北斗导航技术在船舶定位中的应用研究

北斗导航技术在船舶定位中的应用研究

陈德

广州中海电信有限公司 广东广州 510220

摘 要：北斗导航系统已广泛应用于航天、军事等多个领域，在促进各领域快速发展过程中发挥了一定作用。航海时，使用北斗导航系统进行位置定位，能获取精准的位置信息，能为驾驶员提供数据依据，让驾驶员能作出正确决策。基于此、本文对北斗导航系统在航海定位中的应用进行分析与探讨。

关键词：北斗导航系统；航海定位；应用

引 言

随着我国海洋资源的开发、海洋贸易的繁荣和海军的发展,在海洋中我国渔船、货轮、军舰的数量越来越多,航行的时间越来越长,船舶的搁浅,海盗的骚扰,台风的侵袭,外军的侵犯等海上意外情况时有出现。如何保障船舶在海上航行中的安全、可控成为当前面临的一个突出问题。北斗导航系统是我国正在实施的自主研发、独立运作的与世界其他卫星导航系统可兼容共用的全球卫星导航系统,也是我国最关键的国家基础设施之一。目前我国船舶在海上航行中的定位导航主要依赖美国的GPS,考虑到安全、经济、可靠等因素,北斗导航系统取代GPS或双模导航在我国将成为主流。

1. 北斗导航技术的概述

1.1 北斗导航系统简介

北斗导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成,空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星,地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站,用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。自北斗一号试运营以来,北斗导航系统已在越来越多的领域得到了应用。

1.2北斗导航系统功能及指标

定位导航:北斗导航系统可以为用户提供高精度、全天候的快速实时定位服务,为服务区域内的所有用户确定地理位置,同时也可以为用户提供导航服务。免费的开放服务水平精度100米,设立标校站之后为20米,收费的授权服务在亚太地区借助与类似于广域增强系统的广域差分技术,根据授权用户的不同等级,提供更高的定位精度,最高为1米。

工作频率:中心站至卫星,C波段,上行6GHz,下行4GHz;用户机至卫星,上行为L波段,1610～1626.5MHz,下行为S波段2483.5～2500MHz。速度测量:0.2米/秒的测速服务。精密授时:北斗导航系统同时具有双向和单向两种授时功能,根据不同的精度要求,北斗导航系统定时传送最新的授时信息给客户端,完成北斗导航系统与用户之间的时间和频率同步,供客户修正与北斗导航系统间时间误差,可向用户提供10ns-100ns时间同步精度。

短报文通信:短报文通信是北斗导航系统的一个独有的功能,是一种有效的应急通信手段,该功能是指卫星定位终端、北斗卫星和北斗地面服务站之间可以直接进行双向信息传输,不依赖于通信网络。汶川地震时,北斗导航系统是震区与外界联系的唯一通信方式。民用用户可以一次传送36个汉字的短报文信息,军用用户可以达到一次传送120个汉字的信息。

2. 北斗导航技术在船舶定位的应用

2.1北斗船舶定位系统船载装置

（1）船载装置的作用

船载装置的作用主要是接收和发出指令，当船舶有定位需求时，向岸基地面控制中心发出请求定位申请信号，并通过船载北斗定位系统中的定位模块获取船舶的位置数据。如果岸基地面控制中心要获取船舶位置时，船载装置接收由北斗导航卫星中装的地面控制中心的定位申请信号，并利用北斗导航系统中的特有的短报文通信功能将船舶动态数据打包封装，再通过短报文数据返回斗导航卫星中装的地面控制中心。

（2）船载装置的组成

船载装置采用模块化设计方式，其内部组成主要有五个部分，分别是系统中央数据运行模块、北斗定位模块、北斗天线模块、位置信息数据采集以及电源模块。

北斗天线模块又含有三个子模块分别是天线、射频模块、基带模块完成北斗信号的捕获、跟踪、解调、译码、伪距与伪距率参数测量过程。其工作原理是天线接收北斗卫星信号，并将接收的原始数据传输给射频模块，通过射频模块将原始信号数据进行低噪放处理，并进一步变频处理，降低信号的载波频率，而基带模块将变频后的信号中北斗卫星的信号从众多的信号中提取出来即信号的捕获过程，再持续输出北斗卫星信号即跟踪过程，在此基础上将信号解调成基带信号即解调过程，接着完成译码过程，并将北斗卫星传输过程中误差进行伪距与伪距率参数测量。最终将处理后的信号交由中央处理模块进行处理。

中央数据运行模块。中央数据运行模块一方面协调其他几个模块之间的工作，同时也要将其他模块获取的定位原始数据，进行运算分析，把不同数据通信格式转换为体统默认的格式、并将转换后的数据存储在相应的存储器内，并进一步将处理后的数据显示在系统图像输出装置上，并监测卫星通信、传感器工作状态，确认供电状态的有效值，同时将天线传输的帧数据中提取信号发送时间、本地接收时间、导航电文等定位解算需要用到的数据，并把它们存入全局变量，供解算模块使用，经过数据类型判别，并按照系统默认协议格式进行封装，后传送给系统中北斗定位模块。并将系统中北斗定位模块计算处理后的数据回传给天线模块发出相应的动作指令。

北斗定位模块。该模块是将船舶实时航行速度、航行方向等原始数据参数，经由系统数据接口传输给中央数据运行单元，并接收中央数据运行单元的申请指令，将位置信息和一些航行数据通过系统的接口，按照特定的通信协议转换后发送给中央数据运行模块，船舶位置信息包含船舶实时的自测经纬度以及请求定位时间等。数据采集模块。数据采集模块的工作内容是收集提取船舶上传感器发出的实时数据，并将这些原始数据都将通过系统接口传输给中央数据运行单元，将船舶的机舱内传感器采集船舶各部件运行数据进行采集然后发送给中央数据运行单元。

2.2北斗电子海图信息控制系统

北斗电子海图信息控制系统也就是北斗导航技术在船舶定位应用的软件系统，其中包括控制软件和电子海图信息库两部分。

（1）系统控制软件

在北斗导航船舶定位系统中，船舶操控人员要实时的获得自己的位置、速度、时间等信息，在船舶定位系统中嵌入操作系统，操作系统控制船载装置的天线连续实时接收北斗导航卫星信息，在装置的显示器上显示在船舶上方北斗导航卫星的数目，在地球轨道的位置及该卫星目前所处的方位角，并在系统的卫星图像上显示和实时运行变化情况，并不断计算出船舶定位系统天线和船舶数据采集模块采集的数据如航海速度、方向等信息进行汇集并进行综合计算，然后根据北斗电子海图信息库图形进行叠加，将船舶当前的位置及航速、方向等显示在电子海图上，为船舶的控制人提供数据参考

2. 电子海图信息库

在北斗导航船舶定位系统中，电子海图界面是十分重要的，因为在定位系统中海图界面可以直接显示船舶当前所处的位置，这种图形界面可以直观的对系统进行操作。在电子海图的制作，目前多采用墨卡托投影法和麦卡托投影法，也可以利用现有的电子海图，通过数据的中北斗卫星的位置信息进行转换，具备电子海图的系统控制界面，可以极大的帮助船舶的操控者随时监控航海的线路，同时可以针对船舶在近岸航行还是在远岸航行时该海域的暗礁和浅滩等障碍物进行标注，以避免事故的发生。

3. 结束语

综上所述，北斗导航技术在全球范围导航和定位中，能够适用在各领域当中，特别是在航海领域中的使用能够极大的提高船舶航行的安全性。北斗导航系统是我国自主开发的定位和导航技术，该技术不仅促进我国航空航天事业的发展，还提升我国在国际中的影响力，随着我国针对北斗导航导航定位系统的完善，其在航海领域中能够全面实现定位导航，这将促进我国航海事业的发展。

参考文献

1. 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)

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3. 北斗导航及GPS技术在航海定位中的应用[J].陈红齐,吴益新.设备管理与维修.2019(12)

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