蔡亞軍，萬隆君（通訊作者）

（集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 福建 廈門 361000）

1 引言

二十一世紀(jì)是海洋世紀(jì)，繼十八大之后黨的十九大報告再一次指出，“堅持陸海統(tǒng)籌，加快建設(shè)海洋強(qiáng)國”，其是對創(chuàng)建海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略所提出的更加高的需求。作為全球主要的海運大國，打造海運強(qiáng)國戰(zhàn)略是全面貫徹海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略必不可少的部分，同時還是加速“一帶一路”戰(zhàn)略發(fā)展的重要途徑，更加是提升國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的要求?！蛾P(guān)于促進(jìn)海運業(yè)健康發(fā)展的若干意見》的出臺，更加是對我們國家航運業(yè)的不斷發(fā)展實施充分系統(tǒng)地安排，其對于我國加速創(chuàng)建海運強(qiáng)國與海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略，有著非常重要的意義。針對我國的航運業(yè)來說，日益繁瑣的自然條件與海上環(huán)境，及船舶現(xiàn)代化、信息化的不斷發(fā)展，促使船舶的管理人員充分認(rèn)識到獲取船舶及時性位置信息與把握船舶行駛信息的重要意義。為了降低船舶海損事故的出現(xiàn)，加強(qiáng)船舶監(jiān)控管理能力，并且為了能夠更加好的對海上運輸實施監(jiān)管、加強(qiáng)遇險救助能力，運用GPS技術(shù)創(chuàng)建起有效的水上交通管理體系。

2 GPS技術(shù)概述

衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)通過接收GPS衛(wèi)星信號以達(dá)到定位、導(dǎo)航以及授時的一種技術(shù)，具備在陸、海、空實施全方位及時三維定位和導(dǎo)航的功能，所以GPS技術(shù)由根本層面處理了人們在定位與導(dǎo)航上遇到的問題，其在定位、導(dǎo)航工程領(lǐng)域中發(fā)揮著不可取代的作用，同時能夠帶來較好的社會效益與經(jīng)濟(jì)收益。

GPS系統(tǒng)主要由以下三個部分組成：第一，空間星座部分—GPS衛(wèi)星星座；第二，地面監(jiān)管部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)；第三，終端接收部分——信號接收機(jī)。

3 GPS船舶定位監(jiān)控系統(tǒng)

（1）GPS船舶定位監(jiān)控系統(tǒng)

伴隨無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與GPS技術(shù)的快速發(fā)展，移動定位監(jiān)控技術(shù)同樣獲得了較大的發(fā)展。GPS船舶定位監(jiān)控系統(tǒng)集移動通信技術(shù)、GPS技術(shù)、計算機(jī)管理技術(shù)以及GIS技術(shù)于一體創(chuàng)建起了船舶動態(tài)化管理系統(tǒng)，能夠達(dá)到大范圍、全天化、多船只的及時化、動態(tài)化調(diào)度、定位、監(jiān)管，改善船舶航行管理，提升應(yīng)對突發(fā)事件的能力，加強(qiáng)船舶航行的安全度與運行效率。GPS船舶定位監(jiān)控系統(tǒng)建立相對簡單、并不需要申請專門的頻點，并不需要建造基站，定位監(jiān)控系統(tǒng)能夠監(jiān)管所有加裝了船載單元的移動船只，通訊方式的達(dá)到就像是購買與運用手機(jī)那么便利。

以GPS為基礎(chǔ)的船舶定位監(jiān)控系統(tǒng)運用終端接收裝置經(jīng)過GPS模塊收集數(shù)據(jù)信號，中央處理單元針對定位信號實施處理獲得相應(yīng)的位置信息，接著由通信模塊把信息傳遞到監(jiān)控服務(wù)器。中央處理單元同樣能夠經(jīng)過通信模塊接受源自監(jiān)控中心所發(fā)出的指令，進(jìn)而實現(xiàn)其它功能。其功能大致涵蓋：緊急報警功能、監(jiān)控功能以及行駛記錄等相關(guān)功能。監(jiān)控中心硬件大都是由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器以及監(jiān)管應(yīng)用服務(wù)器等所構(gòu)成。其軟件部分大都是由應(yīng)用程序模塊、GIS模塊以及通信模塊等所組成。監(jiān)控中心的功能涵蓋：傳播查詢功能、定位功能、指揮調(diào)度、預(yù)警功能、緊急救援功能以及到港預(yù)報等其它功能。

（2）系統(tǒng)特點

第一，定位精準(zhǔn)程度高。GPS船舶定位系統(tǒng)運用單GPS模塊的形式，其定位精準(zhǔn)度往往在15米內(nèi)。為了達(dá)到一些其它用戶較高精度定位的要求，便能夠運用差分GPS的形式，按照差分GPS基準(zhǔn)站傳遞信息形式的不同能夠?qū)⒉罘諫PS定位劃分成以下三種：相位差分、位置差分以及偽距差分。以上三種差分方式的運行機(jī)理是完全一樣的，均是由基準(zhǔn)站傳遞優(yōu)化值，由用戶接受同時對測量結(jié)果實施改正，以得到精準(zhǔn)的定位結(jié)果。其區(qū)別在于傳遞修正值的主要內(nèi)容不相同，其差分精準(zhǔn)度也不一樣。其間偽距差分便是把移動臺的GPS數(shù)據(jù)與差分基準(zhǔn)站的GPS數(shù)據(jù)共同傳遞至中心實施二次差分以抵消公共誤差，以提升定位精準(zhǔn)度。

第二，覆蓋范圍廣。在有移動網(wǎng)絡(luò)的地方，GPS船舶定位系統(tǒng)便能夠發(fā)揮作用，進(jìn)而能夠跨省又或是全國范圍內(nèi)的監(jiān)控。運用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與衛(wèi)星通信技術(shù)，能夠達(dá)到船舶監(jiān)管部門和船舶之間長途距離的信息交流，拓寬海事機(jī)構(gòu)對于海上船舶的監(jiān)管范疇，加強(qiáng)船舶監(jiān)控管理的水平與船舶安全行駛的能力。

第三，信息容量大，交互更加方便。運用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)等等，創(chuàng)建起以同步定位衛(wèi)星通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)的船舶監(jiān)控管理體系，以達(dá)到船舶動態(tài)、靜態(tài)信息資源的共同分享與船舶監(jiān)控組織和船舶間迅速、便利的信息溝通，進(jìn)而有助于增強(qiáng)船舶的監(jiān)管和指揮調(diào)控，促進(jìn)船舶運行效益的提升。

4 GPS技術(shù)在船舶定位中的應(yīng)用

4.1 GPS技術(shù)在船舶絕對定位中的應(yīng)用

船舶絕對定位大都是通過GPS技術(shù)對于船舶在WGS-84坐標(biāo)系中的相應(yīng)位置實施精準(zhǔn)定位，需以4顆GPS衛(wèi)星為基石，此時的GPS測量才具備更高的準(zhǔn)確性。在實施船舶絕對定位的時候，僅通過GPS的接收設(shè)施便能夠單獨完成，與其它方式對比來看，GPS技術(shù)在船舶絕對定位過程中的應(yīng)用具備便于處理、組織方便以及操作簡單的優(yōu)勢。然而其同樣有著星歷誤差、信號延遲等層面的影響，從而導(dǎo)致GPS技術(shù)運用的誤差，對船舶絕對定位的準(zhǔn)確性造成影響。

4.2 GPS技術(shù)在船舶動態(tài)定位中的應(yīng)用

經(jīng)過動態(tài)定位能夠及時掌握船舶運行的方向、速度以及所處位置等，是船舶選取行駛路線，指引船舶的重要基礎(chǔ)。因為動態(tài)定位過程船舶一直處在運動狀況，角度、速度的不一樣均會對GPS技術(shù)的運用造成極大的影響，若不調(diào)節(jié)GPS技術(shù)在船舶動態(tài)定位中存在的誤差，極易導(dǎo)致誤差累積，從而影響無法充分把握船舶準(zhǔn)確的方位與行駛速度，從而喪失了航線改善的可能性，不僅會對船舶航運的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生影響，同時還會發(fā)生安全隱患。

4.3 船舶航行GPS定位數(shù)據(jù)處理

（1）空間位置的坐標(biāo)表示

對于空間位置的描繪需在某個相應(yīng)的系統(tǒng)下運用固定的形式來完成，此系統(tǒng)便是坐標(biāo)參照系，然而 描繪位置的形式便是由坐標(biāo)系所明確的。最為常見的坐標(biāo)參照系包含參心系與地心系，其和地球的物理與幾何特征有著非常密切的聯(lián)系。最為常見的坐標(biāo)系有：大地坐標(biāo)系、空間直角坐標(biāo)系以及平面直角系等等。

（2）GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程

在系統(tǒng)具體運用環(huán)節(jié)，運用GPS定位的終極目標(biāo)便是經(jīng)過載入GPS定位的信息，及時、精準(zhǔn)地在電子地圖中體現(xiàn)出目標(biāo)點所處的位置信息。載入GPS定位信息其實就是對定位信息實施坐標(biāo)轉(zhuǎn)換于投影，以使得其能夠和電子海圖存在于同一個坐標(biāo)系里面，以實現(xiàn)坐標(biāo)相互匹配的目標(biāo)。

（3）基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換

在工程運用環(huán)節(jié)采取GPS系統(tǒng)所收集的數(shù)據(jù)為WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，其便需實施基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，將所收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鱾€國家又或是區(qū)域運用的坐標(biāo)系統(tǒng)下?；鶞?zhǔn)轉(zhuǎn)換的方法非常之多，最為常見的便是莫洛金斯基模型與布爾沙-沃爾夫模型。

（4）坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

在相同的坐標(biāo)系統(tǒng)又或是基準(zhǔn)下，空間點的坐標(biāo)有著完全不一樣的展示方式，一類方式對應(yīng)著一種坐標(biāo)系。不一樣的坐標(biāo)系間，需要通過轉(zhuǎn)換之后，才可以獲得所需要的坐標(biāo)。

5 GPS定位誤差及解決措施

因為遭受航行環(huán)境的影響，大多運用絕對動態(tài)定位的形式，此形式存在著非常大的誤差，需針對誤差實施減小，才可以精準(zhǔn)對船舶實施定位。在具體工作環(huán)節(jié)，GPS天線大多會安裝于船的上部，唯有的海況優(yōu)良的背景下，船和GPS天線的運動是保持一致的。如果海況偏差，GPS天線便會遭受船橫、縱搖的影響，定位數(shù)據(jù)會出現(xiàn)比較大的跳變。此時船舶的航向、航跡改變同樣是非常大的，無法真實體現(xiàn)航向與航跡。因此需要對數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩ㄎ徽`差實施分析同時進(jìn)行修正。

（1）測偽距誤差

測偽距誤差又被叫做等效測距誤差。與其它觀測值相同，在測偽距的時候，因為有著星歷誤差、衛(wèi)星時鐘誤差以及信號在傳遞環(huán)節(jié)因為對流層延時、電離層延遲等造成的傳遞誤差與終端裝置的接收機(jī)通道間誤差、接收機(jī)噪聲所造成的接收機(jī)偏差等等。以上誤差的存在便會造成測偽距的偏差。民用C/A碼GPS的等效測距偏差在5～10mm之內(nèi)。接收機(jī)誤差便歸屬偶然性偏差，是人為操作不當(dāng)所造成的，所以在測量的時候需要確保接收機(jī)穩(wěn)定工作。因為接收機(jī)各式各樣，其定位的精準(zhǔn)度并不相同。普通船舶所運用的大都是導(dǎo)航型接收機(jī)，此類接收機(jī)大多應(yīng)用于運動物體的導(dǎo)航，其能夠及時提供物體的具體位置與行駛速率。在抵達(dá)目標(biāo)位置時，期能夠指引載體抵達(dá)設(shè)定的目標(biāo)。此類接收機(jī)均是運用C/A碼偽距測量，單點即時定位，定位的精準(zhǔn)度為25m，此種接收機(jī)的價格低廉，有大量的運用。此類接收機(jī)在船舶導(dǎo)航定位中的運用，同時與海圖搭配應(yīng)用。然而測地型接收機(jī)是一種應(yīng)用于精密測量工作的接收機(jī)。此類儀器大都運用載波相位觀測值實施定位，定位精準(zhǔn)程度高。儀器價格繁瑣，價格比較昂貴，并不適合在船舶中運用。

（2）衛(wèi)星在空間分布及正確的選星

對定位精度產(chǎn)生影響的次要因素便是衛(wèi)星在空間布局與準(zhǔn)確的選星。GPS在定位的時候僅需選取其間的4顆衛(wèi)星。因此，在衛(wèi)星數(shù)量多于4顆的時候，便需進(jìn)行選星計算，以明確最好的衛(wèi)星組合。

因為偽距誤差是由大氣環(huán)境與衛(wèi)星所明確的，用戶無法對其直接進(jìn)行更改。然而幾何因子往往是由用終端接收裝置和衛(wèi)星相對位置所明確的。經(jīng)過科學(xué)的選取導(dǎo)航衛(wèi)星，減少幾何因子，能夠?qū)崿F(xiàn)降低誤差、提升精度的目標(biāo)。

（3）差分定位

差分定位系統(tǒng)是由多用戶流動站、基準(zhǔn)站以及數(shù)據(jù)鏈這三個不同的部分所構(gòu)成。在基準(zhǔn)站中收集各個可視衛(wèi)星里面的測距信息，涵蓋導(dǎo)航電文、偽距以及載波相位等等。

因為基準(zhǔn)站的坐標(biāo)已經(jīng)知曉，便能夠計算出各星站間的實際幾何距離，進(jìn)而獲得觀測值的優(yōu)化數(shù)。然而精準(zhǔn)程度較高的RTK技術(shù)，傳遞給流動站的并非是觀測值的優(yōu)化數(shù)，是基準(zhǔn)站最初的觀測值。基準(zhǔn)站需傳遞給流動站的還涵蓋基準(zhǔn)站本身的部分信息，例如：基準(zhǔn)站的天線高與坐標(biāo)等等。按照在沿海部分區(qū)域的運用，需要在沿海港口航道測量創(chuàng)建起相應(yīng)數(shù)目的差分基準(zhǔn)站，同時產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)，對沿海港口航道測量船舶提供相關(guān)的定位數(shù)據(jù)。

6 結(jié)論

綜上所述，船舶定位是船舶航行過程中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，需要在高效導(dǎo)航與精準(zhǔn)測量的基礎(chǔ)之上才可以保證船舶定位的精確性。GPS技術(shù)在船舶航行中的運用，船舶往往會通過GPS技術(shù)來確保定位的精準(zhǔn)性與迅速性。因為GPS技術(shù)自身遭受著工作原理、坐標(biāo)系以及實際狀況等因素的影響，產(chǎn)生GPS誤差進(jìn)而影響到船舶定位的精度。為了能夠更加準(zhǔn)確的進(jìn)行船舶定位，更加合理的運用GPS技術(shù)，需要由精準(zhǔn)選星、測偽距誤差調(diào)控以及實時差分定位等過程出發(fā)，探究船舶定位運用GPS技術(shù)的關(guān)鍵，以達(dá)到對于船舶靜態(tài)與動態(tài)更加快速而精準(zhǔn)的定位目標(biāo)。

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