基于DGPS組合定位的靠泊儀技術分析

◎鄭耘 惠州港引航站

DGPS強調以多個接收機為依托，在建立數學模型的前提下，通過多點定位與單點定位相結合的方式，對用戶所需各項數據加以獲取。該技術的優點在于其充分利用GPS系統所擁有資源，結合用戶需求建模并采集數據，可以有效彌補常規定位技術所存在不足。近幾年，該技術已在諸多領域得到運用，將其用于油輪等大型船舶，可以降低船舶靠泊的難度，其所具有的實際價值有目共睹。

1.研究背景

在航運經濟飛速發展的當下，船舶規模、行駛速度均較以往有所增加，船舶載重量已增加至數十萬t，隨著散貨船、集裝箱船以及油輪的普及，社會各界紛紛將目光聚焦于船舶靠泊，如何保證船舶安全靠泊隨之成為業內人士關注的重點[1]。研究發現，對船舶行駛數據進行實時獲取的難度較大，有一定概率由于數據獲取錯誤或時效性不理想，致使工作人員無法正確操作船舶，進而引起不必要的問題。要想降低碰撞等問題的發生率，關鍵是要酌情引入更加科學且先進的導航設備，借助導航設備提高船舶停靠的精度。本文便以此為背景，針對船舶靠泊步驟建模，基于所建立模型對靠泊期間船舶行駛速度、碼頭與船尾和船首之間的距離加以確定，進而確定具有普適性的靠泊系統，確保工作人員能夠根據該系統所提供參數有序開展靠泊工作。

2.靠泊儀種類及運用技術

2.1 靠泊儀

E航海戰略提出至今，導航產品已經過數次更新換代，以油輪為代表的大型船舶紛紛選擇引入靠泊儀，希望能夠在靠泊儀的輔助下，實現快速、精準靠泊的目標。現有靠泊設備主要包括兩類，分別是船基、岸基，下文將詳細說明：

2.1.1 船基靠泊儀

該系統具有三大功能，首先是根據船舶情況，為其提供合理的縱向、前進以及后退速度，其次是為處于靠泊狀態的船舶提供行駛方向與速度，最后是為靠泊期間船舶所具有的安全性提供保證[2]。實踐發現，原有系統的定位精度并不理想，研究人員針對該情況對系統做出了以下升級：放棄常規方案，改用DGPS對船舶進行定位。新系統具有便于安裝、適用范圍廣和精度理想等優點，通常不會被天氣等要素所影響。鑒于此，本項目最終決定引入DGPS技術，并且通過建模的方式，對參數計算速度和準確度加以提高。

2.1.2 岸基靠泊儀

該系統強調由碼頭前端所安裝聲吶、雷達或是激光負責采集信號，根據所采集信號判斷碼頭、船舶之間的距離，進而獲得更加準確的數據。然而，常用探頭普遍存在以下幾方面不足：一是極易被天氣等外界因素所影響；二是作用距離相對有限；三是日常維護難度較大；四是僅能采集固定點參數[3]。

2.2 DGPS技術

GPS可以覆蓋海陸空三大領域，很長一段時間內，受技術制約，國內GPS始終無法使用P碼，導致定位精度難以突破100m，在SA限制被取消的當下，其定位精度仍然和預期存在較大差距。除此之外，GPS還存在以下弊端：該系統不具備實時獲取數據的功能，無法在定位出現偏差的第一時間，將相關情況告知用戶。在此背景下，DGPS應運而生，該技術可以被細分為GPS和WAAS兩類。

2.3 組合定位技術

圖2 船首向示意圖

目前，船舶從業人員普遍通過兩種方式處理數據，分別是精密定位、單點定位，其中，單點定位的原理如下：由GPS接收機對衛星信號所發出數據加以接收并處理，進而得到相應的觀測坐標。單點定位需要先處理觀測文件所包含數據，通過延遲改正與鐘差改正相結合的方式，獲得相應的坐標，該方式存在定位精度不理想的問題。精密定位則有效彌補了單點定位的不足，要求有關人員先對載波數據做探測、修復處理，再通過改正和參數估計等方式，獲得具有良好精度的坐標，需要注意的是，雖然精密定位的精度更加理想，但并不適合對航向等復雜數據進行處理。要想在保證數據真實、準確的前提下，壓縮數據處理時長，關鍵是要改用更加先進的定位技術，例如，兩點定位，即：通過兩臺接收機對衛星信號進行接收與處理，根據處理所得到數據建立相應的坐標系，結合數據斜率確定各點方向，以正北方向和兩點方向所形成夾角為依據，對航向數值加以確定[5]。

本文所討論多點定位的特點如下：經由多個接收機對衛星信號進行接收，進而確定各點所處位置。現階段，該技術已在物流監管、交通檢測等領域得到廣泛運用，船舶停靠所使用靠泊儀便需要用到該技術，其工作機理如下：以多點DGPS、單點DGPS為依托，由DGPS負責接收并處理數據，從而使短時間內確定船舶行駛方向與速度，碼頭和船尾、船首之間距離的設想成為現實。

3.基于DGPS的靠泊技術說明

新時期，將DGPS用于大型船舶已成為大勢所趨，多數船舶均已安裝相應的導航及定位設備，另外，還有一部分船舶選擇省略計程儀，參考DGPS所提供數據確定航行方案。考慮到船舶靠泊對導航精度所提出要求較為嚴格，因此，要想對組合定位技術進行大范圍推廣，關鍵是要了解其原理與定位效果，具體如下：

3.1 建立坐標系

圖1中坐標系所描述對象為船舶運動，坐標系原點是駕駛臺中心，x軸的走向為正東向右，y軸的走向為正北向上。靠泊儀位于AB、AB1處，有關人員可借助該坐標系，快速、準確地獲取所需數據。M、N所描述對象為碼頭前沿。考慮到船舶形狀并不規則，使用常規方法并不能夠精準說明碼頭、船舶之間存在的位置關系，故決定增設點E及點F，二者分別代表船首與船尾。

圖1 坐標系

3.2 計算各項參數

3.2.1 轉向率

圖中OH代表船首線對應矢量，代表x沿逆時針方向旋轉的角度。基準北線沿順時針方向旋轉所形成角度即為船首向角，其中，基準北線的角度為0°，計算公式如下：

該公式中，ε代表船首向角，其取值在0°～360°之間，要想使計算結果具有實際意義，關鍵是要轉化計算結果，倘若結果超過360°，要減去360°，如果計算結果未達到0°，則應加上360°。考慮到船首向主要取決于真北向，而真北向角的度數為0°，因此，可以推導出以下公式：

上述公式中，ω 代表船舶轉向率。?代表不同船首向的差值。

3.2.2 速度與距離

要想計算船尾、船首與碼頭之間的距離和行駛速度，前提是確定船首向、中心點。下文用E指代船首點，用F指代船尾點，O指代中心點，對計算過程加以說明，以供參考：

第一步，對O加以確定。本文將駕駛臺中心作為船舶中心，M、N為已知點，可根據二者對碼頭岸線方程加以確定。

第二步，以定位終端所處位置為依據，對O的坐標加以確定。確定坐標的方法有兩種，一是定位終端與點A、點B重合，二是定位終端與點A、點B1重合，前者的計算公式如下：

該公式中，是指AB與A1B1所形成夾角。是指x與AB1所形成夾角。S是指|AB1|，即兩個終端的距離。則代表終端坐標。一般情況下，在設定初始值時，均默認為船首真北朝上，這樣設計的優點在于任何時間段，有關人員均可以參考A、B、0坐標，對船首向加以確定。

3.3 定位精度分析

各行業對定位精度所提出要求如下：①大地測量定位精度不得超過0.01m；②測圖精度不得超過0.05m；③攝影測量精度不得超過0.5m；④高精度導航及水文地理精度不得超過1 m；⑤通用導航精度不得超過100m。通過分析可知，油輪等大型船舶對靠泊精度所提出要求為不超過1m，上文所討論定位技術所具有精度能夠達到該要求。

3.4 靠泊實例

VLCC靠泊惠州港馬鞭洲中海油碼頭，見圖3。

圖3 靠泊實例截圖

4.船舶靠泊系統設計要點討論

4.1 設計方案

本項目中，有關人員決定對靠泊儀系統進行分塊設計，將系統劃分成開發平臺、靠泊應用兩層，與常規系統相比，該系統的特點主要在于其對硬件的依賴性極弱，現將設計要點歸納如下：其一，系統搭載iOS系統，確保接入該系統的硬件均能夠得到科學管理，除極特殊情況外，系統均不得直接訪問功能模塊。其二，硬件需要經由接口函數加以操作，該系統所搭載功能模塊較多，包括但不限于用戶模塊、通信模塊和數據模塊等。其中，用戶模塊的功能與終端前臺相似，主要負責在用戶和終端之間搭建聯系的橋梁，及時接收用戶所提出請求并給出相應的反饋。通信模塊需要借助WiFi將數據同步，為系統接收定位參數提供支持。數據模塊則負責對船舶行駛速度、方向及其他動態信息進行回放。

4.2 功能模塊

本文所討論靠泊儀的硬件由兩部分組成，其中，A機包括WiFi、鋰電池、ARM、GPS及AIS模塊，B機則包括WiFi、鋰電池、ARM與GPS模塊。采取該方案的原因如下：實踐經驗表明，僅憑借單一接收機定位，通常無法保證定位精度。這是因為離泊狀態下，船舶行駛速度相對較慢，衛星信號極易被干擾，進而出現定位漂移的情況，此時，系統所獲得船首向角便會受到航速的影響而不斷搖擺。要想避免出現以上問題，關鍵是要確保靠泊儀所顯示位置完全正確，改用多個接收機進行定位，則能夠快速確定船舶位置，其現實意義有目共睹。

開發該系統時，有關人員應將重心放在DGPS模塊上。該系統所搭載模塊可以實時接收MSAS信號，同時對速度信息、位置信息加以顯示。根據觀測量可將其劃分成觀測值、計算速度和位置差分三類，根據定位方式可劃分成差分測速、單點測速兩種。該系統所選擇模塊與常規模塊存在較為明顯的不同，二者的區別主要體現在以下方面：一是該系統包含12個通道，可以實時跟蹤并接收衛星信號。二是搭載最新芯片及算法，更新速率能夠達到20Hz左右。三是新增接收信標等功能。四是啟動速度提升到60s以內，捕獲時間通常不會超過1s。五是定位精度在2.5m以內，實測差分精度不會超過0.6m，即使出現信號丟失或其他突發情況，在問題發生后的40min以內，定位精度仍然能夠維持在亞米級別。

5.結論

本文以組合定位技術為落腳點，針對船舶靠泊需求及特點，對計算各項參數所適用模型進行了建立，以既有靠泊儀為基礎，對全新靠泊儀進行設計。事實證明，對全新靠泊儀加以使用，可以確保工作人員及時掌握靠泊狀態下船舶的各項數據，使引航工作更加安全且高效。