北斗導航技術在船舶定位中的應用研究

1、北斗導航技術在船舶定位中的應用研究摘要：北斗導航系統(tǒng)已廣泛應用于航天、軍事等多個領域，在促進各領域快速發(fā)展過程中發(fā)揮了一定作用。航海時，使用北斗導航系統(tǒng)進行位置定位，能獲取精準的位置信息，能為駕駛員提供數(shù)據(jù)依據(jù)，讓駕駛員能作出正確決策?；诖恕⒈疚膶Ρ倍穼Ш较到y(tǒng)在航海定位中的應用進行分析與探討。關鍵詞：北斗導航系統(tǒng)；航海定位；應用引 言隨著我國海洋資源的開發(fā)、海洋貿(mào)易的繁榮和海軍的發(fā)展,在海洋中我國漁船、貨輪、軍艦的數(shù)量越來越多,航行的時間越來越長,船舶的擱淺,海盜的騷擾,臺風的侵襲,外軍的侵犯等海上意外情況時有出現(xiàn)。如何保障船舶在海上航行中的安全、可控成為當前面臨的一個突出問題。北斗導航系統(tǒng)

2、是我國正在實施的自主研發(fā)、獨立運作的與世界其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)可兼容共用的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng),也是我國最關鍵的國家基礎設施之一。目前我國船舶在海上航行中的定位導航主要依賴美國的GPS,考慮到安全、經(jīng)濟、可靠等因素,北斗導航系統(tǒng)取代GPS或雙模導航在我國將成為主流。1.北斗導航技術的概述1.1 北斗導航系統(tǒng)簡介北斗導航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成,空間段包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星,地面段包括主控站、注入站和監(jiān)測站等若干個地面站,用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)兼容的終端。自北斗一號試運營以來,北斗導航系統(tǒng)已在越來越多的領域得到了應用。1.2北斗導航系統(tǒng)功能及指標定

3、位導航:北斗導航系統(tǒng)可以為用戶提供高精度、全天候的快速實時定位服務,為服務區(qū)域內(nèi)的所有用戶確定地理位置,同時也可以為用戶提供導航服務。免費的開放服務水平精度100米,設立標校站之后為20米,收費的授權服務在亞太地區(qū)借助與類似于廣域增強系統(tǒng)的廣域差分技術,根據(jù)授權用戶的不同等級,提供更高的定位精度,最高為1米。工作頻率:中心站至衛(wèi)星,C波段,上行6GHz,下行4GHz;用戶機至衛(wèi)星,上行為L波段,16101626.5MHz,下行為S波段2483.52500MHz。速度測量:0.2米/秒的測速服務。精密授時:北斗導航系統(tǒng)同時具有雙向和單向兩種授時功能,根據(jù)不同的精度要求,北斗導航系統(tǒng)定時傳送最新的

4、授時信息給客戶端,完成北斗導航系統(tǒng)與用戶之間的時間和頻率同步,供客戶修正與北斗導航系統(tǒng)間時間誤差,可向用戶提供10ns-100ns時間同步精度。短報文通信:短報文通信是北斗導航系統(tǒng)的一個獨有的功能,是一種有效的應急通信手段,該功能是指衛(wèi)星定位終端、北斗衛(wèi)星和北斗地面服務站之間可以直接進行雙向信息傳輸,不依賴于通信網(wǎng)絡。汶川地震時,北斗導航系統(tǒng)是震區(qū)與外界聯(lián)系的唯一通信方式。民用用戶可以一次傳送36個漢字的短報文信息,軍用用戶可以達到一次傳送120個漢字的信息。2.北斗導航技術在船舶定位的應用2.1北斗船舶定位系統(tǒng)船載裝置（1）船載裝置的作用船載裝置的作用主要是接收和發(fā)出指令，當船舶有定位需求時

5、，向岸基地面控制中心發(fā)出請求定位申請信號，并通過船載北斗定位系統(tǒng)中的定位模塊獲取船舶的位置數(shù)據(jù)。如果岸基地面控制中心要獲取船舶位置時，船載裝置接收由北斗導航衛(wèi)星中裝的地面控制中心的定位申請信號，并利用北斗導航系統(tǒng)中的特有的短報文通信功能將船舶動態(tài)數(shù)據(jù)打包封裝，再通過短報文數(shù)據(jù)返回斗導航衛(wèi)星中裝的地面控制中心。（2）船載裝置的組成船載裝置采用模塊化設計方式，其內(nèi)部組成主要有五個部分，分別是系統(tǒng)中央數(shù)據(jù)運行模塊、北斗定位模塊、北斗天線模塊、位置信息數(shù)據(jù)采集以及電源模塊。北斗天線模塊又含有三個子模塊分別是天線、射頻模塊、基帶模塊完成北斗信號的捕獲、跟蹤、解調(diào)、譯碼、偽距與偽距率參數(shù)測量過程。其工作原

6、理是天線接收北斗衛(wèi)星信號，并將接收的原始數(shù)據(jù)傳輸給射頻模塊，通過射頻模塊將原始信號數(shù)據(jù)進行低噪放處理，并進一步變頻處理，降低信號的載波頻率，而基帶模塊將變頻后的信號中北斗衛(wèi)星的信號從眾多的信號中提取出來即信號的捕獲過程，再持續(xù)輸出北斗衛(wèi)星信號即跟蹤過程，在此基礎上將信號解調(diào)成基帶信號即解調(diào)過程，接著完成譯碼過程，并將北斗衛(wèi)星傳輸過程中誤差進行偽距與偽距率參數(shù)測量。最終將處理后的信號交由中央處理模塊進行處理。中央數(shù)據(jù)運行模塊。中央數(shù)據(jù)運行模塊一方面協(xié)調(diào)其他幾個模塊之間的工作，同時也要將其他模塊獲取的定位原始數(shù)據(jù)，進行運算分析，把不同數(shù)據(jù)通信格式轉換為體統(tǒng)默認的格式、并將轉換后的數(shù)據(jù)存儲在相應的存

7、儲器內(nèi)，并進一步將處理后的數(shù)據(jù)顯示在系統(tǒng)圖像輸出裝置上，并監(jiān)測衛(wèi)星通信、傳感器工作狀態(tài)，確認供電狀態(tài)的有效值，同時將天線傳輸?shù)膸瑪?shù)據(jù)中提取信號發(fā)送時間、本地接收時間、導航電文等定位解算需要用到的數(shù)據(jù)，并把它們存入全局變量，供解算模塊使用，經(jīng)過數(shù)據(jù)類型判別，并按照系統(tǒng)默認協(xié)議格式進行封裝，后傳送給系統(tǒng)中北斗定位模塊。并將系統(tǒng)中北斗定位模塊計算處理后的數(shù)據(jù)回傳給天線模塊發(fā)出相應的動作指令。北斗定位模塊。該模塊是將船舶實時航行速度、航行方向等原始數(shù)據(jù)參數(shù)，經(jīng)由系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口傳輸給中央數(shù)據(jù)運行單元，并接收中央數(shù)據(jù)運行單元的申請指令，將位置信息和一些航行數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)的接口，按照特定的通信協(xié)議轉換后發(fā)送給中

8、央數(shù)據(jù)運行模塊，船舶位置信息包含船舶實時的自測經(jīng)緯度以及請求定位時間等。數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊的工作內(nèi)容是收集提取船舶上傳感器發(fā)出的實時數(shù)據(jù)，并將這些原始數(shù)據(jù)都將通過系統(tǒng)接口傳輸給中央數(shù)據(jù)運行單元，將船舶的機艙內(nèi)傳感器采集船舶各部件運行數(shù)據(jù)進行采集然后發(fā)送給中央數(shù)據(jù)運行單元。2.2北斗電子海圖信息控制系統(tǒng)北斗電子海圖信息控制系統(tǒng)也就是北斗導航技術在船舶定位應用的軟件系統(tǒng)，其中包括控制軟件和電子海圖信息庫兩部分。（1）系統(tǒng)控制軟件在北斗導航船舶定位系統(tǒng)中，船舶操控人員要實時的獲得自己的位置、速度、時間等信息，在船舶定位系統(tǒng)中嵌入操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)控制船載裝置的天線連續(xù)實時接收北斗導航衛(wèi)星信息

9、，在裝置的顯示器上顯示在船舶上方北斗導航衛(wèi)星的數(shù)目，在地球軌道的位置及該衛(wèi)星目前所處的方位角，并在系統(tǒng)的衛(wèi)星圖像上顯示和實時運行變化情況，并不斷計算出船舶定位系統(tǒng)天線和船舶數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)如航海速度、方向等信息進行匯集并進行綜合計算，然后根據(jù)北斗電子海圖信息庫圖形進行疊加，將船舶當前的位置及航速、方向等顯示在電子海圖上，為船舶的控制人提供數(shù)據(jù)參考2.電子海圖信息庫在北斗導航船舶定位系統(tǒng)中，電子海圖界面是十分重要的，因為在定位系統(tǒng)中海圖界面可以直接顯示船舶當前所處的位置，這種圖形界面可以直觀的對系統(tǒng)進行操作。在電子海圖的制作，目前多采用墨卡托投影法和麥卡托投影法，也可以利用現(xiàn)有的電子海圖，通過數(shù)據(jù)的中北斗衛(wèi)星的位置信息進行轉換，具備電子海圖的系統(tǒng)控制界面，可以極大的幫助船舶的操控者隨時監(jiān)控航海的線路，同時可以針對船舶在近岸航行還是在遠岸航行時該海域的暗礁和淺灘等障礙物進行標注，以避免事故的發(fā)生。3.結束語綜上所述，北斗導航技術在全球范圍導航和定位