淺析北斗系統(tǒng)在船舶定位中的應(yīng)用

姜鑫源　 張譯丹

摘 要：船舶定位在軍事和民用方面有著重要價(jià)值和意義，當(dāng)前以GPS為主導(dǎo)的船舶定位手段被廣泛應(yīng)用于船舶航行領(lǐng)域，推動船舶定位進(jìn)入高精度的衛(wèi)星定位導(dǎo)航時(shí)代。近年，我國北斗系統(tǒng)正式運(yùn)行，各定位手段和方法滿足各精度需求的船舶定位領(lǐng)域。本文就北斗系統(tǒng)在船舶定位中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究。

關(guān)鍵詞：北斗;船舶定位;GPS

1、船舶定位的意義

船舶定位是指確定船舶在地球表面的位置。實(shí)現(xiàn)船舶定位具有很重要的軍事和商業(yè)價(jià)值。一方面民間船公司、租家等船舶經(jīng)營人可以遠(yuǎn)程監(jiān)控船舶的實(shí)時(shí)動態(tài)，尤其對于軍方，艦船的位置是具有戰(zhàn)略價(jià)值的。另一方面對于港口管理機(jī)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)港區(qū)內(nèi)船舶的全部監(jiān)控，便于更好的安排作業(yè)計(jì)劃和保障港區(qū)安全。

2、船舶定位的方法和手段

從技術(shù)手段看，目前的船舶定位技術(shù)有如下三種，陸標(biāo)定位、天文定位和無線電定位。陸標(biāo)定位和天文定位的優(yōu)勢在于方法簡單，使用成本低，目前已經(jīng)成為特殊情況下的補(bǔ)充手段。無線電定位無線電定位方法經(jīng)過了無線電測向儀、雷達(dá)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS全球定位系統(tǒng)的發(fā)展為歷程，進(jìn)入高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位時(shí)代。[1]尤其是GPS全球定位系統(tǒng)憑借定位精度高，可全天候?qū)崟r(shí)導(dǎo)航定位作業(yè)，操作簡便等優(yōu)點(diǎn)使其自投入使用以來在定位導(dǎo)航領(lǐng)域的發(fā)展舉世關(guān)注。目前GPS全球定位系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于船舶定位。

3、北斗系統(tǒng)

北斗系統(tǒng)于2000年以2顆衛(wèi)星小幅起步，建成了具有位置報(bào)告、短電文通信等顯著特色的北斗試驗(yàn)系統(tǒng)。使我國成為世界上第三個(gè)擁有自我衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。隨后于2012年12月，利用14顆衛(wèi)星完成了北斗區(qū)域系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了對亞太地區(qū)的連續(xù)覆蓋，收到ICG認(rèn)可成為世界四大衛(wèi)星導(dǎo)航核心供應(yīng)商之一[2]。計(jì)劃在2020年前后，建成北斗全球系統(tǒng)，向全球提供服務(wù)。

北斗系統(tǒng)相比其他導(dǎo)航定位系統(tǒng)起步較晚，但具有RDSS雙向通信功能，這是其他3大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所不具備的，也是其核心優(yōu)勢[3]。北斗也是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)與其他三大全球系統(tǒng)兼容與互操作的系統(tǒng) [4]。北斗系統(tǒng)打破GPS近乎壟斷市場的格局，對于國家安全、促進(jìn)國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展等具有戰(zhàn)略意義。

4、北斗系統(tǒng)定位原理

利用衛(wèi)星與地面點(diǎn)間的距離交會出地面點(diǎn)位置，通過精確測定衛(wèi)星與船載接收機(jī)之間的距離計(jì)算出船載接收機(jī)在指定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。距離測量分為偽距測量和載波相位測量。

（1）偽距測量定位

通過測定衛(wèi)星發(fā)射測距信號到船載接收機(jī)收到信號的時(shí)間間隔，繼而計(jì)算出衛(wèi)星到船舶之間的偽距ρ'：

ρ'=c·△t? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4-1）

式中c為光速;△t為信號傳播的時(shí)間間隔。實(shí)際上，由于信號在傳播過程中會受到來自和衛(wèi)星相關(guān)的誤差、和傳播途徑有關(guān)的誤差以及和接收機(jī)有關(guān)的誤差這三方面的綜合誤差影響，直接計(jì)算得到的偽距ρ'并非為衛(wèi)星到船舶之間的真實(shí)距離ρ。偽距測量定位優(yōu)點(diǎn)是速度較快，對信號的強(qiáng)度要求不高，是目前應(yīng)用最廣的一中定位原理;缺點(diǎn)是定位精度較低。

（2）載波相位測量定位

載波相位測量是測量北斗載波信號從衛(wèi)星到船載接收機(jī)的相位變化值從而確定距離。設(shè)衛(wèi)星上載波發(fā)出時(shí)刻相位為φ_0，經(jīng)過距離l后到達(dá)船載接收機(jī)時(shí)相位為φ1 ，那么載波所經(jīng)歷過的載波相位變化為（φ1-φ0 ） ，其中，包括整周數(shù)和不足一周的小數(shù)部分。其測距公式為：

l=λ（n0-△φ）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4-2）

式中：l為衛(wèi)星到船舶接收機(jī)的距離;λ為已知載波的波長;n0 為載波相位（φ1-φ0 ）? 中的整周期數(shù)部分，;△φ為載波相位（φ1-φ0 ）中不足一周的小數(shù)部分; n0不能直接測量得到，即為載波測量中的整周模糊度，Δφ可以精 確測量。載波相位測量同樣受到上述三方面誤差的影響，其優(yōu)點(diǎn)是定位精度高于偽距測量定位，可實(shí)現(xiàn)毫米級定位;缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理過程復(fù)雜。

5、利用北斗實(shí)現(xiàn)船舶定位的方法

北斗定位的方法有很多種，根據(jù)船舶使用場景可分為單點(diǎn)定位和差分定位。

單點(diǎn)定位

單點(diǎn)定位是利用單臺船載北斗接收機(jī)測量與衛(wèi)星之間的距離，根據(jù)已知衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)，來確定船舶的位置。設(shè)船舶在指定坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為（XA，YA，ZA），被觀測的某顆北斗衛(wèi)星的坐標(biāo)為（XS，YS，ZS），忽略各項(xiàng)誤差，衛(wèi)星和接收機(jī)之間的距離ρ為：

ρ=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5-1）

式5-1可知，通過單點(diǎn)定位方法得到接收機(jī)位置的三個(gè)未知數(shù)，船載接收機(jī)至少需要同時(shí)觀測3顆衛(wèi)星。實(shí)際情況中考慮到各種誤差源帶入式5-1，使得未知數(shù)多余3個(gè)，需要同時(shí)觀測的衛(wèi)星數(shù)在3顆以上，多余觀測用來計(jì)算其余未知數(shù)和參與平差。

單點(diǎn)定位無需依靠岸基基準(zhǔn)站，在遠(yuǎn)離陸地的船舶定位或?qū)Χㄎ痪纫蟛桓叩那樾沃斜粡V泛應(yīng)用。隨著精密單點(diǎn)定位技術(shù)（precise point positioning，PPP）的發(fā)展，基于載波相位測量定位原理，利用IGS提供的精密星歷和衛(wèi)星鐘差顆實(shí)現(xiàn)分米級甚至毫米級的高精度定位，在海洋測繪中發(fā)揮極大優(yōu)勢。

差分定位

差分技術(shù)利用一臺基準(zhǔn)站和一臺船載接收機(jī)同時(shí)觀測衛(wèi)星信號，利用誤差的空間相關(guān)性進(jìn)行差分計(jì)算，基準(zhǔn)站將改正信息實(shí)時(shí)播發(fā)給船載接收機(jī)來提高定位精度，彌補(bǔ)單點(diǎn)定位的缺點(diǎn)。

海事部門使用的AIS屬于差分定位系統(tǒng)，其中的岸基GPS基準(zhǔn)站用于差分導(dǎo)航定位。2013年底，在天津北塘實(shí)現(xiàn)的RNB-（DBDS+DGPS）的試驗(yàn)播發(fā)，并在信號覆蓋的環(huán)渤海區(qū)域進(jìn)行動靜態(tài)測試。測試結(jié)果表明：北斗和GPS單獨(dú)實(shí)時(shí)差分水平定位精度相當(dāng)，優(yōu)于1.5米（95%置信度），北斗/GPS聯(lián)合實(shí)施差分定位精度更優(yōu)[5]。

結(jié)語

北斗系統(tǒng)作為我國自主的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，在船舶定位領(lǐng)域，可使用單點(diǎn)偽距定位、偽距差分定位、PPP和載波相位差分定位技術(shù)，滿足不同精度需求的使用場景，尤其是和GPS聯(lián)合差分定位使得定位精度更加優(yōu)越。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳杰. 工程船舶的回顧與發(fā)展. 江蘇船舶[J]，2003，20（6）：3～8.

[2]周兵. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與建設(shè)構(gòu)想[J].無線電工程，2016，46（4）：1～4.

[3]焦永強(qiáng). 基于北斗衛(wèi)星的遠(yuǎn)海施工船舶精準(zhǔn)定位和信息化管理[J]，港口科技，2019，1（1）：1～2.

[4] Space-based Navigation Technical Planning Integrated Product Team 1997 Overview[C]∥Proceedings of the National Technical Meeting：“Navigation 2000”.California：Institute of Navigation，1998.

[5]王成. 中國沿海無線電信標(biāo)差分（BDS+GPS）系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).航海[J]，2015，59～63.

作者簡介：

姜鑫源（1991.12），性別：男，民族：漢，籍貫（精確到市）：河南省洛陽市，當(dāng)前職務(wù)：科員，當(dāng)前職稱：助理工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：海洋測繪、攝影測量.