浅析GPS技术在船舶定位中的应用

蔡亚军，万隆君（通讯作者）

（集美大学轮机工程学院 福建 厦门 361000）

1 引言

二十一世纪是海洋世纪，继十八大之后党的十九大报告再一次指出，“坚持陆海统筹，加快建设海洋强国”，其是对创建海洋强国战略所提出的更加高的需求。作为全球主要的海运大国，打造海运强国战略是全面贯彻海洋强国战略必不可少的部分，同时还是加速“一带一路”战略发展的重要途径，更加是提升国家经济发展水平的要求。《关于促进海运业健康发展的若干意见》的出台，更加是对我们国家航运业的不断发展实施充分系统地安排，其对于我国加速创建海运强国与海洋强国战略，有着非常重要的意义。针对我国的航运业来说，日益繁琐的自然条件与海上环境，及船舶现代化、信息化的不断发展，促使船舶的管理人员充分认识到获取船舶及时性位置信息与把握船舶行驶信息的重要意义。为了降低船舶海损事故的出现，加强船舶监控管理能力，并且为了能够更加好的对海上运输实施监管、加强遇险救助能力，运用GPS技术创建起有效的水上交通管理体系。

2 GPS技术概述

卫星全球定位系统GPS(Global Positioning System)通过接收GPS卫星信号以达到定位、导航以及授时的一种技术，具备在陆、海、空实施全方位及时三维定位和导航的功能，所以GPS技术由根本层面处理了人们在定位与导航上遇到的问题，其在定位、导航工程领域中发挥着不可取代的作用，同时能够带来较好的社会效益与经济收益。

GPS系统主要由以下三个部分组成：第一，空间星座部分—GPS卫星星座；第二，地面监管部分——地面监控系统；第三，终端接收部分——信号接收机。

3 GPS船舶定位监控系统

（1）GPS船舶定位监控系统

伴随无线通信网络技术与GPS技术的快速发展，移动定位监控技术同样获得了较大的发展。GPS船舶定位监控系统集移动通信技术、GPS技术、计算机管理技术以及GIS技术于一体创建起了船舶动态化管理系统，能够达到大范围、全天化、多船只的及时化、动态化调度、定位、监管，改善船舶航行管理，提升应对突发事件的能力，加强船舶航行的安全度与运行效率。GPS船舶定位监控系统建立相对简单、并不需要申请专门的频点，并不需要建造基站，定位监控系统能够监管所有加装了船载单元的移动船只，通讯方式的达到就像是购买与运用手机那么便利。

以GPS为基础的船舶定位监控系统运用终端接收装置经过GPS模块收集数据信号，中央处理单元针对定位信号实施处理获得相应的位置信息，接着由通信模块把信息传递到监控服务器。中央处理单元同样能够经过通信模块接受源自监控中心所发出的指令，进而实现其它功能。其功能大致涵盖：紧急报警功能、监控功能以及行驶记录等相关功能。监控中心硬件大都是由数据库服务器、信网关服务器以及监管应用服务器等所构成。其软件部分大都是由应用程序模块、GIS模块以及通信模块等所组成。监控中心的功能涵盖：传播查询功能、定位功能、指挥调度、预警功能、紧急救援功能以及到港预报等其它功能。

（2）系统特点

第一，定位精准程度高。GPS船舶定位系统运用单GPS模块的形式，其定位精准度往往在15米内。为了达到一些其它用户较高精度定位的要求，便能够运用差分GPS的形式，按照差分GPS基准站传递信息形式的不同能够将差分GPS定位划分成以下三种：相位差分、位置差分以及伪距差分。以上三种差分方式的运行机理是完全一样的，均是由基准站传递优化值，由用户接受同时对测量结果实施改正，以得到精准的定位结果。其区别在于传递修正值的主要内容不相同，其差分精准度也不一样。其间伪距差分便是把移动台的GPS数据与差分基准站的GPS数据共同传递至中心实施二次差分以抵消公共误差，以提升定位精准度。

第二，覆盖范围广。在有移动网络的地方，GPS船舶定位系统便能够发挥作用，进而能够跨省又或是全国范围内的监控。运用网络技术与卫星通信技术，能够达到船舶监管部门和船舶之间长途距离的信息交流，拓宽海事机构对于海上船舶的监管范畴，加强船舶监控管理的水平与船舶安全行驶的能力。

第三，信息容量大，交互更加方便。运用网络技术、卫星通信技术以及计算机技术等等，创建起以同步定位卫星通信系统为基础的船舶监控管理体系，以达到船舶动态、静态信息资源的共同分享与船舶监控组织和船舶间迅速、便利的信息沟通，进而有助于增强船舶的监管和指挥调控，促进船舶运行效益的提升。

4 GPS技术在船舶定位中的应用

4.1 GPS技术在船舶绝对定位中的应用

船舶绝对定位大都是通过GPS技术对于船舶在WGS-84坐标系中的相应位置实施精准定位，需以4颗GPS卫星为基石，此时的GPS测量才具备更高的准确性。在实施船舶绝对定位的时候，仅通过GPS的接收设施便能够单独完成，与其它方式对比来看，GPS技术在船舶绝对定位过程中的应用具备便于处理、组织方便以及操作简单的优势。然而其同样有着星历误差、信号延迟等层面的影响，从而导致GPS技术运用的误差，对船舶绝对定位的准确性造成影响。

4.2 GPS技术在船舶动态定位中的应用

经过动态定位能够及时掌握船舶运行的方向、速度以及所处位置等，是船舶选取行驶路线，指引船舶的重要基础。因为动态定位过程船舶一直处在运动状况，角度、速度的不一样均会对GPS技术的运用造成极大的影响，若不调节GPS技术在船舶动态定位中存在的误差，极易导致误差累积，从而影响无法充分把握船舶准确的方位与行驶速度，从而丧失了航线改善的可能性，不仅会对船舶航运的经济性产生影响，同时还会发生安全隐患。

4.3 船舶航行GPS定位数据处理

（1）空间位置的坐标表示

对于空间位置的描绘需在某个相应的系统下运用固定的形式来完成，此系统便是坐标参照系，然而 描绘位置的形式便是由坐标系所明确的。最为常见的坐标参照系包含参心系与地心系，其和地球的物理与几何特征有着非常密切的联系。最为常见的坐标系有：大地坐标系、空间直角坐标系以及平面直角系等等。

（2）GPS坐标转换流程

在系统具体运用环节，运用GPS定位的终极目标便是经过载入GPS定位的信息，及时、精准地在电子地图中体现出目标点所处的位置信息。载入GPS定位信息其实就是对定位信息实施坐标转换于投影，以使得其能够和电子海图存在于同一个坐标系里面，以实现坐标相互匹配的目标。

（3）基准转换

在工程运用环节采取GPS系统所收集的数据为WGS-84坐标系统中的数据，其便需实施基准转换，将所收集的数据转变为各个国家又或是区域运用的坐标系统下。基准转换的方法非常之多，最为常见的便是莫洛金斯基模型与布尔沙-沃尔夫模型。

（4）坐标系的转换

在相同的坐标系统又或是基准下，空间点的坐标有着完全不一样的展示方式，一类方式对应着一种坐标系。不一样的坐标系间，需要通过转换之后，才可以获得所需要的坐标。

5 GPS定位误差及解决措施

因为遭受航行环境的影响，大多运用绝对动态定位的形式，此形式存在着非常大的误差，需针对误差实施减小，才可以精准对船舶实施定位。在具体工作环节，GPS天线大多会安装于船的上部，唯有的海况优良的背景下，船和GPS天线的运动是保持一致的。如果海况偏差，GPS天线便会遭受船横、纵摇的影响，定位数据会出现比较大的跳变。此时船舶的航向、航迹改变同样是非常大的，无法真实体现航向与航迹。因此需要对数据传输的定位误差实施分析同时进行修正。

（1）测伪距误差

测伪距误差又被叫做等效测距误差。与其它观测值相同，在测伪距的时候，因为有着星历误差、卫星时钟误差以及信号在传递环节因为对流层延时、电离层延迟等造成的传递误差与终端装置的接收机通道间误差、接收机噪声所造成的接收机偏差等等。以上误差的存在便会造成测伪距的偏差。民用C/A码GPS的等效测距偏差在5～10mm之内。接收机误差便归属偶然性偏差，是人为操作不当所造成的，所以在测量的时候需要确保接收机稳定工作。因为接收机各式各样，其定位的精准度并不相同。普通船舶所运用的大都是导航型接收机，此类接收机大多应用于运动物体的导航，其能够及时提供物体的具体位置与行驶速率。在抵达目标位置时，期能够指引载体抵达设定的目标。此类接收机均是运用C/A码伪距测量，单点即时定位，定位的精准度为25m，此种接收机的价格低廉，有大量的运用。此类接收机在船舶导航定位中的运用，同时与海图搭配应用。然而测地型接收机是一种应用于精密测量工作的接收机。此类仪器大都运用载波相位观测值实施定位，定位精准程度高。仪器价格繁琐，价格比较昂贵，并不适合在船舶中运用。

（2）卫星在空间分布及正确的选星

对定位精度产生影响的次要因素便是卫星在空间布局与准确的选星。GPS在定位的时候仅需选取其间的4颗卫星。因此，在卫星数量多于4颗的时候，便需进行选星计算，以明确最好的卫星组合。

因为伪距误差是由大气环境与卫星所明确的，用户无法对其直接进行更改。然而几何因子往往是由用终端接收装置和卫星相对位置所明确的。经过科学的选取导航卫星，减少几何因子，能够实现降低误差、提升精度的目标。

（3）差分定位

差分定位系统是由多用户流动站、基准站以及数据链这三个不同的部分所构成。在基准站中收集各个可视卫星里面的测距信息，涵盖导航电文、伪距以及载波相位等等。

因为基准站的坐标已经知晓，便能够计算出各星站间的实际几何距离，进而获得观测值的优化数。然而精准程度较高的RTK技术，传递给流动站的并非是观测值的优化数，是基准站最初的观测值。基准站需传递给流动站的还涵盖基准站本身的部分信息，例如：基准站的天线高与坐标等等。按照在沿海部分区域的运用，需要在沿海港口航道测量创建起相应数目的差分基准站，同时产生网络，对沿海港口航道测量船舶提供相关的定位数据。

6 结论

综上所述，船舶定位是船舶航行过程中最为关键的环节，需要在高效导航与精准测量的基础之上才可以保证船舶定位的精确性。GPS技术在船舶航行中的运用，船舶往往会通过GPS技术来确保定位的精准性与迅速性。因为GPS技术自身遭受着工作原理、坐标系以及实际状况等因素的影响，产生GPS误差进而影响到船舶定位的精度。为了能够更加准确的进行船舶定位，更加合理的运用GPS技术，需要由精准选星、测伪距误差调控以及实时差分定位等过程出发，探究船舶定位运用GPS技术的关键，以达到对于船舶静态与动态更加快速而精准的定位目标。

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