提供導航服務?；趥鹘y航向標校方法的局限性，導航系統初始安裝精度相對偏低，且后期使用過程中的航向漂移累積也會導致較大的誤差，在此情況下，創新基于差分信號的船舶導航系統航向標校方法就顯得尤為重要。

一、船舶導航系統概述

根據導航原理，船舶導航系統可分為無線電導航系統、慣性導航系統兩種，無線電導航系統是利用電磁波的空間反射原理進行定位、測速，在全球定位系統（Global Positioning System，GPS）出現之前，無線電導航系統所提供的導航信息為相對距離、方位和速度，隨著GPS、慣性導航系統的普及，船舶導航系統所提供的信息精度顯著提升[1]。慣性導航系統的出現得益于自動控制技術、電子信息技術的發展，如石英撓性加速度計、電子陀螺儀、高速信號處理單元等，在與無線電導航系統融合的情況下，可進一步豐富其功能，為船舶遠洋航行安全提供保障。

二、船舶導航系統航向誤差分析

船舶導航系統航向誤差將導致船舶偏離正常航線，尤其是在水下環境較為復雜的海域，航向偏離導致的觸礁、撞船等風險也因此增大?；诖皩Ш较到y的設計思路與安裝方案，其航向誤差主要為安裝誤差、系統誤差和航向效應誤差，安裝誤差也被稱為基準誤差，即安裝過程中艏艉線與導航設備基準線未完全重合的情況下產生的誤差，其大小、正負與實際安裝情況有關，應最大限度避免；系統誤差則與導航系統所使用電子元器件、裝配質量、溫度變化、算法等因素有關，隨著工作時間的增加，系統誤差將持續增大，并具有一定的周期性（舒勒周期影響），當系統誤差積累到一定程度后，船舶導航系統將無法正常工作；航向效應誤差的產生是由于平臺運動過程中導致的一種航向漂移問題，是衡量船舶導航系統穩定性的重要指標之一，尤其是在平臺高速機動的情況下，航向效應誤差的積累速度將明顯加快，且收斂難度較大。

三、基于差分信號的船舶導航系統航向標校方法及應用

GPS信號的單點定位精度較高，卻僅能提供航跡向信息，從船舶航行安全的角度考慮，航跡向雖能夠表示船舶在某一時間段的航向變化情況，無法應用于船舶導航系統航向標校。在此背景下，則可以根據航跡向的測算方法，利用雙GPS進行差分計算，從而獲得船舶艏艉線的航向信息，并以此為基準，調整導航系統的機械零位，并對真北方位進行校準，從而減小船舶導航系統的安裝誤差，并完成航向糾偏。

（一）基于差分信號的靜態航向標校

一般情況下，船舶導航系統航向標校多在船塢完成，若系泊狀態下靜水速較低的情況下也可以進行航向標校，此類標校方法稱為靜態航向標校。由于采用雙GPS天線可以同步獲取相同時間戳的經緯度信息，即便是船舶動姿態存在些許變化的情況下，雙GPS天線的相對位置不會發生變化，由于船舶艏艉線距離較長，為提高測量精度，除保證GPS天線安裝點與艏艉線所在船體表面垂直外，還需要盡可能增大兩點之間距離，由于兩點相對距離較近，因此，這里可以將球面模型簡化至二維平面進行分析，船舶艏艉線的方位與差分GPS計算結果相符。

為保證靜態航向標校的準確性，在錄取GPS數據前，相關人員應對GPS天線時間戳進行同步矯正，以及確定主天線與從天線，否則，靜態航向計算結果將與實際情況之間存在180°誤差。同時，整個數據錄取過程應不少于10min，研究人員將錄取的數據格式按照A（lat1，lon1）和B（lat2，lon2）進行標注，

在得到差分航向的情況下，技術人員需要對電氣零位進行確認，并確定導航系統的航向偏離角。若電氣零位存在明顯偏離，則需要及時對其進行校準，尤其是在對磁羅經進行校準的過程中，為避免空間電磁干擾，則需要對船電進行管控。

（二）基于差分信號的動態航向標校

船舶航行過程出現航向異常偏離的情況較為普遍，盡管大多數船舶擁有備用導航系統，但是從航行安全的角度出發，技術人員需要在短時間內通過航向標校對導航系統航向進行糾偏[2]。相比較靜態航向標校，動態航向標校的難度更高，由于動態航行過程中船體縱橫搖幅度較大，因此，傳統意義上的差分信號處理難度明顯增大，且動態航向標校過程中的數據導入也存在較大困難。針對這一情況，基于差分信號的動態航向標校是利用雙GPS的航跡向對真實航向進行計算，在此過程中，船舶需要選擇流壓相對穩定的海域保持勻速直線航行，以最大限度降低航向動態變化或姿態劇烈搖擺帶來的影響。

航跡向所描述的船舶航向多為前后兩個定位點得出，因此，基于航跡向的動態航向標校并非絕對意義上的差分法，而是利用航跡向推算真實航向。然而，在海上航行過程中，不可避免地存在多個方向上的擾動，以至于航向數據并不穩定，這對基于查分信號的動態航向標校造成了一定的影響。在此情況下，導航系統動態航向標校的重點將在于如何區分干擾數據，并能夠在計算過程中將干擾數據剔除，以保證最終計算結果的準確性。

基于差分信號的動態航向標校并不能保證一次測量的準確性，尤其是在流壓不穩定的情況下，船舶很難保持穩定的航向，從而發生定向偏離，這將在一定程度上影響動態航向標校結果。因此，在實際標校過程中，技術人員應設計往復航線進行標校，且保證航行過程航速一致，以抵消航速所產生的流壓對標校結果的影響。為進一步提升動態航向標校精度，技術人員在對導航系統航向糾偏后，還需要進行二次動態航向標校，若根據判定空間的計算結果，當k=1時，超過99.7%的樣本均落于該區間范圍內時，則視作航向標校達到要求。

四、結語

基于差分信號的船舶導航系統航向標校是解決導航系統航向偏離的重要方法之一，隨著船舶導航系統自動化水平的提升，其能夠通過單點校的方式修正系統誤差，但其修偏效果并不理想。隨著基于查分信號的船舶導航系統航向標校方法的持續完善，以及相關算法的進一步優化，船舶導航系統可實現度航向的實時糾偏，甚至可以實現跨平臺的多點修偏等，為船舶航行安全提供全方位保障。中國軍轉民

參考文獻

[1]侯岳麟，何侃，黃乾.船舶組合導航系統組成及關鍵技術研究[J].電子技術與軟件工程，2023（04）：112-115.

[2]郭乃琨，馬壯壯，岳明橋.船舶軌跡挖掘與可視化技術分析研究[J].電子元器件與信息技術，2020，4（03）：137-138.

（作者簡介：衛一冉，四八〇五工廠軍械修理廠中級工程師，本科，研究方向為特裝電子）