摘 要：船舶定位在軍事和民用方面有著重要價值和意義，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
《江蘇船舶》（雙月刊）創(chuàng)刊于1980年，由江蘇省交通廳主管，江蘇省造船工程學(xué)會和江蘇省船舶設(shè)計研究所主辦,是國內(nèi)外公開發(fā)行的船舶科技期刊，以其獨(dú)特的內(nèi)容和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)某霭尜|(zhì)量，探得廣大讀者的信賴，目前已成為國內(nèi)銷量最大的船舶雜志。
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)時動態(tài)，尤其對于軍方，艦船的位置是具有戰(zhàn)略價值的。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。
?。?）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)收到信號的時間間隔，繼而計算出衛(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)出時刻相位為φ_0，經(jīng)過距離l后到達(dá)船載接收機(jī)時相位為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)位置的三個未知數(shù)，船載接收機(jī)至少需要同時觀測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，需要同時觀測的衛(wèi)星數(shù)在3顆以上，多余觀測用來計算其余未知數(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)同時觀測衛(wèi)星信號，利用誤差的空間相關(guān)性進(jìn)行差分計算，基準(zhǔn)站將改正信息實(shí)時播發(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)計與實(shí)現(xiàn).航海[J]，2015，59～63.
本文由中國期刊網(wǎng)首發(fā)，一個權(quán)威專業(yè)的學(xué)術(shù)論文發(fā)表知識網(wǎng)。
文章名稱：淺析北斗系統(tǒng)在船舶定位中的應(yīng)用
