浅谈RBN-DGPS系统的重要作用和升级设想

李鹏宇+张平

摘 要：介绍我国RBN-DGPS台站工作现状，论述在航海实践中的作用，探讨系统功能升级的现实需求，指明实现功能升级的途径。

关键词：RBN-DGPS 重要作用 系统升级

1.RBN-DGPS系统概述

1 . 1 GPS

GPS是由美国国防部负责研制，主要满足军事需求，用于地球表面及近地空间用户的精确定位、测速和作为一种公共时间基准的全天候星基无线电导航系统。它可全天候、连续地为用户提供三维位置、速度和时间基准。出于自身安全考虑，美国人为增加卫星钟差和星历误差（SA政策），从而加剧GPS系统定位误差。此外还存在电离层、对流层传播等自然误差。要获取精准定位，就必须减少存在的干扰误差。DGPS概念便应运而生。

1 . 2 DGPS

所谓差分GPS（DGPS）就是把一台GPS基准接收机放在位置已精确测定的点上，它将收到的定位数据不断地与其准确位置相比较，求得GPS在该点的位置或伪距测量误差，从而推算出所有可见卫星伪距测量误差，再把这些测量误差通过数据链发射机广播出去，工作区内的GPS用户接收到这些误差校正信息，修正GPS测量值，提高定位精度。

1 . 3 RBN/DGPS

R BN/DGPS（Radio Beacon Navigation/DGPS）即利用海事无线电信标发射机作为数据链发射机而组成的一套差分GPS系统。以信标为主载波，MSK调制的差分GPS修正信息为副载波组成的信标/差分兼容发射系统，这样既保留原信标功能，又能向覆盖区域内发播差分校正信息，以实现高精度导航和定位。

2.RBN-DGPS系统在航海实践中的作用

2 . 1在船舶进出港中的作用

在进出港时，由于有限的航道和有限的时间，尤其是船只交会的时候，可以选用DGPS来保证导航的精度，避免搁浅和碰撞。现在广泛应用的电子海图显示与信息系统（ECDIS），就是将DGPS、雷达、计程仪、测深仪、VTS、AIS等各种信号和设备整合利用，为船只进出口提供高精度的导航定位服务。这种系统功能强大，直观方便，能在地形图上显示出高精度的本船位置，在能见度较低的雾天条件下也可正常工作，这是目视导航所不及的。DGPS的重要作用不言自明。

2 . 2在测定船舶机动性中的作用2.2.1 精准测定船舶航速

过去船舶测速，大都采用高精度无线电定位仪来测定，相对误差在1%左右，但比较繁琐。GPS的出现使航速测量更加简单方便。利用差分GPS定位技术，可使航速测量的相对误差不超过0.1%。但值得注意的是，直接利用标准GPS进行测速，相对误差可能会超过5%。

2.2.2 准确测量船舶回旋半径

回旋半径是指船舶在一定舵角和一定速度条件下，船舶航行的圆形航迹半径。它是船舶机动性的重要指标。在测量时，可通过接收差分GPS信号，实时获得准确的位置信息，每半分钟记录一次。先同一航速和舵角条件下回旋3-4圈，然后反向航行相同的回旋，并记录信息。通过电脑可把测量的结果绘制在航迹仪上，直接获得旋回圆曲图，并解算出回旋半径及周期。反复进行此操作，求出不同舵角时的旋回半径和周期，对船舶准确进出港和在狭窄巷道中航行都有重要作用。

2.2.3 测定船舶舵角提前量

舵角提前量是指船舶从发出指令开始转舵的位置，到船舶实际航迹已经到达新航向时所需航行的距离。当船舶在狭窄水道航行时，必须精确知道船舶各种舵角和不同航速时，达到新航向所需的舵角提前量。船舶航行中，从下达转向舵令开始，连续记录差分GPS位置数据，一直到进入新航线，然后绘制出航迹图，求出到达进入新航线时的距离，便获得转舵角的提前量。精准测定不同舵角的提前量，对船舶安全航行意义重大。差分GPS信号功不可没。

2.2.4 测量船舶航向稳定性

航向稳定性即操纵能力，是指船舵位于船首线时，船舶保持直线航行的能力。由于种种原因，尽管舵角为零，但船舶航向却在改变，驾驶员必须根据罗经指示值的变化，不断操控船舶，使之航行在预定航线上。差分GPS使测量船舶航向更简便快捷，测量时，只要连续记录差分GPS的位置信息，求出平均方位线的各点相对于平均速度方位线的偏移量，即可求出直线航行稳定性。这一指标与考核和提高船员的操纵能力，节省燃油和缩短航行时间密切相关。

2 . 3在校准助航仪器中的作用

船舶上装备的助航设备很多，如：计程仪、罗经等。这些设备结构简单，不依赖外部信息。但有的仪器累计误差大，需要定期校准。利用差分GPS校准这些助航仪器，精度高，且速度快。在无风流情况下，用差分GPS实时给出船舶的平面位置，同时记录计程仪和罗经的读数，通过计算机求出各点间距离和方位，以此校准计程仪和罗经。这种校准方法精度高，距离误差小于0.1%，航向误差小于5分。

3.RBN-DGPS系统升级的现实需求

3 . 1提高RBN-DGPS系统的可靠性和安全性GPS历经20多年开发建设，已在各领域处于垄断地位。鉴于卫星导航系统的巨大作用，许多国家已经争相发展自己的导航系统。俄罗斯已拥有GLONASS卫星导航系统，欧洲正着手建设Gialilue卫星导航系统，我国也在开发“北斗”卫星导航系统。目前，我国多数RBN-DGPS台站只能播发GPS差分信息，信息源单一，易受干扰限制，针对当前世界卫星导航系统竞相发展的现状，研究对其他卫星导航系统的兼容性以提高RBN-DGPS系统的可靠性和安全性具有非常重要战略意义。

3 . 2选择更好的卫星覆盖以改善定位精度

俄罗斯GLONASS现已有30颗工作卫星，且已实现与GPS/Gialilue在L1频点上兼容和互用。欧洲Gialilue系统也将由30颗卫星组成，并可提供精度1m的民用信号，它与GPS在L1和L5频点上实现兼容和互用。我国“北斗”系统现有15颗工作卫星组网，预计2020年建成覆盖全球的北斗导航系统。在建筑物密集城市或树木茂盛的森林地区，由于GPS卫星信号易被遮挡，使得GPS单系统的可见卫星数较少或不足，导致定位精度较差，甚至无法定位。若将上述4大系统组合定位，将使得可用卫星数成倍增加，有利于增强卫星分布的几何图形强度，提高定位测量精度、可靠性和效率。

3 . 3提高RBN-DGPS台站自动化管理程度

我国多数RBN-DGPS台站都处于孤岛或犄角等沿海偏远地区，且不同程度存在设备陈旧化、人员老龄化等，对RBN-DGPS系统的正常工作造成影响。因此需要加系统改造升级力度，使该系统具备自动监控机房湿度温度、火情盗情和供电系统工作状况的功能，并可将实时监测情况报送上级部门，提高

RBN-DGPS系统自动化管理程度。

4.RBN-DGPS系统升级的具体途径

4 . 1基准站接收机的多星兼容

RBN-DGPS系统主要由基准站、完善性监测台和播发台组成。将RBNDGPS系统升级为多星兼容，可充分利用现有台站设施和播发系统，重点改造基准站的卫星接收机、完善性监测软件，沿用MSK调制方式及相关配套设施。升级后的基准站卫星接收机天线需采用组合有源天线，信号处理单元扩展为48路通道，以保证基准站的视野范围内各卫星系统的所有卫星信号均能有效接受并参与计算处理，实现对各个卫星系统差分信息的统一计算、打包、顺序播发和人工设置播发等各项功能需求。升级后的监控软件可以基本参考现行监控软件，对原有的数据监测、储存、参数配置、设备状态监测等功能模块进行扩展，以适应于多个卫星导航系统三维差分信息的监控。

4 . 2差分信息播发标准的扩展

RBN-DGPS系统对外播发的格式和类型所采用的标准为RTCMSC-104于1996年公布的《适用于差分GPS基准站和完善性监测站的推荐标准》，目前尚未有新的差分信息播发的国际标准出台。因此对升级后的RBN-DGPS系统，必须对RTCMSC-104的标准进行扩展定义。RBN-DGPS系统对外播发信息的速率为 200bps，经估算可知，基准台站将视野内所有GPS卫星的差分信息全部播发出去的周期为3-4s，如果升级后的系统也采用顺序播发的方式，则所有卫星差分信息播发的更新周期约为12-16s。在没有SA政策的情况下，GPS在20s内的差分改正是基本稳定不变的，因此上述升级后的RBNDGPS系统12-16s的差分信息播发更新周期是可行的。

4 . 3台站设备的智能监测

通过增加输入输出接口处理单元、接口信号放大及调理单元、监测模块和GPRS模块的方式，利用多数台站八串口同工控机进行通讯，可将监测到的数据显示在台站屏幕上，还可将测试结果送往上级监控中心。当台站监控管理软件监测到设备、设施出现异常时，会自动发送短信通知有关人员，实现台站设备的智能监测报警。升级后的设备能初步获得天线电流监测、机房温度湿度监测、供电系统监测、柴油机开关控制、空调开关控制、烟雾探测、短讯警告等功能，促使台站向无人自动监测方向更进一步，为系统向西沙、南沙无人岛礁延伸打下基础。

5.结束语

通过以上论述分析可知，美国随时可对GPS导航系统进行调控，改变其定位导航精度。要想不受制于人，保障船舶航行安全，RBN-DGPS系统的建设就只能加强。同时还应考虑对RBN-DGPS系统进行升级，以适应多系统综合导航的需求，打破对GPS系统过度依赖。

参考文献：

[1]赵月林，刘野，谢洪彬.船舶值班与避碰.[2]陈蓉，马亚平，王成.中国沿海RBN-DGPS系统多星兼容研究.

[3]对我国RBN/DGPS系统精度分析及精度改进方法的探讨.