陈伦杰

摘 要 本文从北斗导航与GPS定位技术概述入手，分析了二者的原理，通过对比实验来对比了北斗导航系统船舶定位和GPS导航船舶定位的精度，对比分析可知，作为我国自主研发的导航和定位技术，北斗导航航海定位有着一定的优势，其对于促进航海技术的发展有着积极的意义。

关键词 北斗导航；GPS导航；航海定位；对比

中图分类号 P228.4 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）172-0100-02

导航技术应用价值在于定位位置、指导人们行进线路，GPS定位技术是美国研发的在全世界第一个投入应用的卫星导航系统，其各项技术相对成熟，系统性能稳定。我国自主研发的北斗导航系统是一种能够全天候提供卫星导航信息的导航系统，它的出现打破了GPS定位技术的市场垄断，对于促进我国导航事业的发展有着重要的作用。基于以上，本文对北斗导航与GPS定位技术在航海定位中的应用进行了对比分析，旨在进一步促进我国航海技术的发展。

1 北斗导航与GPS定位技术概述

北斗导航和GPS定位技术都属于卫星定位技术的范畴，由地球监控设备、用户终端以及卫星网络组成，地球监控设备的主要功能是将采集到的指令传输给卫星系统，同时能够对卫星状态进行监测，并对采集到的数据进行分组处理，卫星网络系统的主要功能是传输并转发信号，用户终端的主要功能是接收卫星系统发来的信号，并对定位报文进行解析，从而计算并确定自身地理位置。下面来简要分析北斗导航系统与GPS导航系统的原理。

1.1 北斗导航系统原理

北斗导航位置定位有着主动性、精准性和有源性的特点，能够全双工传输数据，但其到达区域有限，这就使得其服务范围有着一定的局限性。北斗导航系统架构由3部分组成：1）空间部分：空间部分主要由两颗工作卫星和一颗备用卫星组成，卫星与地球同步运动，轨道高度为36 000km，两颗工作卫星的坐标分别为（80°E，0°）和（140°E，0°），备用卫星的坐标为（110.5°E，0°），空间部分卫星不具备导航电文发射功能，且没有原子钟，其主要功能是进行地面中心站和用户站的双向信号中继传输，覆盖面积为地球面积的42%[ 1 ]；2）地面中心控制系统：主要由地面中心站、测轨站及数十个地面参考标校站等组成，其中地面中心站配置了电子高程图，主要功能包括卫星定位、测轨以及调控卫星等，对导航定位参量数据进行搜集和校正，能够实现用户位置的精确测定；3）用户终端：用户终端指的是收发器，其带有定向天线，能够接收卫星传来的信号，并发射相关通信请求。

北斗导航系统定位工作过程如下：1）地面控制中心将询问信号发送给空间部分的两颗工作卫星；2）空间部分工作卫星接收到询问信号之后，利用卫星转发器将询问信号转发给服务区用户；3）服务区用户对其中一颗工作卫星的询问信号进行响应，同时将回应信号发送给另一颗工作卫星[ 2 ]；4）工作卫星接收到响应信号之后，利用卫星转发器将响应信号转发给地面控制中心；5）地面控制中心对接收到的用户响应信号进行解读，明确用户申请服务内容，以数值地图计算为基础，对用户所在地的三维坐标进行计算，之后将相关信息发送给空间部分工作卫星；6）空间部分工作卫星接收到坐标资料或通信内容等信息之后，利用卫星转发器转发给用户，从而实现定位。可以看出，在整个北斗导航系统定位工作过程中，空间部分工作卫星相当于地面控制中心和用户之间通信的中转站。

1.2 GPS导航系统原理

GPS导航系统主要由1个MCS主要控制台、4个地表天线站以及6个监控系统等3部分组成，用户设备是GPS导航系统数据的最终目的地，通过接收机来接受GPS卫星发送的信息，以GPS卫星固定角度获取测量卫星，并跟踪捕获卫星数据，获取导航报文，最后计算出用户设备的定位数据，例如经纬度数据、速率数据等。

当前GPS定位技术方法种类繁多，但原理基本一致，都是以GPS卫星为测量中心点，至少需要4颗卫星，确定为卫星坐标，进行空间距离的后方交会，通过数学建模方法来进行定位[3]。根据GPS卫星的运动状态可以将GPS定位算法分为动态定位算法和静态定位算法两种，根据参考物选取可以分为相对定位算法和单点定位算法两种，一般采用伪距法进行定位计算，此外，载波相位测量以及多普勒定位等方法也可以在GPS定位中应用。

2 北斗导航与GPS定位技术在航海定位中的实验对比

对北斗导航和GPS导航在航海定位中的应用进行对比实验，以AIS船载自动识别系统为基础，获取船舶航行过程中的相关信息或信号，例如海岸基站信息、周围船舶信息等，并将这些信息转发给岸上终端系统[4]。在此过程中，AIS船载自动识别系统会将搜集到的信息传输到北斗导航卫星或GPS导航卫星上，经过卫星的转发到达控制中心。控制中心利用AIS解码、多基站信息融合等技术来处理船舶航行信息，并将其存储到数据库中，监控系统会读取数据库中的船舶信息并将其显示在电子屏幕上，这就能够实现对船舶的定位，并实现对船舶航行的实时、动态监控。

北斗导航系统船舶定位和GPS导航系统船舶定位的精准度对比如表1所示，每隔2s获取以此船舶航行相关数据信息，每隔482m长度设置一条极限，需要注意的是，北斗导航系统船舶定位测试的数据类型与GPS导航系统船舶定位测试的数据类型有着一定的差别，前者测试数据类型为检测相位大小以及B1速率和B2速率伪距，后者测试的数据类型为L1、L2以及C1、P2，截至高度角控制在15°。

由表1可知，北斗导航系统船舶定位的相位精度在4.1mm～5.1mm之间，而观察准确度在0.32m～0.43m之间，这两个精度指标与GPS导航系统船舶定位基本相等。

测试卫星高度角对船舶定位精准度的影响，采集不间断的十组历元分组数据，计算北斗导航系统船舶定位和GPS导航系统船舶定位的准确度结果进行计算，去除不精确结果，得出高度角匹配精度预估值，之后进行平均值的计算。

测试结果表明，对于北斗导航系统船舶定位来说，随着卫星高度角的增加，船舶定位精准度也随之增加，随着卫星高度角的降低，船舶定位精准度也降低，而在GPS导航系统船舶定位中，这种关系依然存在，相较于北斗导航系统来说，GPS导航系统的这种相关度更加稳定，历元有着较好的信号接受能力，能够接收卫星的数量也更多。北斗导航系统船舶定位中的历元MEO卫星数量波动较大，GEO卫星相对稳定，但从准确性方面来看，北斗导航系统船舶定位要更优良一些。

综上所述，在卫星高度角较小的基础上，相较于GPS导航系统船舶定位来说，北斗导航系统船舶定位的精确性更优良。

3 结论

综上所述，北斗导航系统能够实现全球范围内的导航和定位，其在航海领域中的应用至关重要，通过对比分析可知，北斗导航系统航海定位精度和准确度更加优良，能够实现定位导航、精密授时以及报文通信等众多功能。北斗导航系统在航海定位中的应用能够有效促进我国航海技术的进一步发展。

参考文献

[1]王阅兵，游新兆，金红林，等.北斗导航系统与GPS精密单点定位精度的对比分析[J].大地测量与地球动力学，2014（4）：110-116.

[2]杨琰.北斗卫星导航系统与GPS全球定位系统简要对比分析[J].无线互联科技，2013（4）：114，131.

[3]武英洁.船用北斗/GPS联合导航终端的研究[D].大连：大连海事大学，2010.

[4]郭晋.北斗与GPS导航定位系统对比分析研究[J].科技资讯，2011（28）：60.