北斗导航及GPS技术在航海定位中的应用探讨

王汉宸

广东南油服务有限公司 510030

摘要：北斗卫星导航系统是我国自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，它与美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO一起成为现阶段联合国卫星导航委员会认定的供应商。北斗卫星导航系统可以实现全球范围内的定位与导航，在一些行业中已经有了较为广泛的运用，航海领域便是典型应用之一。本文就针对北斗导航及GPS技术在航海定位中的应用进行分析，并对两种卫星导航系统做出对比。

关键词：北斗导航；GPS；航海定位；应用；对比

引言

随着时代的进步以及科学技术水平的提高，卫星导航技术发展迅速，并在诸多领域取得了广泛应用。GPS定位系统起始于20世纪50年代的美国，是全球第一个投入使用的卫星导航系统，由于起步早、研究深，GPS定位系统在很长一段时间内处于垄断地位，即使到了现在依旧有很高的市场份额。北斗导航系统是我国自主研发的卫星导航系统，于20世纪中期提供全球服务，它的出现打破了西方国家在卫星导航领域的垄断。虽然北斗导航出现时间较晚，但在功能方面已经相当齐备，不仅如此，北斗导航具备了一些特色功能，融入了自主定位、短信息传输等设计理念。航海定位是卫星导航系统的典型应用，本文将对北斗导航与GPS技术在航海定位中的应用情况进行对比与分析。

1. 北斗导航以及GPS定位技术的介绍

北斗卫星导航系统与GPS卫星导航系统都是基于卫星定位技术开发的系统，结构组成基本一致，包括空面段、地面段与用户段，空面段指的是空间卫星网络系统，地面段指的是地面监控设备、用户段指的是用户终端。在其中，地面监控设备又由主控站、地面天线与监测站等共同构成，其主要任务是负责对地面监控设备的控制与协调，以确保能够正常运行，发挥应有的功能。它会将采集到的指令信息进行分组，并向空中的卫星系统进行传输，同时它还可以对卫星的运行状态进行有效监测；空中卫星系统的主要作用是接收采集信号，并转发传输至用户终端；用户终端在接收到信号信息之后，会进行解析定位，同时它还能够对分布在地面上的卫星发送信号进行监测。

2. 北斗导航卫星系统能为船只提供定位服务
   1. 北斗导航与雷达的配合

雷达跟踪目标与AIS系统所报告的目标具有一定的关联性，具体表现为雷达传感器与AIS传感器所探测到的目标定位、航速、航向等相关参数与信息，都可以通过雷达系统进行归纳与分析，并依据分析结果做出合理的优化与调控，再结合船舶驾驶员的相关要求进行动态信息输出。基于这一点，应用于航海定位中的雷达系统与AIS系统必须具备很高的精度，否则如果出现误差较大的情况，不仅会使目标位置无法精准显示，进一步影响到船舶的航线与航速，更为严重者甚至会出现便船舶失联的情况。而北斗卫星导航系统具备很高的精度，将它与雷达系统进行有机的配合，可以有效提升船只定位的质量。

2.2电子海图信息系统

电子海图信息系统对于船舶的定位传感器精度有着很高的要求，而且还必须具备足够的实时性，只有这样才能保证船舶在各种现实环境之下位置信息的实时显示，船舶驾驶员便可以根据实时显示的信息控制船舶运行以及对周边环境进行观察，以避免暗礁与浅滩等障碍物对船舶航行造成不良影响。将北斗导航卫星系统融入电子海图信息系统之中，满足了高精度的要求，为船舶的精准定位与航行安全性做出有效保障。除此之外，它还可以对船只的运行状况进行监测，提供详细的参数信息，大大提高了船舶航行的安全性。

3. GPS导航系统原理分析

GPS导航系统的运行原理需要通过三个主要部分配合完成，分别为1个主要控制台、4个地表天线站以及6个监控系统。用户终端是GPS导航系统的重要组成部分，它包含了一个接收机，主要用于对GPS卫星所发送的数据进行接收。用户终端中的接收机可以遵循固定的卫星角度来获取需要测量的卫星，并对已被捕获的卫星数据进行有效跟踪。然后在此基础之上通过对卫星与用户终端之间距离变化的计算，得到星历数据、导航报文等。除此之外，借助一些其它技术它还可以获取用户设备的经纬度、速率、时间等参数信息。现阶段，GPS导航系统历经长时间发展之后已经拥有较多的种类，但其实现原理大致相同，即将被测卫星看作中心点，当确定卫星准确位置坐标之后，在后方交汇空间距离，由此可以进行数学建模与位置分析，以实现其定位功能。

4. 北斗导航系统原理分析

北斗导航系统定位功能的实现可以分为有源定位与无源定位。有源定位即使用有源时间测距进行定位，原理如下：用户终端通过导航卫星向地面控制中心发送定位申请，地面控制中心接收到申请后发送测距信号，通过信号的传输时间可以获得终端与两颗卫星之间的距离，再结合数据库中的地球表面各点至地球球心的距离信息，计算出用户终端的位置。无源定位即运用无源时间测距技术，在这一技术的应用下，用户终端会接收到不少于4颗卫星发出的信号，然后根据时间信息便可以得到距离信息，再借助数据库地球表面至球心的距离信息，用户终端会对空间位置进行自动计算。

5. 北斗导航以及GPS技术在航海定位中的对比分析

对北斗导航与GPS技术在航海定位中的精度进行了试验对比分析试验方法如下：借助船舶搭载的AIS系统对被测船舶、周围船舶、海岸基站的相关参数信息进行获取与收集，然后将这些信息分别传输至北斗导航系统与GPS导航系统的卫星中，然后再由卫星将相关信息向控制中心进行传输，控制中心通过这些信息实现对船舶的定位与监控。试验所得到的结果见表1与表2：

表1：北斗导航系统船舶定位精度

测试类型	B1伪距	B2伪距	B1相位	B2相位
B1伪距	0.324	-0.084	0.125	0.149
B2伪距	0.254	0.387	-0.148	-0.059
B1相位	0	0	0	0.361
B2相位	0	0	0	4.58

表2：GPS导航系统船舶定位精度

测试类型	C1	P2	L1	L2
C1	0.347	-0.024	0.047	0.005
P2	0	0.368	-0.123	-0.079
L1	0	0	3.9	0.358
L2	0	0	0	2.56

除此之外，还对卫星高度角对船舶定位精准度的影响进行了试验，通过不间断的10组样本历元分组数据，分别计算出两个导航系统的观察准确性结果，从准确度结果减去不精确结果，进而得到每个样本中高度角上面相匹配的多个精确估计值，最后再将结果相加除以总数得到平均值，此平均值便是高度角的观察准确度。

6. 结论

①一般环境下，在观察准确度与相位准确性方面，北斗导航系统与GPS导航系统表现相当。

  ②当高度角相对较小时，北斗导航系统的定位准确性要优于GPS导航系统；但在每个历元接收信号的能力方便，GPS导航系统优势更大，这也意味着它的稳定性更强。

参考文献：

[1]北斗导航与GPS定位技术在航海定位中的对比分析[J]. 陈伦杰.科技传播,2016(19)

[2]北斗卫星导航系统在航海保障行业的相关思考[J]. 温莉.电子世界,2019(17)

[3]北斗卫星导航定位技术写入移动通信国际标准——访中国通信标准化协会副秘书长武冰梅[J]. 赵子军.中国标准化,2020(09)