基于GNSS浮标的实时水深船舶导航模型＊

汤均博，周 立

（淮海工学院 测绘工程学院，江苏 连云港 222005）

0 引言

船舶在海上航行时，大多是依据航海图导航的。而航海图上标注的水深是以深度基准面为准的图载水深。从1956年开始，我国就统一采用理论最低潮面作为我国海图的深度基准面。这种海图水深的表示方法，能较好地保证舰船航行的安全。由于潮汐的影响，海水的瞬时深度随水位不断发生变化，瞬时水深往往比图载水深要深，如果舰船能够实时获得航道瞬时水深，利用水位变化导航，则可扩大航道的通航能力。

在实际航海中，通常利用潮位预报得到某时刻的潮位值来改正海图水深数据，进而估计实时水深。但是这种预报潮位没有考虑实际存在的涌浪、风浪、余水位等误差，和实际水深相比，其误差有时会达到dm 级［1－2］；而且，潮位预报的范围往往较大，不利于航道、港池和码头等局部范围的导航。因此，探索一种可行的实时水深导航模型，构建局部实时水深导航系统，具有一定的实用意义。

1 GNSS浮标实时水深导航模型构建

随着卫星导航定位（GNSS）技术的发展，GNSS技术在海洋测绘各个领域得到深入广泛的应用。特别是 DGPS技术的发展，信标差分、GPS－RTK、CORS等差分定位手段为高精度海洋测绘工程提供了新的技术途径。这为海面布设GNSS浮标，实时测定海面三维坐标提供了很好的技术保障。本文提出，借助布设的GNSS浮标实时测定浮标所在位置的大地坐标（B，L，H），通过数据链，发送给数据处理中心（基准站），通过对船舶导航系统中的相关数据进行改正，获得GNSS浮标所在位置及附近区域的实时水位，达到引导船舶航行的目的。导航模型结构如图1所示。

图1 GNSS浮标导航模型结构示意Fig.1 Schematic model of GNSS navigation buoy

1.1 GNSS浮标

GNSS浮标采用锚系浮标形式。浮标水上部分装载GNSS接收机、信号发射器、姿态传感器及供电设备。GNSS接收机能接收卫星信号，实现浮标的实时定位，并通过信号发射器将定位信息发送到岸上GNSS基准站。

1.2 GNSS基准站

GNSS基准站又是导航信息处理中心。其主要功能是：① 接收GNSS卫星信号。通过电台接收浮标定位信号并对接收到的浮标定位信息进行差分改正，获得较高精度的浮标平面坐标和浮标所在海水面的WGS84椭球大地高。②构建GNSS浮标信息系统。应用该系统能实现浮标编号、大小、所在位置及其海面瞬时高度的查询。③ 实现电子海图与浮标信息系统的融合。通过电子海图系统能查询航道信息、GNSS浮标位置海图基准及瞬时水深。④通过电台实时发布海图及浮标所在位置的实时水位或水深等信息。

1.3 船舶导航

船舶导航通过现有的船载导航仪来实现。通过船载GNSS定位仪、信号收发台实现与基准站的信息互动，通过导航软件设置航线并查询航线区域海图，查询航线区域实时水深。

GNSS浮标实时水深导航模型的功能结构如图2所示。

图2 GNSS浮标实时水深导航模型的功能结构图Fig.2 Functional configuration diagram of real－depth model about GNSS navigation buoy

2 GNSS浮标实时水深船舶导航模型的可行性分析

（1）该模型中，航道水面GNSS浮标有3根锚链系泊，每根锚链在靠近浮标处都放置一个浮筒。试验结果表明，此锚泊系统能满足浮标的运动，锚链张力也比较小，具有较好的工程应用价值［3］。为提高浮标的定位精度，可安装浮标姿态传感器采集校正数据调制后发送到GNSS基准站。应用GPS测定水面高度，观测条件好的情况下能达到标准偏差3cm，观测条件不好的情况下能获得与验潮仪一样的结果［4］。GNSS浮标的密度可参考一个验潮站控制的范围为准，即同一时刻任两点的潮位高低之差不得大于测深精度的一半［5］；潮位变化大的地区，GNSS浮标设置密度大；潮位变化小的区域，GNSS浮标设置密度小。

（2）数据处理中心（GNSS基准站）可通过改造沿海信标基准台站，进行功能拓展。海图对应的深度基准面的大地高，可在确定深度基准面的长期验潮站测量求取。根据文献［6］，只要在验潮站附近水准点架设GNSS接收机，测定水准点的 WGS84椭球大地高就可获得深度基准面的大地高。

验潮站深度基准面与GNSS天线、验潮站水准点、多年平均海面等基准面之间的空间结构如图3所示。

图3 验潮站深度基准面大地高求定示意Fig.3 Schematic diagram of datum geodetic height in tide station

由图3可知，验潮站深度基准面的大地高可由下式求得：

式中，H为GNSS天线大地高，Δh为GPS天线至水准点的高差，h为验潮站水准点高程，hm为多年平均海面至深度基准面的高差。

数据处理中心可构建浮标管理信息系统对浮标进行管理［7］，在电子海图信息系统中可查询浮标的实时位置，并将浮标所在区域水位和实时水深通过电台发送给用户（船舶）。

（3）目前交通部下辖的各海事局港区及外港作业船舶都在使用DGPS导航仪（如MX400系列）。该定位仪依靠全球各国海上安全监督管理部门设置的指向标站日夜通过数据链播发RTCM改正数信息，实现船舶DGPS定位；同时能够查询附近船舶在电子海图上位置［8－9］。若在数据链中调制 GNSS浮标位置及水深信息，在船载导航仪中实现GNSS浮标及实时水深查询是可行的。

3 结束语

在船舶航行过程中，常借助海图和潮汐表来预报计划航线上的水深。由于图载水深和预报水位的误差，造成预报水深和实际水深的差异，给航行带来安全隐患。本文提出在海面安置一些GNSS浮标，实时测定瞬时海面的高度，并将经过处理的实时水位信息发送给用户。在电子海图中加载航线实时水深，可对船舶进行导航。该模型包括海上GNSS浮标、数据处理中心（基准站）和用户（船舶）3个部分，各部分实现不同的功能。模型涉及GNSS技术、通信技术和电子海图技术，如果将3种技术很好地融合在一起，在实际工作中是切实可行的。

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