基于差分信號的船舶導航系統(tǒng)航向標校方法及應用

【摘要】導航系統(tǒng)精度直接關系到船舶航行安全，因此，在船舶導航系統(tǒng)安裝及使用過程中，需要保證船舶導航系統(tǒng)航向的準確性，這就要求技術人員掌握科學的導航系統(tǒng)航向標校方法。本文以船舶導航系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)|航向|標校

船舶遠洋航行過程中需要導航系統(tǒng)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(fā)生碰撞，為保證船舶航行安全，大多數(shù)船舶導航系統(tǒng)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(tǒng)等依然可以提供導航服務。基于傳統(tǒng)航向標校方法的局限性，導航系統(tǒng)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(chuàng)新基于差分信號的船舶導航系統(tǒng)航向標校方法就顯得尤為重要。

一、船舶導航系統(tǒng)概述

根據(jù)導航原理，船舶導航系統(tǒng)可分為無線電導航系統(tǒng)、慣性導航系統(tǒng)兩種，無線電導航系統(tǒng)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(tǒng)（Global Positioning System，GPS）出現(xiàn)之前，無線電導航系統(tǒng)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(tǒng)的普及，船舶導航系統(tǒng)所提供的信息精度顯著提升[1]。慣性導航系統(tǒng)的出現(xiàn)得益于自動控制技術、電子信息技術的發(fā)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(tǒng)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(tǒng)航向誤差分析

船舶導航系統(tǒng)航向誤差將導致船舶偏離正常航線，尤其是在水下環(huán)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。基于船舶導航系統(tǒng)的設計思路與安裝方案，其航向誤差主要為安裝誤差、系統(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)誤差則與導航系統(tǒng)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(tǒng)誤差將持續(xù)增大，并具有一定的周期性（舒勒周期影響），當系統(tǒng)誤差積累到一定程度后，船舶導航系統(tǒng)將無法正常工作；航向效應誤差的產(chǎn)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(tǒng)穩(wěn)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(tǒng)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(tǒng)航向標校。在此背景下，則可以根據(jù)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(tǒng)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(tǒng)的安裝誤差，并完成航向糾偏。

（一）基于差分信號的靜態(tài)航向標校

一般情況下，船舶導航系統(tǒng)航向標校多在船塢完成，若系泊狀態(tài)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(tài)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(jīng)緯度信息，即便是船舶動姿態(tài)存在些許變化的情況下，雙GPS天線的相對位置不會發(fā)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(tài)航向標校的準確性，在錄取GPS數(shù)據(jù)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(tài)航向計算結果將與實際情況之間存在180°誤差。同時，整個數(shù)據(jù)錄取過程應不少于10min，研究人員將錄取的數(shù)據(jù)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(tǒng)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(jīng)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(tài)航向標校

船舶航行過程出現(xiàn)航向異常偏離的情況較為普遍，盡管大多數(shù)船舶擁有備用導航系統(tǒng)，但是從航行安全的角度出發(fā)，技術人員需要在短時間內通過航向標校對導航系統(tǒng)航向進行糾偏[2]。相比較靜態(tài)航向標校，動態(tài)航向標校的難度更高，由于動態(tài)航行過程中船體縱橫搖幅度較大，因此，傳統(tǒng)意義上的差分信號處理難度明顯增大，且動態(tài)航向標校過程中的數(shù)據(jù)導入也存在較大困難。針對這一情況，基于差分信號的動態(tài)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(wěn)定的海域保持勻速直線航行，以最大限度降低航向動態(tài)變化或姿態(tài)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(tài)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(shù)據(jù)并不穩(wěn)定，這對基于查分信號的動態(tài)航向標校造成了一定的影響。在此情況下，導航系統(tǒng)動態(tài)航向標校的重點將在于如何區(qū)分干擾數(shù)據(jù)，并能夠在計算過程中將干擾數(shù)據(jù)剔除，以保證最終計算結果的準確性。

基于差分信號的動態(tài)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(wěn)定的情況下，船舶很難保持穩(wěn)定的航向，從而發(fā)生定向偏離，這將在一定程度上影響動態(tài)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(chǎn)生的流壓對標校結果的影響。為進一步提升動態(tài)航向標校精度，技術人員在對導航系統(tǒng)航向糾偏后，還需要進行二次動態(tài)航向標校，若根據(jù)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(qū)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(tǒng)航向標校是解決導航系統(tǒng)航向偏離的重要方法之一，隨著船舶導航系統(tǒng)自動化水平的提升，其能夠通過單點校的方式修正系統(tǒng)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(tǒng)航向標校方法的持續(xù)完善，以及相關算法的進一步優(yōu)化，船舶導航系統(tǒng)可實現(xiàn)度航向的實時糾偏，甚至可以實現(xiàn)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(tǒng)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(wèi)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）