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
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