GPS在船舶定位中的应用_吴建荣.pdf

第 31 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.31 No.1Jan.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言随着我国国民经济的不断进步和各行各业市场竞争能力的快速提升，船舶运输产业凭借其成本低廉和运载量大等优势，在农产品、工业产品的运输过程中打下了扎实基础。随着各行业对船舶运输控制产业精确度要求的不断提升，船舶运输产业航行过程中精确定位和导航的需求不断提高，GPS 在船舶定位中的应用范围进一步拓宽。因此，本文对 GPS 在船舶定位中的应用进行研究，具备重要的理论意义和现实价值。1 全球定位系统 GPS 的工作原理1.1 GPS 的组成与功能GPS 美国在 20 世纪 70 年代初期研发的导航定位通讯系统，具备有全天候、覆盖全球以及监测数据信息连续实时等诸多优势，主要由轨道卫星、地面监测部分和用户系统 3 部分组成，图 1 为 GPS 星座示意图，图 2为 GPS 的卫星分布结构示意图1。可知，GPS 的空间星座由 21 颗工作卫星和 3 颗备用卫星组成，上述 24 颗卫星分布在 6 个轨道平面中，且 GPS 的卫星轨道高度约为 20200 km，卫星在运行卫星轨道的运行周期大致为 11 h。地面监控系统的存在，主要是为了使 GPS 中轨道卫星的运行过程得到监测，使卫星和监控站之间的数据信息得到有效传输，还能够确保 GPS 的时间参数能够得到高效率控制2。GPS在船舶定位中的应用吴建荣（中交第三航务工程局有限公司厦门分公司，福建 厦门 361006）摘 要：全球定位系统（GPS）能够帮助需求用户准确界定当前所处位置，进而计算出目的地与需求用户之间的准确距离，以图像显示和语音调控的方式满足客户的定位导航需求，在航空航天、船舶运输等诸多产业得到了广泛应用。本文在分析 GPS 工作原理的基础上，研究 GPS 在船舶定位中的作用，并详细论述 GPS 在船舶定位中的具体应用，旨在为 GPS 在船舶定位中应用水平的快速提升带来更多参考和启迪。关键词：GPS；船舶定位；导航中图分类号：U666.1 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.01.003引用格式吴建荣.GPS 在船舶定位中的应用 J.船舶物资与市场,2023,31(1):07-09.收稿日期：2022-10-24作者简介：吴建荣（1982-），男，工程师，研究方向为船舶管理及施工定位。图 1 GPS 星座示意图图 2 GPS 卫星分布结构示意图1.2 GPS 的定位原理GPS 的定位卫星在 6 个不同平面之间的分布，使得地球上任意角度、任意位置甚至是任意坐标能够同时观船舶物资与市场第 31 卷 第 1 期 08 测到 4 个级以上数量的卫星，从而使得地面的参数信息能够被有效地接收，为地面上任意角落的客户使用空间距离数据奠定扎实基础。假如地面上接收机的位置为某一定点位置，该定点位置到卫星的距离为某定值距离，其卫星的三维坐标则能够进一步以数学符号方式表示，在不考虑空间测量误差的基本前提下，能够通过卫星的接收机位置、参数距离甚至是三维坐标等求解得到客户的地面坐标，从而借助定位卫星的公转角速度等进一步得到后续导航数据，为满足 GPS 客户的使用需求奠定扎实基础3。2 GPS 技术在船舶定位中的作用2.1 信息准确GPS 定位信息准确是其基本优势，在进行船舶基础航行过程中，能够为船舶提供更加精确的位置信息，该类精确信息对船舶航行效率有着至关重要的提升价值。传统模式下的无线导航系统，其位置信息设备传输过程中往往因为外界环境因素而出现较大误差，也就很容易降低船舶航行的安全性，而 GPS 的引进，大幅度提高了船舶位置信息输入的准确度，从而使船舶运输数据能够达到 1 km 以内的精准数据，满足航行的精确度要求。以GPS 和北斗定位系统为例进行对比，表 1 为北斗导航模式下的船舶定位精确度，表 2 为 GPS 导航下的船舶定位精确度。可知，船舶运输在 GPS 的指导下，能够获得较为精确的定位参数信息，进而在船舶运输中得到良好效果4。表 1 北斗导航模式下的船舶定位精确度测试类型B1 伪距B2 伪距B1 相位B2 相位北斗导航系统船舶定位精度0.324-0.0840.1350.1490.250.378-0.168-0.0580000.3610004.53表 2 GPS 导航下的船舶定位精确度测试类型C1P2L1L2GPS 导航系统船舶定位精度0.347-0.0240.490.00500.368-0.132-0.078003.90.3640002.562.2 连续定位连续定位是 GPS 在船舶运输定位中的重要价值之一，GPS 具备全天候 24 h 不间断的优势，赋予了 GPS卫星导航连续性定位的基本功能，该项功能是传统无线导航模式无法比拟的，高精确度的传输位置测定，能够不断为船舶航行提供导航数据，从而借助其全球覆盖的定位空间，使用户能够在任何天气条件下，在地球的任意位置准确的接收到卫星信号，为后续航行提供数据支持。2.3 导航功能导航功能是 GPS 重要功能体现。GPS 除了为船舶运输提供准确信息和连续定位的基本价值外，还具备极强的导航功能，GPS 的卫星导航仪中存储了上千条航线路线，能够为船舶航线设计提供较为经济可靠的路线保障。目前，绝大部分船舶运输使用的 GPS 都具备航线与航程的优化设计功能，能够使驾驶人员在输入航程起点、终点后自动显示其各区域内的具体行情情况，保证船舶航行安全。3 GPS 在船舶定位中的应用3.1 系统设计利用 GPS 对船舶的定位导航进行优化设计，其系统设计示意图如图 3 所示。可知，在 GPS 与船舶定位应用时，船舶上配置了 GPS 接收机、扩屏电台等基本设备，能够通过基准站获得地面任意位置较为精确的参数坐标。在船舶的航行过程中，不同船舶之间会将其航行的具体经纬度坐标参数、运行精度控制甚至是过程中船舶运输速度等信息发送到调度中心，而调度中心则能够利用 GPS 对采集到的所有数据信息进行修正，修正之后将所有船舶的航行参数信息以更加精确的位置方式传递给船舶，确保船舶运输过程中不偏航不掉队。在此过程中，基站主要是对船舶航行进行一定的跟踪和调度，一般包括数据处理设备、数据发射设备、数据接收机等，其双向通信链路主要是在基站和船载单元之间进行数据信息的沟通与传递，主要包括收发机通信信号接口，在利用 GPS 定位得到的坐标时，其该坐标是 84 坐标体系，应该将其转换换到直角坐标系中，通过转换公式能够得到任意 2 个船舶在切割头中心线上所连接的参数信息，从而得到 GPS 天线、主天线和前切割头以及后切割头的距离参数等，从而使主从天线之间的距离可以与船舶中心站监测站基站差分 GPS接收机基站差分 GPS 扩频电台接收机船舶移动差分 GPS接收机船舶移动差分 GPS扩频电台接收机PLC 控制系统控制下船舶定位和导航图 3 系统设计示意图第 1 期 09 吴建荣：GPS 在船舶定位中的应用航行所经过的经度参数等进行连接，得到船舶回航时应该获得的参数信息。中心站则位于船舶航行定位的调度中心，由多台计算机、通信设备等组成，主要通过局域网将不同的职能部门之间相互连接，进行数据信息的交换，也能够进行船舶数据信息的及时处理，还能够对现实中船舶的动态数据信息和GPS的数据信号进行放大、缩小等基本操作。为了更好地监控 GPS 的工作价值，进一步设立监测站，对 GPS 在船舶定位系统中的运行进行监控分析5。3.2 仿真调试与分析在船舶的具体航行过程监测过程中，由于船载设备的好坏将直接影响到 GPS 的正常运行，因此，利用GPS 进行综合导航，并且截取船舶运行导航过程中的参数信息，以仿真调试技术验证该技术应用的有效性和准确度。在访问过程中，任意 2 个船舶在任意航道的航行间距最近为 6 m，为了得到任意船舶所处的具体位置，同时借助 GPS 接收机所得到的参数信号，在分析后将精确度误差控制在 3 m 以内。本文采用 GPS 对其进行处理，在测点设置 GPS 接收机用来接收导航系统所传递回来的数据信息。该数据信息经过实时处理后能够得到船舶运行过程中精确的经纬度，然后将该精确经纬度信息和已知信息进行对比，对产生的误差进行修正，将修正后的数据信息发送给 GPS 的接收机，便于任意航道的任意船舶的定位，能够在很大程度上提升其定位精确度。本文所采用的数据更新后的定位精确度关系如表 3 所示，可知，船舶运输过程中，想要 GPS 的定位误差能够控制在 3 m 以内，GPS 运行参数更新的频率应该要小于 10 s。也就是说，在实际应用中，一般会将 GPS 的数据更新频率设置为 5 s，以确保该技术在船舶定位系统中的高效应用6。表 3 定位精确度关系表差分信息更新频率/s010203040定位误差/m0561012例如，海缆船为了确保海底电缆施工的路由精确性，海上导航采用 DGPS 进行定位。定位精度可以达到亚米级。VECTORDGNSS 能够提供可靠的、高更新率的位置信息和指向信息是依靠以下的方式：VECTORDGPS使用了 2 个高性能 GNSS 模块和 2 个多路径抑制天线来处理 GNSS 信号，其中一对 GNSS 模块和天线被指定为主 GNSS，另外一对被指定为辅 GNSS。位置结算是参考主 GNSS 天线的相位中心位置，方位信息是参考由主GNSS 天线相位中心和辅 GNSS 天线相位中心组成的基线。辅助作业的抛艇也将配备专业定位设备通过数据链技术可以实时在主船定位系统中显示锚艇位置，避免传统给点不到点的问题，让抛锚定位全流程都处于可控状态。同时也避免了单纯依靠艇船载 DGPS 进行定位精度不够的问题。4 结语在船舶定位中，能够借助 GPS 的准确定位，满足各需求产业或用户行程计算与优化的目标，尤其是满足航海运输产业的使用安全。本文在探究 GPS 工作原理的过程中，分析了 GPS 的组成与功能，研究了 GPS 的定位原理，进而对 GPS 在船舶定位中的信息准确、连续定位和导航功能等进行强化，最后对 GPS 在船舶定位应用中的系统设计和仿真调试与分析等进行深入研究，GPS 为船舶运输和航海产业等保驾护航奠定了扎实基础。参考文献：1 陈红齐,吴益新.北斗导航及 GPS 技术在航海定位中的应用J.设备管理与维修,2019(6):225-227.2 郑迎春.GPS 卫星导航仪在船舶定位中的应用分析 J.科技创新导报,2017,14(29):129-132.3 马天明.北斗导航与 GPS 定位技术在航海定位中的对比分析 J.黑龙江科学,2016,7(12):16-20.4 龚娟.差分 GPS 技术在船舶定位和导航系统的应用 J.舰船科学技术,2017,39(8):115-118.5 吴佐政.浅谈北斗导航技术在船舶定位中的应用 J.科技创新导报,2021(1):115-117.6 蔡亚军,万隆君.浅析 GPS 技术在船舶定位中的应用 J.信息记录材料,2018,19(5):110-114.