陳倫杰

摘 要 本文從北斗導航與GPS定位技術(shù)概述入手，分析了二者的原理，通過對比實驗來對比了北斗導航系統(tǒng)船舶定位和GPS導航船舶定位的精度，對比分析可知，作為我國自主研發(fā)的導航和定位技術(shù)，北斗導航航海定位有著一定的優(yōu)勢，其對于促進航海技術(shù)的發(fā)展有著積極的意義。

關(guān)鍵詞 北斗導航；GPS導航；航海定位；對比

中圖分類號 P228.4 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0100-02

導航技術(shù)應用價值在于定位位置、指導人們行進線路，GPS定位技術(shù)是美國研發(fā)的在全世界第一個投入應用的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，其各項技術(shù)相對成熟，系統(tǒng)性能穩(wěn)定。我國自主研發(fā)的北斗導航系統(tǒng)是一種能夠全天候提供衛(wèi)星導航信息的導航系統(tǒng)，它的出現(xiàn)打破了GPS定位技術(shù)的市場壟斷，對于促進我國導航事業(yè)的發(fā)展有著重要的作用?；谝陨?，本文對北斗導航與GPS定位技術(shù)在航海定位中的應用進行了對比分析，旨在進一步促進我國航海技術(shù)的發(fā)展。

1 北斗導航與GPS定位技術(shù)概述

北斗導航和GPS定位技術(shù)都屬于衛(wèi)星定位技術(shù)的范疇，由地球監(jiān)控設備、用戶終端以及衛(wèi)星網(wǎng)絡組成，地球監(jiān)控設備的主要功能是將采集到的指令傳輸給衛(wèi)星系統(tǒng)，同時能夠?qū)πl(wèi)星狀態(tài)進行監(jiān)測，并對采集到的數(shù)據(jù)進行分組處理，衛(wèi)星網(wǎng)絡系統(tǒng)的主要功能是傳輸并轉(zhuǎn)發(fā)信號，用戶終端的主要功能是接收衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)來的信號，并對定位報文進行解析，從而計算并確定自身地理位置。下面來簡要分析北斗導航系統(tǒng)與GPS導航系統(tǒng)的原理。

1.1 北斗導航系統(tǒng)原理

北斗導航位置定位有著主動性、精準性和有源性的特點，能夠全雙工傳輸數(shù)據(jù)，但其到達區(qū)域有限，這就使得其服務范圍有著一定的局限性。北斗導航系統(tǒng)架構(gòu)由3部分組成：1）空間部分：空間部分主要由兩顆工作衛(wèi)星和一顆備用衛(wèi)星組成，衛(wèi)星與地球同步運動，軌道高度為36 000km，兩顆工作衛(wèi)星的坐標分別為（80°E，0°）和（140°E，0°），備用衛(wèi)星的坐標為（110.5°E，0°），空間部分衛(wèi)星不具備導航電文發(fā)射功能，且沒有原子鐘，其主要功能是進行地面中心站和用戶站的雙向信號中繼傳輸，覆蓋面積為地球面積的42%[ 1 ]；2）地面中心控制系統(tǒng)：主要由地面中心站、測軌站及數(shù)十個地面參考標校站等組成，其中地面中心站配置了電子高程圖，主要功能包括衛(wèi)星定位、測軌以及調(diào)控衛(wèi)星等，對導航定位參量數(shù)據(jù)進行搜集和校正，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶位置的精確測定；3）用戶終端：用戶終端指的是收發(fā)器，其帶有定向天線，能夠接收衛(wèi)星傳來的信號，并發(fā)射相關(guān)通信請求。

北斗導航系統(tǒng)定位工作過程如下：1）地面控制中心將詢問信號發(fā)送給空間部分的兩顆工作衛(wèi)星；2）空間部分工作衛(wèi)星接收到詢問信號之后，利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器將詢問信號轉(zhuǎn)發(fā)給服務區(qū)用戶；3）服務區(qū)用戶對其中一顆工作衛(wèi)星的詢問信號進行響應，同時將回應信號發(fā)送給另一顆工作衛(wèi)星[ 2 ]；4）工作衛(wèi)星接收到響應信號之后，利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器將響應信號轉(zhuǎn)發(fā)給地面控制中心；5）地面控制中心對接收到的用戶響應信號進行解讀，明確用戶申請服務內(nèi)容，以數(shù)值地圖計算為基礎，對用戶所在地的三維坐標進行計算，之后將相關(guān)信息發(fā)送給空間部分工作衛(wèi)星；6）空間部分工作衛(wèi)星接收到坐標資料或通信內(nèi)容等信息之后，利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，從而實現(xiàn)定位?？梢钥闯?，在整個北斗導航系統(tǒng)定位工作過程中，空間部分工作衛(wèi)星相當于地面控制中心和用戶之間通信的中轉(zhuǎn)站。

1.2 GPS導航系統(tǒng)原理

GPS導航系統(tǒng)主要由1個MCS主要控制臺、4個地表天線站以及6個監(jiān)控系統(tǒng)等3部分組成，用戶設備是GPS導航系統(tǒng)數(shù)據(jù)的最終目的地，通過接收機來接受GPS衛(wèi)星發(fā)送的信息，以GPS衛(wèi)星固定角度獲取測量衛(wèi)星，并跟蹤捕獲衛(wèi)星數(shù)據(jù)，獲取導航報文，最后計算出用戶設備的定位數(shù)據(jù)，例如經(jīng)緯度數(shù)據(jù)、速率數(shù)據(jù)等。

當前GPS定位技術(shù)方法種類繁多，但原理基本一致，都是以GPS衛(wèi)星為測量中心點，至少需要4顆衛(wèi)星，確定為衛(wèi)星坐標，進行空間距離的后方交會，通過數(shù)學建模方法來進行定位[3]。根據(jù)GPS衛(wèi)星的運動狀態(tài)可以將GPS定位算法分為動態(tài)定位算法和靜態(tài)定位算法兩種，根據(jù)參考物選取可以分為相對定位算法和單點定位算法兩種，一般采用偽距法進行定位計算，此外，載波相位測量以及多普勒定位等方法也可以在GPS定位中應用。

2 北斗導航與GPS定位技術(shù)在航海定位中的實驗對比

對北斗導航和GPS導航在航海定位中的應用進行對比實驗，以AIS船載自動識別系統(tǒng)為基礎，獲取船舶航行過程中的相關(guān)信息或信號，例如海岸基站信息、周圍船舶信息等，并將這些信息轉(zhuǎn)發(fā)給岸上終端系統(tǒng)[4]。在此過程中，AIS船載自動識別系統(tǒng)會將搜集到的信息傳輸?shù)奖倍穼Ш叫l(wèi)星或GPS導航衛(wèi)星上，經(jīng)過衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)到達控制中心?？刂浦行睦肁IS解碼、多基站信息融合等技術(shù)來處理船舶航行信息，并將其存儲到數(shù)據(jù)庫中，監(jiān)控系統(tǒng)會讀取數(shù)據(jù)庫中的船舶信息并將其顯示在電子屏幕上，這就能夠?qū)崿F(xiàn)對船舶的定位，并實現(xiàn)對船舶航行的實時、動態(tài)監(jiān)控。

北斗導航系統(tǒng)船舶定位和GPS導航系統(tǒng)船舶定位的精準度對比如表1所示，每隔2s獲取以此船舶航行相關(guān)數(shù)據(jù)信息，每隔482m長度設置一條極限，需要注意的是，北斗導航系統(tǒng)船舶定位測試的數(shù)據(jù)類型與GPS導航系統(tǒng)船舶定位測試的數(shù)據(jù)類型有著一定的差別，前者測試數(shù)據(jù)類型為檢測相位大小以及B1速率和B2速率偽距，后者測試的數(shù)據(jù)類型為L1、L2以及C1、P2，截至高度角控制在15°。

由表1可知，北斗導航系統(tǒng)船舶定位的相位精度在4.1mm～5.1mm之間，而觀察準確度在0.32m～0.43m之間，這兩個精度指標與GPS導航系統(tǒng)船舶定位基本相等。

測試衛(wèi)星高度角對船舶定位精準度的影響，采集不間斷的十組歷元分組數(shù)據(jù)，計算北斗導航系統(tǒng)船舶定位和GPS導航系統(tǒng)船舶定位的準確度結(jié)果進行計算，去除不精確結(jié)果，得出高度角匹配精度預估值，之后進行平均值的計算。

測試結(jié)果表明，對于北斗導航系統(tǒng)船舶定位來說，隨著衛(wèi)星高度角的增加，船舶定位精準度也隨之增加，隨著衛(wèi)星高度角的降低，船舶定位精準度也降低，而在GPS導航系統(tǒng)船舶定位中，這種關(guān)系依然存在，相較于北斗導航系統(tǒng)來說，GPS導航系統(tǒng)的這種相關(guān)度更加穩(wěn)定，歷元有著較好的信號接受能力，能夠接收衛(wèi)星的數(shù)量也更多。北斗導航系統(tǒng)船舶定位中的歷元MEO衛(wèi)星數(shù)量波動較大，GEO衛(wèi)星相對穩(wěn)定，但從準確性方面來看，北斗導航系統(tǒng)船舶定位要更優(yōu)良一些。

綜上所述，在衛(wèi)星高度角較小的基礎上，相較于GPS導航系統(tǒng)船舶定位來說，北斗導航系統(tǒng)船舶定位的精確性更優(yōu)良。

3 結(jié)論

綜上所述，北斗導航系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全球范圍內(nèi)的導航和定位，其在航海領域中的應用至關(guān)重要，通過對比分析可知，北斗導航系統(tǒng)航海定位精度和準確度更加優(yōu)良，能夠?qū)崿F(xiàn)定位導航、精密授時以及報文通信等眾多功能。北斗導航系統(tǒng)在航海定位中的應用能夠有效促進我國航海技術(shù)的進一步發(fā)展。

參考文獻

[1]王閱兵，游新兆，金紅林，等.北斗導航系統(tǒng)與GPS精密單點定位精度的對比分析[J].大地測量與地球動力學，2014（4）：110-116.

[2]楊琰.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)與GPS全球定位系統(tǒng)簡要對比分析[J].無線互聯(lián)科技，2013（4）：114，131.

[3]武英潔.船用北斗/GPS聯(lián)合導航終端的研究[D].大連：大連海事大學，2010.

[4]郭晉.北斗與GPS導航定位系統(tǒng)對比分析研究[J].科技資訊，2011（28）：60.