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【關(guān)鍵詞】GPS技術(shù),船舶定位,應(yīng)用

1引言

二十一世紀(jì)是海洋世紀(jì)，繼十八大之后黨的十九大報(bào)告再一次指出，“堅(jiān)持陸海統(tǒng)籌，加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”，其是對(duì)創(chuàng)建海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略所提出的更加高的需求。作為全球主要的海運(yùn)大國(guó)，打造海運(yùn)強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略是全面貫徹海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略必不可少的部分，同時(shí)還是加速“一帶一路”戰(zhàn)略發(fā)展的重要途徑，更加是提升國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的要求?！蛾P(guān)于促進(jìn)海運(yùn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見(jiàn)》的出臺(tái)，更加是對(duì)我們國(guó)家航運(yùn)業(yè)的不斷發(fā)展實(shí)施充分系統(tǒng)地安排，其對(duì)于我國(guó)加速創(chuàng)建海運(yùn)強(qiáng)國(guó)與海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，有著非常重要的意義。針對(duì)我國(guó)的航運(yùn)業(yè)來(lái)說(shuō)，日益繁瑣的自然條件與海上環(huán)境，及船舶現(xiàn)代化、信息化的不斷發(fā)展，促使船舶的管理人員充分認(rèn)識(shí)到獲取船舶及時(shí)性位置信息與把握船舶行駛信息的重要意義。為了降低船舶海損事故的出現(xiàn)，加強(qiáng)船舶監(jiān)控管理能力，并且為了能夠更加好的對(duì)海上運(yùn)輸實(shí)施監(jiān)管、加強(qiáng)遇險(xiǎn)救助能力，運(yùn)用GPS技術(shù)創(chuàng)建起有效的水上交通管理體系。

2 GPS技術(shù)概述

衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)GPS(GlobalPositioningSystem)通過(guò)接收GPS衛(wèi)星信號(hào)以達(dá)到定位、導(dǎo)航以及授時(shí)的一種技術(shù)，具備在陸、海、空實(shí)施全方位及時(shí)三維定位和導(dǎo)航的功能，所以GPS技術(shù)由根本層面處理了人們?cè)诙ㄎ慌c導(dǎo)航上遇到的問(wèn)題，其在定位、導(dǎo)航工程領(lǐng)域中發(fā)揮著不可取代的作用，同時(shí)能夠帶來(lái)較好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)收益。

GPS系統(tǒng)主要由以下三個(gè)部分組成：第一，空間星座部分—GPS衛(wèi)星星座；第二，地面監(jiān)管部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)；第三，終端接收部分——信號(hào)接收機(jī)。

3 GPS船舶定位監(jiān)控系統(tǒng)

  (1)GPS船舶定位監(jiān)控系統(tǒng)

伴隨無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與GPS技術(shù)的快速發(fā)展，移動(dòng)定位監(jiān)控技術(shù)同樣獲得了較大的發(fā)展。GPS船舶定位監(jiān)控系統(tǒng)集移動(dòng)通信技術(shù)、GPS技術(shù)、計(jì)算機(jī)管理技術(shù)以及GIS技術(shù)于一體創(chuàng)建起了船舶動(dòng)態(tài)化管理系統(tǒng)，能夠達(dá)到大范圍、全天化、多船只的及時(shí)化、動(dòng)態(tài)化調(diào)度、定位、監(jiān)管，改善船舶航行管理，提升應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的能力，加強(qiáng)船舶航行的安全度與運(yùn)行效率。GPS船舶定位監(jiān)控系統(tǒng)建立相對(duì)簡(jiǎn)單、并不需要申請(qǐng)專門的頻點(diǎn)，并不需要建造基站，定位監(jiān)控系統(tǒng)能夠監(jiān)管所有加裝了船載單元的移動(dòng)船只，通訊方式的達(dá)到就像是購(gòu)買與運(yùn)用手機(jī)那么便利。

以GPS為基礎(chǔ)的船舶定位監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)用終端接收裝置經(jīng)過(guò)GPS模塊收集數(shù)據(jù)信號(hào)，中央處理單元針對(duì)定位信號(hào)實(shí)施處理獲得相應(yīng)的位置信息，接著由通信模塊把信息傳遞到監(jiān)控服務(wù)器。中央處理單元同樣能夠經(jīng)過(guò)通信模塊接受源自監(jiān)控中心所發(fā)出的指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其它功能。其功能大致涵蓋：緊急報(bào)警功能、監(jiān)控功能以及行駛記錄等相關(guān)功能。監(jiān)控中心硬件大都是由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器以及監(jiān)管應(yīng)用服務(wù)器等所構(gòu)成。其軟件部分大都是由應(yīng)用程序模塊、GIS模塊以及通信模塊等所組成。監(jiān)控中心的功能涵蓋：傳播查詢功能、定位功能、指揮調(diào)度、預(yù)警功能、緊急救援功能以及到港預(yù)報(bào)等其它功能。

  (2)系統(tǒng)特點(diǎn)

1. 定位精準(zhǔn)程度高。GPS船舶定位系統(tǒng)運(yùn)用單GPS模塊的形式，其定位精準(zhǔn)度往往在15米內(nèi)。為了達(dá)到一些其它用戶較高精度定位的要求，便能夠運(yùn)用差分GPS的形式，按照差分GPS基準(zhǔn)站傳遞信息形式的不同能夠?qū)⒉罘諫PS定位劃分成以下三種：相位差分、位置差分以及偽距差分。以上三種差分方式的運(yùn)行機(jī)理是完全一樣的，均是由基準(zhǔn)站傳遞優(yōu)化值，由用戶接受同時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果實(shí)施改正，以得到精準(zhǔn)的定位結(jié)果。其區(qū)別在于傳遞修正值的主要內(nèi)容不相同，其差分精準(zhǔn)度也不一樣。其間偽距差分便是把移動(dòng)臺(tái)的GPS數(shù)據(jù)與差分基準(zhǔn)站的GPS數(shù)據(jù)共同傳遞至中心實(shí)施二次差分以抵消公共誤差，以提升定位精準(zhǔn)度。

2. 覆蓋范圍廣。在有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的地方，GPS船舶定位系統(tǒng)便能夠發(fā)揮作用，進(jìn)而能夠跨省又或是全國(guó)范圍內(nèi)的監(jiān)控。運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與衛(wèi)星通信技術(shù)，能夠達(dá)到船舶監(jiān)管部門和船舶之間長(zhǎng)途距離的信息交流，拓寬海事機(jī)構(gòu)對(duì)于海上船舶的監(jiān)管范疇，加強(qiáng)船舶監(jiān)控管理的水平與船舶安全行駛的能力。

3.信息容量大，交互更加方便。運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等等，創(chuàng)建起以同步定位衛(wèi)星通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)的船舶監(jiān)控管理體系，以達(dá)到船舶動(dòng)態(tài)、靜態(tài)信息資源的共同分享與船舶監(jiān)控組織和船舶間迅速、便利的信息溝通，進(jìn)而有助于增強(qiáng)船舶的監(jiān)管和指揮調(diào)控，促進(jìn)船舶運(yùn)行效益的提升。

4 GPS技術(shù)在船舶定位中的應(yīng)用

 4.1 GPS技術(shù)在船舶絕對(duì)定位中的應(yīng)用船舶絕對(duì)定位大都是通過(guò)GPS技術(shù)對(duì)于船舶在WGS-84坐標(biāo)系中的相應(yīng)位置實(shí)施精準(zhǔn)定位，需以4顆GPS衛(wèi)星為基石，此時(shí)的GPS測(cè)量才具備更高的準(zhǔn)確性。在實(shí)施船舶絕對(duì)定位的時(shí)候，僅通過(guò)GPS的接收設(shè)施便能夠單獨(dú)完成，與其它方式對(duì)比來(lái)看，GPS技術(shù)在船舶絕對(duì)定位過(guò)程中的應(yīng)用具備便于處理、組織方便以及操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。然而其同樣有著星歷誤差、信號(hào)延遲等層面的影響，從而導(dǎo)致GPS技術(shù)運(yùn)用的誤差，對(duì)船舶絕對(duì)定位的準(zhǔn)確性造成影響。

 4.2 GPS技術(shù)在船舶動(dòng)態(tài)定位中的應(yīng)用經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)定位能夠及時(shí)掌握船舶運(yùn)行的方向、速度以及所處位置等，是船舶選取行駛路線，指引船舶的重要基礎(chǔ)。因?yàn)閯?dòng)態(tài)定位過(guò)程船舶一直處在運(yùn)動(dòng)狀況，角度、速度的不一樣均會(huì)對(duì)GPS技術(shù)的運(yùn)用造成極大的影響，若不調(diào)節(jié)GPS技術(shù)在船舶動(dòng)態(tài)定位中存在的誤差，極易導(dǎo)致誤差累積，從而影響無(wú)法充分把握船舶準(zhǔn)確的方位與行駛速度，從而喪失了航線改善的可能性，不僅會(huì)對(duì)船舶航運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生影響，同時(shí)還會(huì)發(fā)生安全隱患。

 4.3 船舶航行GPS定位數(shù)據(jù)處理

（1）空間位置的坐標(biāo)表示

對(duì)于空間位置的描繪需在某個(gè)相應(yīng)的系統(tǒng)下運(yùn)用固定的形式來(lái)完成，此系統(tǒng)便是坐標(biāo)參照系，然而描繪位置的形式便是由坐標(biāo)系所明確的。最為常見(jiàn)的坐標(biāo)參照系包含參心系與地心系，其和地球的物理與幾何特征有著非常密切的聯(lián)系。最為常見(jiàn)的坐標(biāo)系有：大地坐標(biāo)系、空間直角坐標(biāo)系以及平面直角系等等。

（2）GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程

在系統(tǒng)具體運(yùn)用環(huán)節(jié)，運(yùn)用GPS定位的終極目標(biāo)便是經(jīng)過(guò)載入GPS定位的信息，及時(shí)、精準(zhǔn)地在電子地圖中體現(xiàn)出目標(biāo)點(diǎn)所處的位置信息。載入GPS定位信息其實(shí)就是對(duì)定位信息實(shí)施坐標(biāo)轉(zhuǎn)換于投影，以使得其能夠和電子海圖存在于同一個(gè)坐標(biāo)系里面，以實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)相互匹配的目標(biāo)。

1. 基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換

   在工程運(yùn)用環(huán)節(jié)采取GPS系統(tǒng)所收集的數(shù)據(jù)為WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，其便需實(shí)施基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，將所收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鱾€(gè)國(guó)家又或是區(qū)域運(yùn)用的坐標(biāo)系統(tǒng)下?；鶞?zhǔn)轉(zhuǎn)換的方法非常之多，最為常見(jiàn)的便是莫洛金斯基模型與布爾沙-沃爾夫模型。

2. 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

   在相同的坐標(biāo)系統(tǒng)又或是基準(zhǔn)下，空間點(diǎn)的坐標(biāo)有著完全不一樣的展示方式，一類方式對(duì)應(yīng)著一種坐標(biāo)系。不一樣的坐標(biāo)系間，需要通過(guò)轉(zhuǎn)換之后，才可以獲得所需要的坐標(biāo)。

   5GPS定位誤差及解決措施

   因?yàn)樵馐芎叫协h(huán)境的影響，大多運(yùn)用絕對(duì)動(dòng)態(tài)定位的形式，此形式存在著非常大的誤差，需針對(duì)誤差實(shí)施減小，才可以精準(zhǔn)對(duì)船舶實(shí)施定位。在具體工作環(huán)節(jié)，GPS天線大多會(huì)安裝于船的上部，唯有的海況優(yōu)良的背景下，船和GPS天線的運(yùn)動(dòng)是保持一致的。如果海況偏差，GPS天線便會(huì)遭受船橫、縱搖的影響，定位數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)比較大的跳變。此時(shí)船舶的航向、航跡改變同樣是非常大的，無(wú)法真實(shí)體現(xiàn)航向與航跡。因此需要對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩ㄎ徽`差實(shí)施分析同時(shí)進(jìn)行修正。

3. 測(cè)偽距誤差測(cè)偽距誤差又被叫做等效測(cè)距誤差。與其它觀測(cè)值相同，在測(cè)偽距的時(shí)候，因?yàn)橛兄菤v誤差、衛(wèi)星時(shí)鐘誤差以及信號(hào)在傳遞環(huán)節(jié)因?yàn)閷?duì)流層延時(shí)、電離層延遲等造成的傳遞誤差與終端裝置的接收機(jī)通道間誤差、接收機(jī)噪聲所造成的接收機(jī)偏差等等。以上誤差的存在便會(huì)造成測(cè)偽距的偏差。民用C/A碼GPS的等效測(cè)距偏差在5～10mm之內(nèi)。接收機(jī)誤差便歸屬偶然性偏差，是人為操作不當(dāng)所造成的，所以在測(cè)量的時(shí)候需要確保接收機(jī)穩(wěn)定工作。因?yàn)榻邮諜C(jī)各式各樣，其定位的精準(zhǔn)度并不相同。普通船舶所運(yùn)用的大都是導(dǎo)航型接收機(jī)，此類接收機(jī)大多應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)物體的導(dǎo)航，其能夠及時(shí)提供物體的具體位置與行駛速率。在抵達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，期能夠指引載體抵達(dá)設(shè)定的目標(biāo)。此類接收機(jī)均是運(yùn)用C/A碼偽距測(cè)量，單點(diǎn)即時(shí)定位，定位的精準(zhǔn)度為25m，此種接收機(jī)的價(jià)格低廉，有大量的運(yùn)用。此類接收機(jī)在船舶導(dǎo)航定位中的運(yùn)用，同時(shí)與海圖搭配應(yīng)用。然而測(cè)地型接收機(jī)是一種應(yīng)用于精密測(cè)量工作的接收機(jī)。此類儀器大都運(yùn)用載波相位觀測(cè)值實(shí)施定位，定位精準(zhǔn)程度高。儀器價(jià)格繁瑣，價(jià)格比較昂貴，并不適合在船舶中運(yùn)用。

4. 衛(wèi)星在空間分布及正確的選星對(duì)定位精度產(chǎn)生影響的次要因素便是衛(wèi)星在空間布局與準(zhǔn)確的選星。GPS在定位的時(shí)候僅需選取其間的4顆衛(wèi)星。因此，在衛(wèi)星數(shù)量多于4顆的時(shí)候，便需進(jìn)行選星計(jì)算，以明確最好的衛(wèi)星組合。

   因?yàn)閭尉嗾`差是由大氣環(huán)境與衛(wèi)星所明確的，用戶無(wú)法對(duì)其直接進(jìn)行更改。然而幾何因子往往是由用終端接收裝置和衛(wèi)星相對(duì)位置所明確的。經(jīng)過(guò)科學(xué)的選取導(dǎo)航衛(wèi)星，減少幾何因子，能夠?qū)崿F(xiàn)降低誤差、提升精度的目標(biāo)。

(3）差分定位差分定位系統(tǒng)是由多用戶流動(dòng)站、基準(zhǔn)站以及數(shù)據(jù)鏈這三個(gè)不同的部分所構(gòu)成。在基準(zhǔn)站中收集各個(gè)可視衛(wèi)星里面的測(cè)距信息，涵蓋導(dǎo)航電文、偽距以及載波相位等等。

因?yàn)榛鶞?zhǔn)站的坐標(biāo)已經(jīng)知曉，便能夠計(jì)算出各星站間的實(shí)際幾何距離，進(jìn)而獲得觀測(cè)值的優(yōu)化數(shù)。然而精準(zhǔn)程度較高的RTK技術(shù)，傳遞給流動(dòng)站的并非是觀測(cè)值的優(yōu)化數(shù)，是基準(zhǔn)站最初的觀測(cè)值?；鶞?zhǔn)站需傳遞給流動(dòng)站的還涵蓋基準(zhǔn)站本身的部分信息，例如：基準(zhǔn)站的天線高與坐標(biāo)等等。按照在沿海部分區(qū)域的運(yùn)用，需要在沿海港口航道測(cè)量創(chuàng)建起相應(yīng)數(shù)目的差分基準(zhǔn)站，同時(shí)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)，對(duì)沿海港口航道測(cè)量船舶提供相關(guān)的定位數(shù)據(jù)。

5結(jié)論

綜上所述，船舶定位是船舶航行過(guò)程中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，需要在高效導(dǎo)航與精準(zhǔn)測(cè)量的基礎(chǔ)之上才可以保證船舶定位的精確性。GPS技術(shù)在船舶航行中的運(yùn)用，船舶往往會(huì)通過(guò)GPS技術(shù)來(lái)確保定位的精準(zhǔn)性與迅速性。因?yàn)镚PS技術(shù)自身遭受著工作原理、坐標(biāo)系以及實(shí)際狀況等因素的影響，產(chǎn)生GPS誤差進(jìn)而影響到船舶定位的精度。為了能夠更加準(zhǔn)確的進(jìn)行船舶定位，更加合理的運(yùn)用GPS技術(shù)，需要由精準(zhǔn)選星、測(cè)偽距誤差調(diào)控以及實(shí)時(shí)差分定位等過(guò)程出發(fā)，探究船舶定位運(yùn)用GPS技術(shù)的關(guān)鍵，以達(dá)到對(duì)于船舶靜態(tài)與動(dòng)態(tài)更加快速而精準(zhǔn)的定位目標(biāo)。