浅谈北斗导航技术在船舶定位中的应用

2021-11-23吴佐政广州航标处

珠江水运 2021年1期

◎ 吴佐政广州航标处

2020年，北斗三号全球卫星导航系统正式建成启用，这标志着我国也有了自主知识产权的导航系统。在北斗导航系统建成以前，我国的船舶定位主要依靠GPS导航系统，现在北斗系统的全球覆盖，这不仅打破了GPS的垄断也为我们的船舶定位又提供了一种更加安全和精确的导航定位途径。基也正是这个原因，我们今天提出了基于北斗导航技术在船舶定位方面的应用。

1.北斗导航技术的简介

1.1 北斗导航技术组成

北斗导航技术属于卫星定位的技术范畴，其主要是空间设备、地面设备和使用终端三部分构成，空间设备就是空间运行的卫星，我国的北斗导航卫星由静止轨道卫星、同步轨道卫星和中圆轨道卫星三种类型。地面设备主要是在地球表面的主控设备、时间同步/注入站和监测设备等若干地面站设备，以及星间链路运行管理设设备。使用终端就是在用户端的北斗兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，以及终端产品、应用系统与应用服务软件等。

1.2 北斗导航系统中船舶定位的原理

北斗导航技术中定位主要依靠三球交会测量定理，当在大洋中航行的船舶D 的位置，主要是根据在地球中的中圆轨道卫星三颗卫星 A、B 以及 C 算出船舶D 的位置，在轨道运行的三颗卫星的空间位置已知，在通过三颗卫星与船舶D之间的空间距离，然后分别以三颗卫星的当前的位置为中点构建一个的以三颗卫星与船舶D之间的直线距离为 R 形成虚拟球体，然后将这3个虚拟球体在地球上交汇的那一点就是待测点船舶 D此时所处的地球的空间位置。而对于有地面控制中心参与的定位，有两颗卫星就可以实现定位，在大洋中航行的船舶D的北斗导航用户终端发出北斗定位申请，并将这一信号发射给静止轨道运行的北斗卫星，并经由这个卫星中转发射给岸基地面控制中心E，岸基地面控制中心E接收到这一申请信号后，再由岸基地面控制中心向大洋中的船舶D发出确认位置的确认信号，然后根据该确认信号在空中往返传输的时间，计算出岸基地面控制中心到大洋中的船舶D和在地球静止轨道的两颗静止北斗卫星之间的距离，从而计算出大洋中的船舶D所在位置，这种定位方式需要两颗静止轨道北斗卫星作球面做为参照物，同时还要根据地球本身即是一个球体的原理，也就是在另一种条件下的三球交会测量定位，在这种情况下岸基地面控制中心便可求出大洋中的船舶D的位置，然后将这一信息通过静止轨道北斗卫星，发送给大洋中的船舶D。

2.北斗导航技术在船舶定位的应用

北斗导航技术在船舶定位的应用系统主要有两部分组成，分别是船载装置和北斗电子海图信息控制系统。

2.1 北斗船舶定位系统船载装置

2.1.1 船载装置的作用

船载装置的作用主要是接收和发出指令，当船舶有定位需求时，向岸基地面控制中心发出请求定位申请信号，并通过船载北斗定位系统中的定位模块获取船舶的位置数据。如果岸基地面控制中心要获取船舶位置时，船载装置接收由北斗导航卫星中装的地面控制中心的定位申请信号，并利用北斗导航系统中的特有的短报文通信功能将船舶动态数据打包封装，再通过短报文数据返回斗导航卫星中装的地面控制中心。

2.1.2 船载装置的组成

船载装置采用模块化设计方式，其内部组成主要有五个部分，分别是系统中央数据运行模块、北斗定位模块、北斗天线模块、位置信息数据采集以及电源模块。

北斗天线模块又含有三个子模块分别是天线、射频模块、基带模块完成北斗信号的捕获、跟踪、解调、译码、伪距与伪距率参数测量过程。其工作原理是天线接收北斗卫星信号，并将接收的原始数据传输给射频模块，通过射频模块将原始信号数据进行低噪放处理，并进一步变频处理，降低信号的载波频率，而基带模块将变频后的信号中北斗卫星的信号从众多的信号中提取出来即信号的捕获过程，再持续输出北斗卫星信号即跟踪过程，在此基础上将信号解调成基带信号即解调过程，接着完成译码过程，并将北斗卫星传输过程中误差进行伪距与伪距率参数测量。最终将处理后的信号交由中央处理模块进行处理。

中央数据运行模块。中央数据运行模块一方面协调其他几个模块之间的工作，同时也要将其他模块获取的定位原始数据，进行运算分析，把不同数据通信格式转换为体统默认的格式、并将转换后的数据存储在相应的存储器内，并进一步将处理后的数据显示在系统图像输出装置上，并监测卫星通信、传感器工作状态，确认供电状态的有效值，同时将天线传输的帧数据中提取信号发送时间、本地接收时间、导航电文等定位解算需要用到的数据，并把它们存入全局变量，供解算模块使用，经过数据类型判别，并按照系统默认协议格式进行封装，后传送给系统中北斗定位模块。并将系统中北斗定位模块计算处理后的数据回传给天线模块发出相应的动作指令。

北斗定位模块。该模块是将船舶实时航行速度、航行方向等原始数据参数，经由系统数据接口传输给中央数据运行单元，并接收中央数据运行单元的申请指令，将位置信息和一些航行数据通过系统的接口，按照特定的通信协议转换后发送给中央数据运行模块，船舶位置信息包含船舶实时的自测经纬度以及请求定位时间等。

数据采集模块。数据采集模块的工作内容是收集提取船舶上传感器发出的实时数据，并将这些原始数据都将通过系统接口传输给中央数据运行单元，将船舶的机舱内传感器采集船舶各部件运行数据进行采集然后发送给中央数据运行单元。

2.2 北斗电子海图信息控制系统

北斗电子海图信息控制系统也就是北斗导航技术在船舶定位应用的软件系统，其中包括控制软件和电子海图信息库两部分。

2.2.1 系统控制软件

在北斗导航船舶定位系统中，船舶操控人员要实时的获得自己的位置、速度、时间等信息，在船舶定位系统中嵌入操作系统，操作系统控制船载装置的天线连续实时接收北斗导航卫星信息，在装置的显示器上显示在船舶上方北斗导航卫星的数目，在地球轨道的位置及该卫星目前所处的方位角，并在系统的卫星图像上显示和实时运行变化情况，并不断计算出船舶定位系统天线和船舶数据采集模块采集的数据如航海速度、方向等信息进行汇集并进行综合计算，然后根据北斗电子海图信息库图形进行叠加，将船舶当前的位置及航速、方向等显示在电子海图上，为船舶的控制人提供数据参考。

在北斗导航船舶定位系统中，电子海图界面是十分重要的，因为在定位系统中海图界面可以直接显示船舶当前所处的位置，这种图形界面可以直观的对系统进行操作。在电子海图的制作，目前多采用墨卡托投影法和麦卡托投影法，也可以利用现有的电子海图，通过数据的中北斗卫星的位置信息进行转换，具备电子海图的系统控制界面，可以极大的帮助船舶的操控者随时监控航海的线路，同时可以针对船舶在近岸航行还是在远岸航行时该海域的暗礁和浅滩等障碍物进行标注，以避免事故的发生。