北斗導航與GPS定位技術在航海定位中的對比分析

陳倫杰

摘 要 本文從北斗導航與GPS定位技術概述入手，分析了二者的原理，通過對比實驗來對比了北斗導航系統船舶定位和GPS導航船舶定位的精度，對比分析可知，作為我國自主研發的導航和定位技術，北斗導航航海定位有著一定的優勢，其對于促進航海技術的發展有著積極的意義。

關鍵詞 北斗導航；GPS導航；航海定位；對比

中圖分類號 P228.4 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0100-02

導航技術應用價值在于定位位置、指導人們行進線路，GPS定位技術是美國研發的在全世界第一個投入應用的衛星導航系統，其各項技術相對成熟，系統性能穩定。我國自主研發的北斗導航系統是一種能夠全天候提供衛星導航信息的導航系統，它的出現打破了GPS定位技術的市場壟斷，對于促進我國導航事業的發展有著重要的作用。基于以上，本文對北斗導航與GPS定位技術在航海定位中的應用進行了對比分析，旨在進一步促進我國航海技術的發展。

1 北斗導航與GPS定位技術概述

北斗導航和GPS定位技術都屬于衛星定位技術的范疇，由地球監控設備、用戶終端以及衛星網絡組成，地球監控設備的主要功能是將采集到的指令傳輸給衛星系統，同時能夠對衛星狀態進行監測，并對采集到的數據進行分組處理，衛星網絡系統的主要功能是傳輸并轉發信號，用戶終端的主要功能是接收衛星系統發來的信號，并對定位報文進行解析，從而計算并確定自身地理位置。下面來簡要分析北斗導航系統與GPS導航系統的原理。

1.1 北斗導航系統原理

北斗導航位置定位有著主動性、精準性和有源性的特點，能夠全雙工傳輸數據，但其到達區域有限，這就使得其服務范圍有著一定的局限性。北斗導航系統架構由3部分組成：1）空間部分：空間部分主要由兩顆工作衛星和一顆備用衛星組成，衛星與地球同步運動，軌道高度為36 000km，兩顆工作衛星的坐標分別為（80°E，0°）和（140°E，0°），備用衛星的坐標為（110.5°E，0°），空間部分衛星不具備導航電文發射功能，且沒有原子鐘，其主要功能是進行地面中心站和用戶站的雙向信號中繼傳輸，覆蓋面積為地球面積的42%[ 1 ]；2）地面中心控制系統：主要由地面中心站、測軌站及數十個地面參考標校站等組成，其中地面中心站配置了電子高程圖，主要功能包括衛星定位、測軌以及調控衛星等，對導航定位參量數據進行搜集和校正，能夠實現用戶位置的精確測定；3）用戶終端：用戶終端指的是收發器，其帶有定向天線，能夠接收衛星傳來的信號，并發射相關通信請求。

北斗導航系統定位工作過程如下：1）地面控制中心將詢問信號發送給空間部分的兩顆工作衛星；2）空間部分工作衛星接收到詢問信號之后，利用衛星轉發器將詢問信號轉發給服務區用戶；3）服務區用戶對其中一顆工作衛星的詢問信號進行響應，同時將回應信號發送給另一顆工作衛星[ 2 ]；4）工作衛星接收到響應信號之后，利用衛星轉發器將響應信號轉發給地面控制中心；5）地面控制中心對接收到的用戶響應信號進行解讀，明確用戶申請服務內容，以數值地圖計算為基礎，對用戶所在地的三維坐標進行計算，之后將相關信息發送給空間部分工作衛星；6）空間部分工作衛星接收到坐標資料或通信內容等信息之后，利用衛星轉發器轉發給用戶，從而實現定位。可以看出，在整個北斗導航系統定位工作過程中，空間部分工作衛星相當于地面控制中心和用戶之間通信的中轉站。

1.2 GPS導航系統原理

GPS導航系統主要由1個MCS主要控制臺、4個地表天線站以及6個監控系統等3部分組成，用戶設備是GPS導航系統數據的最終目的地，通過接收機來接受GPS衛星發送的信息，以GPS衛星固定角度獲取測量衛星，并跟蹤捕獲衛星數據，獲取導航報文，最后計算出用戶設備的定位數據，例如經緯度數據、速率數據等。

當前GPS定位技術方法種類繁多，但原理基本一致，都是以GPS衛星為測量中心點，至少需要4顆衛星，確定為衛星坐標，進行空間距離的后方交會，通過數學建模方法來進行定位[3]。根據GPS衛星的運動狀態可以將GPS定位算法分為動態定位算法和靜態定位算法兩種，根據參考物選取可以分為相對定位算法和單點定位算法兩種，一般采用偽距法進行定位計算，此外，載波相位測量以及多普勒定位等方法也可以在GPS定位中應用。

2 北斗導航與GPS定位技術在航海定位中的實驗對比

對北斗導航和GPS導航在航海定位中的應用進行對比實驗，以AIS船載自動識別系統為基礎，獲取船舶航行過程中的相關信息或信號，例如海岸基站信息、周圍船舶信息等，并將這些信息轉發給岸上終端系統[4]。在此過程中，AIS船載自動識別系統會將搜集到的信息傳輸到北斗導航衛星或GPS導航衛星上，經過衛星的轉發到達控制中心。控制中心利用AIS解碼、多基站信息融合等技術來處理船舶航行信息，并將其存儲到數據庫中，監控系統會讀取數據庫中的船舶信息并將其顯示在電子屏幕上，這就能夠實現對船舶的定位，并實現對船舶航行的實時、動態監控。

北斗導航系統船舶定位和GPS導航系統船舶定位的精準度對比如表1所示，每隔2s獲取以此船舶航行相關數據信息，每隔482m長度設置一條極限，需要注意的是，北斗導航系統船舶定位測試的數據類型與GPS導航系統船舶定位測試的數據類型有著一定的差別，前者測試數據類型為檢測相位大小以及B1速率和B2速率偽距，后者測試的數據類型為L1、L2以及C1、P2，截至高度角控制在15°。

由表1可知，北斗導航系統船舶定位的相位精度在4.1mm～5.1mm之間，而觀察準確度在0.32m～0.43m之間，這兩個精度指標與GPS導航系統船舶定位基本相等。

測試衛星高度角對船舶定位精準度的影響，采集不間斷的十組歷元分組數據，計算北斗導航系統船舶定位和GPS導航系統船舶定位的準確度結果進行計算，去除不精確結果，得出高度角匹配精度預估值，之后進行平均值的計算。

測試結果表明，對于北斗導航系統船舶定位來說，隨著衛星高度角的增加，船舶定位精準度也隨之增加，隨著衛星高度角的降低，船舶定位精準度也降低，而在GPS導航系統船舶定位中，這種關系依然存在，相較于北斗導航系統來說，GPS導航系統的這種相關度更加穩定，歷元有著較好的信號接受能力，能夠接收衛星的數量也更多。北斗導航系統船舶定位中的歷元MEO衛星數量波動較大，GEO衛星相對穩定，但從準確性方面來看，北斗導航系統船舶定位要更優良一些。

綜上所述，在衛星高度角較小的基礎上，相較于GPS導航系統船舶定位來說，北斗導航系統船舶定位的精確性更優良。

3 結論

綜上所述，北斗導航系統能夠實現全球范圍內的導航和定位，其在航海領域中的應用至關重要，通過對比分析可知，北斗導航系統航海定位精度和準確度更加優良，能夠實現定位導航、精密授時以及報文通信等眾多功能。北斗導航系統在航海定位中的應用能夠有效促進我國航海技術的進一步發展。

參考文獻

[1]王閱兵，游新兆，金紅林，等.北斗導航系統與GPS精密單點定位精度的對比分析[J].大地測量與地球動力學，2014（4）：110-116.

[2]楊琰.北斗衛星導航系統與GPS全球定位系統簡要對比分析[J].無線互聯科技，2013（4）：114，131.

[3]武英潔.船用北斗/GPS聯合導航終端的研究[D].大連：大連海事大學，2010.

[4]郭晉.北斗與GPS導航定位系統對比分析研究[J].科技資訊，2011（28）：60.