馬天明

（武漢理工大學航運學院，武漢 430070）

北斗導(dǎo)航與GPS定位技術(shù)在航海定位中的對比分析

馬天明

（武漢理工大學航運學院，武漢 430070）

導(dǎo)航定位系統(tǒng)來自美國研發(fā)的GPS定位技術(shù)，它在許多領(lǐng)域中一直處于主導(dǎo)地位，如軍事領(lǐng)域、商業(yè)領(lǐng)域和航海領(lǐng)域，等等。隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)，這種壟斷優(yōu)勢慢慢的被打破。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)作為我國自主研發(fā)并獨立發(fā)展的導(dǎo)航和定位技術(shù)，不僅加快了航天事業(yè)的發(fā)展，也大大地提高了我國在全球范圍內(nèi)的影響力。北斗導(dǎo)航技術(shù)可以進行全球范圍內(nèi)的定位和導(dǎo)航，能夠應(yīng)用于各種行業(yè)中，尤其是航海領(lǐng)域。船舶在海上航行，必須依賴于全球定位系統(tǒng)，因此，研究北斗導(dǎo)航與GPS定位技術(shù)在航海定位中的應(yīng)用，并通過實驗分析對比兩者之間的定位準確性。

北斗導(dǎo)航；GPS定位技術(shù)；航海定位

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域中且增長速度還在進一步加快，如海陸交通運輸導(dǎo)航、基礎(chǔ)測繪、工程勘測、地震監(jiān)測和氣象探測，等等［1］。在全球范圍內(nèi)，共有3個全球?qū)Ш较到y(tǒng)在正常運作：第一個是美國研發(fā)的GPS衛(wèi)星定位技術(shù)，它也是全球第一個投入使用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)［2］。由于從研發(fā)到現(xiàn)在已經(jīng)有非常長的時間，所以，它的各項技術(shù)和指標是非常成熟的，系統(tǒng)的發(fā)展也比較穩(wěn)定，它在全世界范圍內(nèi)的市場份額也是相當高的，處于第一的位置。第二個是俄羅斯研發(fā)的GLONASS衛(wèi)星定位技術(shù)，在最開始投入使用時，由于具有非常短的工作時間，且用戶需要較多的設(shè)備才能正常使用，因此，它的發(fā)展速度也受到了非常大的制約［3］。第三個是我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它的投入使用時間相對較晚，直到20世紀初期才開始在全球范圍內(nèi)提供服務(wù)［4］。雖然它的應(yīng)用時間不長，但已經(jīng)具備其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的所有功能，如導(dǎo)航、定位和授時功能，還研發(fā)了一些具有自主特色的功能：擁有主動定位與短信息傳輸?shù)脑O(shè)計理念，這樣既可以大大增加北斗在定位上的多種應(yīng)用功能，還可以擴展它在全世界范圍內(nèi)的影響力。還有一些衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也已經(jīng)投入使用，除了美國、俄羅斯和中國之外，歐洲目前已經(jīng)組建了一個伽利略衛(wèi)星定位技術(shù)，它具有多系統(tǒng)兼容、多功能的特性［5］。伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除了一些基本功能，比如：導(dǎo)航、定位、授時等基本服務(wù)外的搜救（SAR）、擴展應(yīng)用等［6］，還加入了許多新的功能。

導(dǎo)航技術(shù)是目前應(yīng)用最普遍的一個技術(shù)門類，它可以指示一些交通工具和行人準確的到達目標地點。如果我們沿著導(dǎo)航系統(tǒng)給定的線路運行，就一定能到達目的地，這就是導(dǎo)航技術(shù)的一種應(yīng)用價值［7］。在古代，人們使用最原始的航海定位儀器是羅盤或星歷導(dǎo)航［8］，它的使用方法是利用天空中星座的位置隨時間的變動而判定出來自己所處的位置。指南針是我國古代科學家最早發(fā)明的導(dǎo)航定位儀器。隨著科學技術(shù)的進一步發(fā)展，英國人John Harrison在18世紀60年代發(fā)明了磁羅經(jīng)，這種技術(shù)在當時被人們普遍應(yīng)用在航海中。接下來的二百年里，人們經(jīng)過大量的研究和探索，通過使用星歷知識、指南針和航海表來進行導(dǎo)航和定位［9］。

20世紀之后，研究者們在航海過程中記錄船運行速度的變化來推算自己所處的地理位置。二戰(zhàn)期間，為了取得戰(zhàn)爭的勝利，使戰(zhàn)斗機在作戰(zhàn)過程中能夠準確的找到目標，人們發(fā)明了一種雙曲線無線電定位系統(tǒng)［10］。隨著這種系統(tǒng)的不斷發(fā)展和完善，它能很好的解決航海中船舶定位問題，一直發(fā)展到人們將衛(wèi)星發(fā)射到天空，導(dǎo)航系統(tǒng)才逐漸進入一個不一樣的時代。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以給地球上任何地方航海中的船舶提供準確的地理位置以及方向。

1　北斗導(dǎo)航與GPS定位技術(shù)的研究與分析

衛(wèi)星定位技術(shù)是由位于地球上的監(jiān)控設(shè)備、空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)以及用戶終端接收機設(shè)備組成，監(jiān)控設(shè)備主要是由主控站、地面天線和監(jiān)測站等組成，它的主要功能是控制、協(xié)調(diào)地面上監(jiān)控設(shè)備的正常運作，將采集到的一些指令傳輸給空中的衛(wèi)星系統(tǒng)，它還能監(jiān)測衛(wèi)星的狀態(tài)以及采集的數(shù)據(jù)分組［11］。位于空中的衛(wèi)星系統(tǒng)的職責是傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)采集的信號，而用戶終端接收機的職責是監(jiān)測分布在地面上衛(wèi)星發(fā)送的信號、解析定位的報文，計算自身地理位置。

1.1北斗導(dǎo)航系統(tǒng)原理分析

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)能夠主動、有源的進行位置的精準定位，并且還擁有進行全雙工傳輸數(shù)據(jù)的能力，這是該系統(tǒng)最大的特點和優(yōu)勢。由于北斗信號能夠到達的區(qū)域是有限的，因此，它服務(wù)的范圍也是有限的。它的整體構(gòu)架是由兩個部分構(gòu)成：一個是位于與地球保持相對靜止的兩個衛(wèi)星（一個的位置是800 e，另外一個的位置是1400 e），它的信號能夠到達的區(qū)域僅限于中國以及周圍的一小部分地區(qū)。定位的準確性大概在20 m附近，利用雙向傳輸?shù)腝PSK調(diào)制解調(diào)機制（2492.75 MHz），能夠承載的用戶數(shù)量大約為530 000個/小時。圖1所示為北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的定位原理圖。假設(shè)控制中心經(jīng)過衛(wèi)星1與用戶進行一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐笛訒r為t1，控制中心經(jīng)過衛(wèi)星2與用戶進行一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐笛訒r為t2，這兩個數(shù)據(jù)傳輸延時是由圖1中的控制中心系統(tǒng)來進行檢測并計算出來的。由圖1可知，中心控制系統(tǒng)與衛(wèi)星1和衛(wèi)星2相隔的距離分別為S1*和S2*，這時，通過控制中心傳輸數(shù)據(jù)的往返延時t1和t2就可以分別計算出圖1中的S1和（S1+S2），最后結(jié)合兩者的距離可以推斷出S2的值。由以上分析可以得出，用戶所處的地理位置就是在兩個球面交匯的地方，即球心為衛(wèi)星1、球的半徑為S1以及球心為衛(wèi)星2、球的半徑為S2。此外，用戶所處的地理位置還在一個橢球面上，而且這個橢球面與地球的表面是平行的，因此，這里會有2個地理位置坐標，而我國用戶的具體地理位置是北半球的坐標。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在通信過程中，與其定位的過程是相似的。首先由控制中心獲得它們的傳輸要求之后，利用檢測匹配到目的地的IP地址，然后將已經(jīng)進行加密后的數(shù)據(jù)通過空中衛(wèi)星系統(tǒng)，再傳輸?shù)街付▍^(qū)域之內(nèi)所有潛在的用戶。潛在的用戶利用接收、解密得到衛(wèi)星傳輸?shù)男畔ⅲ绻皇菨撛诘挠脩?，就算能夠獲得該信息，也不可以將此信息利用正確的解密機制來成功破密，就算得到該信息也是無用的信息。

圖1　北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的定位原理Fig.1 Positioning principle of Beidou navigation system

1.2GPS導(dǎo)航系統(tǒng)原理分析

圖2所示為GPS定位系統(tǒng)原理圖。它主要反映了其位于地表監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理，由3個部分組成，分別是：1個主要控制臺（Master Control Station，簡稱MCS）、4個地表天線站（Ground Antenna）和6個監(jiān)控系統(tǒng)（Monitor Station）。

圖2　GPS定位系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of GPS positioning system

在GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中，用戶的設(shè)備是其主要的組成部分，它是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的最終目的地。其中，有一個接收機，主要是用來接收來自GPS衛(wèi)星所發(fā)送的數(shù)據(jù)來供用戶使用。接收機能夠遵循固定的衛(wèi)星角度，來獲取需要測量的衛(wèi)星。根據(jù)獲得的信息來跟蹤已經(jīng)捕獲的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并計算這些衛(wèi)星與用戶設(shè)備的距離變化，來獲取其中的星歷數(shù)據(jù)、導(dǎo)航報文等信息。最后，利用一些有針對性的算法，來獲取用戶設(shè)備的經(jīng)緯度、速率以及時間等定位數(shù)據(jù)。

雖然現(xiàn)有GPS定位技術(shù)的方法有非常多的種類，但是歸根結(jié)底是將需要測量的衛(wèi)星看作是整個測量的中心點，在確定了衛(wèi)星的準確位置坐標后（一般至少要4顆以上），后方交匯空間距離，這樣，就可以進行數(shù)學建模并分析所在位置來進行定位。定位算法既可以按衛(wèi)星的運動狀態(tài)來劃分（定動態(tài)定位或靜態(tài)定位），還可以由不同參考物的選取情況來劃分（相對定位《差分定位》和單點定位）。因此，定位算法一般采用的是偽距法，還可以采用載波相位測量、多普勒定位等方法［12］。

2　實驗對比分析

利用實驗測試了北斗和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)在航海定位中精準度的對比。通過利用AIS船載自動識別系統(tǒng)來獲取船舶在航行過程中的相關(guān)信息和周圍船舶的信息以及海岸基站的信息，還可以將船舶的信息發(fā)送給岸上的終端系統(tǒng)。當AIS船載自動識別系統(tǒng)收集到信息之后，會將它傳輸?shù)奖倍坊騁PS衛(wèi)星中，再由衛(wèi)星發(fā)送到控制中心。在收到來自衛(wèi)星的信息后，控制中心利用AIS的解碼、多基站的信息融合處理后送到數(shù)據(jù)庫，監(jiān)控系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中讀取船舶的相關(guān)信息，并顯示到電子屏幕上，達到對船舶的定位以及動態(tài)監(jiān)控。

表1和表2為兩個系統(tǒng)船舶定位的精準度對比。獲取船舶的數(shù)據(jù)信息時間間隔是2s，基線的間隔長度是482m，北斗導(dǎo)航測試的數(shù)據(jù)類型是B1和B2速率的偽距與檢測到的相位大小，而GPS定位系統(tǒng)測試的數(shù)據(jù)類型是C1、P2、L1以及L2，截至的高度角是15°。由兩個表中的數(shù)據(jù)可以看出，北斗導(dǎo)航定位的觀察準確度是0.32～0.43 m，相位準確性是4.1～5.1 mm。這兩個指標的值與GPS幾乎在相等的位置。

表1　北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的船舶定位精準度Tab.1 Shipping positioning accuracy of Beidou navigation system

表2　GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的船舶定位精準度Tab.2　Shipping positioning accuracy of GPS navigation system

在航海中對船舶的定位過程中，我們還測試了衛(wèi)星的高度角對船舶定位精準度的影響。利用不間斷的10組樣本歷元的分組數(shù)據(jù)，通過一定的計算方式得出北斗導(dǎo)航和GPS定位系統(tǒng)的觀察準確度結(jié)果，再減去出現(xiàn)不精確結(jié)果后，得到的就是每個樣本中高度角上面相匹配的多個精確的估計值。最后將所有獲得的結(jié)果相加再除以總數(shù)，得到的各個平均值就是相對應(yīng)的高度角的觀察準確度。圖3中的結(jié)果表明了在北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中，根據(jù)兩個基準線測量所得到的高度角和船舶定位精準度的關(guān)系圖。圖4中的結(jié)果表明了在GPS定位系統(tǒng)中，根據(jù)兩個基準線測量所得到的高度角和觀察準確度的關(guān)系圖。

圖3　北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中船舶定位精準度和高度角的關(guān)系Fig.3 The relationship between shipping positioning accuracy and elevating angle of Beidou navigation system

圖4　GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中船舶定位精準度和高度角的關(guān)系Fig.4 The relationship between shipping positioning accuracy and elevating angle of GPS navigation system

由上圖結(jié)果可以得出，兩個導(dǎo)航系統(tǒng)在航海中對船舶的定位精準度隨著衛(wèi)星高度角的變化而變化。在北斗導(dǎo)航中，定位到船舶的具體位置（準確度）隨著衛(wèi)星高度角的增大而增加，隨著衛(wèi)星高度角的減少而降低。GPS定位技術(shù)也是同樣的現(xiàn)象，因為GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中的相關(guān)度比較穩(wěn)定，因此，它的每個歷元接收信號的能力也比較強，能夠比北斗系統(tǒng)要接收更多數(shù)量的衛(wèi)星。在北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中，由于歷元中MEO衛(wèi)星的數(shù)量會出現(xiàn)比較大的變動，雖然GEO衛(wèi)星是比較穩(wěn)定的，但是它的準確性比較低。由實驗總結(jié)得出：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在高度角比較小的情況下，在航海中對船舶定位的準確性要好于GPS定位系統(tǒng)，這就是北斗系統(tǒng)的優(yōu)勢。因為系統(tǒng)和類型的差異，使得不同類型的觀察準確度跟高度角的值是不一樣的，在北斗導(dǎo)航中，當高度值處在18°以下時，它的觀察準確度要比高度值處在82°以上時要好很多，可以達到它的2.5倍之多。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的相位觀測值可以獲得5.5倍多的優(yōu)勢。

3　結(jié)語

由于衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的快速發(fā)展，選用哪種導(dǎo)航技術(shù)來應(yīng)用于航海定位中受到了人們的關(guān)注。比較熟悉的導(dǎo)航定位系統(tǒng)是美國研發(fā)的GPS定位技術(shù)，它在許多領(lǐng)域中一直處于主導(dǎo)地位。隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)，已經(jīng)將這種壟斷優(yōu)勢慢慢打破，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)作為我國自主研發(fā)并獨立發(fā)展的導(dǎo)航和定位技術(shù)，不僅加快了航天事業(yè)的發(fā)展，大大提高了我國在全球范圍內(nèi)的影響力。北斗導(dǎo)航技術(shù)可以進行全球范圍內(nèi)的定位和導(dǎo)航，能夠應(yīng)用于各種行業(yè)中，尤其是在航海領(lǐng)域。隨著北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的不斷完善與發(fā)展，它在航海技術(shù)上已經(jīng)可以實現(xiàn)定位導(dǎo)航、簡短報文通信以及精密授時等功能，將有力促進航海技術(shù)的發(fā)展與進步。

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Contrastive analysis of Beidou navigation satellite system and GPS positioning technology in navigation positioning

MA Tian-ming
（School of Navigation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

The navigation positioning system is developed from GPS positioning technology，which has been in a leading position in many areas，such as military，commercial and navigation field.This dominance has been slowly broken down with the advent of the Beidou navigation system.Beidou navigation system has not only sped up the development of aerospace，but also greatly improved our worldwide influence.Beidou navigation positioning can be used in various industries，especially in the field of sailing.This paper analyzed the application of Beidou navigation and GPS navigation positioning in navigation positioning，and made comparison of the accuracy of positioning through experiments.

Beidou navigation satellite system；GPS positioning technology；Navigation positioning

P228

A

1674-8646（2016）12-0016-04

2016-04-14