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浅析北斗系统在船舶定位中的应用

来源:知实学术 分类:科技论文 发布时间:2020-07-29 浏览:

  摘 要:船舶定位在軍事和民用方面有着重要价值和意义,当前以GPS为主导的船舶定位手段被广泛应用于船舶航行领域,推动船舶定位进入高精度的卫星定位导航时代。近年,我国北斗系统正式运行,各定位手段和方法满足各精度需求的船舶定位领域。本文就北斗系统在船舶定位中的应用进行深入研究。

  关键词:北斗;船舶定位;GPS

  《江苏船舶》(双月刊)创刊于1980年,由江苏省交通厅主管,江苏省造船工程学会和江苏省船舶设计研究所主办,是国内外公开发行的船舶科技期刊,以其独特的内容和严谨的出版质量,探得广大读者的信赖,目前已成为国内销量最大的船舶杂志。

  1、船舶定位的意义

  船舶定位是指确定船舶在地球表面的位置。实现船舶定位具有很重要的军事和商业价值。一方面民间船公司、租家等船舶经营人可以远程监控船舶的实时动态,尤其对于军方,舰船的位置是具有战略价值的。另一方面对于港口管理机关,可以实现港区内船舶的全部监控,便于更好的安排作业计划和保障港区安全。

  2、船舶定位的方法和手段

  从技术手段看,目前的船舶定位技术有如下三种,陆标定位、天文定位和无线电定位。陆标定位和天文定位的优势在于方法简单,使用成本低,目前已经成为特殊情况下的补充手段。无线电定位无线电定位方法经过了无线电测向仪、雷达、卫星导航系统、GPS全球定位系统的发展为历程,进入高精度卫星导航定位时代。[1]尤其是GPS全球定位系统凭借定位精度高,可全天候实时导航定位作业,操作简便等优点使其自投入使用以来在定位导航领域的发展举世关注。目前GPS全球定位系统已广泛应用于船舶定位。

  3、北斗系统

  北斗系统于2000年以2颗卫星小幅起步,建成了具有位置报告、短电文通信等显著特色的北斗试验系统。使我国成为世界上第三个拥有自我卫星导航系统的国家。随后于2012年12月,利用14颗卫星完成了北斗区域系统建设,实现了对亚太地区的连续覆盖,收到ICG认可成为世界四大卫星导航核心供应商之一[2]。计划在2020年前后,建成北斗全球系统,向全球提供服务。

  北斗系统相比其他导航定位系统起步较晚,但具有RDSS双向通信功能,这是其他3大卫星导航系统所不具备的,也是其核心优势[3]。北斗也是第一个实现与其他三大全球系统兼容与互操作的系统 [4]。北斗系统打破GPS近乎垄断市场的格局,对于国家安全、促进国内相关产业发展等具有战略意义。

  4、北斗系统定位原理

  利用卫星与地面点间的距离交会出地面点位置,通过精确测定卫星与船载接收机之间的距离计算出船载接收机在指定坐标系中的坐标。距离测量分为伪距测量和载波相位测量。

  (1)伪距测量定位

  通过测定卫星发射测距信号到船载接收机收到信号的时间间隔,继而计算出卫星到船舶之间的伪距ρ':

  ρ'=c·△t (4-1)

  式中c为光速;△t为信号传播的时间间隔。实际上,由于信号在传播过程中会受到来自和卫星相关的误差、和传播途径有关的误差以及和接收机有关的误差这三方面的综合误差影响,直接计算得到的伪距ρ'并非为卫星到船舶之间的真实距离ρ。伪距测量定位优点是速度较快,对信号的强度要求不高,是目前应用最广的一中定位原理;缺点是定位精度较低。

  (2)载波相位测量定位

  载波相位测量是测量北斗载波信号从卫星到船载接收机的相位变化值从而确定距离。设卫星上载波发出时刻相位为φ_0,经过距离l后到达船载接收机时相位为φ1 ,那么载波所经历过的载波相位变化为(φ1-φ0 ) ,其中,包括整周数和不足一周的小数部分。其测距公式为:

  l=λ(n0-△φ) (4-2)

  式中:l为卫星到船舶接收机的距离;λ为已知载波的波长;n0 为载波相位(φ1-φ0 ) 中的整周期数部分,;△φ为载波相位(φ1-φ0 )中不足一周的小数部分; n0不能直接测量得到,即为载波测量中的整周模糊度,Δφ可以精 确测量。载波相位测量同样受到上述三方面误差的影响,其优点是定位精度高于伪距测量定位,可实现毫米级定位;缺点是数据处理过程复杂。

  5、利用北斗实现船舶定位的方法

  北斗定位的方法有很多种,根据船舶使用场景可分为单点定位和差分定位。

  单点定位

  单点定位是利用单台船载北斗接收机测量与卫星之间的距离,根据已知卫星瞬时坐标,来确定船舶的位置。设船舶在指定坐标系下的坐标为(XA,YA,ZA),被观测的某颗北斗卫星的坐标为(XS,YS,ZS),忽略各项误差,卫星和接收机之间的距离ρ为:

  ρ= (5-1)

  式5-1可知,通过单点定位方法得到接收机位置的三个未知数,船载接收机至少需要同时观测3颗卫星。实际情况中考虑到各种误差源带入式5-1,使得未知数多余3个,需要同时观测的卫星数在3颗以上,多余观测用来计算其余未知数和参与平差。

  单点定位无需依靠岸基基准站,在远离陆地的船舶定位或对定位精度要求不高的情形中被广泛应用。随着精密单点定位技术(precise point positioning,PPP)的发展,基于载波相位测量定位原理,利用IGS提供的精密星历和卫星钟差颗实现分米级甚至毫米级的高精度定位,在海洋测绘中发挥极大优势。

  差分定位

  差分技术利用一台基准站和一台船载接收机同时观测卫星信号,利用误差的空间相关性进行差分计算,基准站将改正信息实时播发给船载接收机来提高定位精度,弥补单点定位的缺点。

  海事部门使用的AIS属于差分定位系统,其中的岸基GPS基准站用于差分导航定位。2013年底,在天津北塘实现的RNB-(DBDS+DGPS)的试验播发,并在信号覆盖的环渤海区域进行动静态测试。测试结果表明:北斗和GPS单独实时差分水平定位精度相当,优于1.5米(95%置信度),北斗/GPS联合实施差分定位精度更优[5]。

  结语

  北斗系统作为我国自主的全球导航定位系统,在船舶定位领域,可使用单点伪距定位、伪距差分定位、PPP和载波相位差分定位技术,满足不同精度需求的使用场景,尤其是和GPS联合差分定位使得定位精度更加优越。

  参考文献:

  [1]陈杰. 工程船舶的回顾与发展. 江苏船舶[J],2003,20(6):3~8.

  [2]周兵. 北斗卫星导航系统发展现状与建设构想[J].无线电工程,2016,46(4):1~4.

  [3]焦永强. 基于北斗卫星的远海施工船舶精准定位和信息化管理[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. 中國沿海无线电信标差分(BDS+GPS)系统设计与实现.航海[J],2015,59~63.

  

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文章名称:浅析北斗系统在船舶定位中的应用

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