北斗导航与GPS定位技术在航海定位中的对比分析

马天明

（武汉理工大学航运学院，武汉 430070）

北斗导航与GPS定位技术在航海定位中的对比分析

马天明

（武汉理工大学航运学院，武汉 430070）

导航定位系统来自美国研发的GPS定位技术，它在许多领域中一直处于主导地位，如军事领域、商业领域和航海领域，等等。随着北斗导航系统的出现，这种垄断优势慢慢的被打破。北斗导航系统作为我国自主研发并独立发展的导航和定位技术，不仅加快了航天事业的发展，也大大地提高了我国在全球范围内的影响力。北斗导航技术可以进行全球范围内的定位和导航，能够应用于各种行业中，尤其是航海领域。船舶在海上航行，必须依赖于全球定位系统，因此，研究北斗导航与GPS定位技术在航海定位中的应用，并通过实验分析对比两者之间的定位准确性。

北斗导航；GPS定位技术；航海定位

卫星导航技术已经被广泛应用于各种领域中且增长速度还在进一步加快，如海陆交通运输导航、基础测绘、工程勘测、地震监测和气象探测，等等［1］。在全球范围内，共有3个全球导航系统在正常运作：第一个是美国研发的GPS卫星定位技术，它也是全球第一个投入使用的卫星导航系统［2］。由于从研发到现在已经有非常长的时间，所以，它的各项技术和指标是非常成熟的，系统的发展也比较稳定，它在全世界范围内的市场份额也是相当高的，处于第一的位置。第二个是俄罗斯研发的GLONASS卫星定位技术，在最开始投入使用时，由于具有非常短的工作时间，且用户需要较多的设备才能正常使用，因此，它的发展速度也受到了非常大的制约［3］。第三个是我国自主研发的北斗卫星导航系统，它的投入使用时间相对较晚，直到20世纪初期才开始在全球范围内提供服务［4］。虽然它的应用时间不长，但已经具备其他卫星导航系统的所有功能，如导航、定位和授时功能，还研发了一些具有自主特色的功能：拥有主动定位与短信息传输的设计理念，这样既可以大大增加北斗在定位上的多种应用功能，还可以扩展它在全世界范围内的影响力。还有一些卫星导航系统也已经投入使用，除了美国、俄罗斯和中国之外，欧洲目前已经组建了一个伽利略卫星定位技术，它具有多系统兼容、多功能的特性［5］。伽利略卫星导航系统除了一些基本功能，比如：导航、定位、授时等基本服务外的搜救（SAR）、扩展应用等［6］，还加入了许多新的功能。

导航技术是目前应用最普遍的一个技术门类，它可以指示一些交通工具和行人准确的到达目标地点。如果我们沿着导航系统给定的线路运行，就一定能到达目的地，这就是导航技术的一种应用价值［7］。在古代，人们使用最原始的航海定位仪器是罗盘或星历导航［8］，它的使用方法是利用天空中星座的位置随时间的变动而判定出来自己所处的位置。指南针是我国古代科学家最早发明的导航定位仪器。随着科学技术的进一步发展，英国人John Harrison在18世纪60年代发明了磁罗经，这种技术在当时被人们普遍应用在航海中。接下来的二百年里，人们经过大量的研究和探索，通过使用星历知识、指南针和航海表来进行导航和定位［9］。

20世纪之后，研究者们在航海过程中记录船运行速度的变化来推算自己所处的地理位置。二战期间，为了取得战争的胜利，使战斗机在作战过程中能够准确的找到目标，人们发明了一种双曲线无线电定位系统［10］。随着这种系统的不断发展和完善，它能很好的解决航海中船舶定位问题，一直发展到人们将卫星发射到天空，导航系统才逐渐进入一个不一样的时代。全球卫星定位系统可以给地球上任何地方航海中的船舶提供准确的地理位置以及方向。

1　北斗导航与GPS定位技术的研究与分析

卫星定位技术是由位于地球上的监控设备、空间卫星网络以及用户终端接收机设备组成，监控设备主要是由主控站、地面天线和监测站等组成，它的主要功能是控制、协调地面上监控设备的正常运作，将采集到的一些指令传输给空中的卫星系统，它还能监测卫星的状态以及采集的数据分组［11］。位于空中的卫星系统的职责是传输和转发采集的信号，而用户终端接收机的职责是监测分布在地面上卫星发送的信号、解析定位的报文，计算自身地理位置。

1.1北斗导航系统原理分析

北斗导航系统能够主动、有源的进行位置的精准定位，并且还拥有进行全双工传输数据的能力，这是该系统最大的特点和优势。由于北斗信号能够到达的区域是有限的，因此，它服务的范围也是有限的。它的整体构架是由两个部分构成：一个是位于与地球保持相对静止的两个卫星（一个的位置是800 e，另外一个的位置是1400 e），它的信号能够到达的区域仅限于中国以及周围的一小部分地区。定位的准确性大概在20 m附近，利用双向传输的QPSK调制解调机制（2492.75 MHz），能够承载的用户数量大约为530 000个/小时。图1所示为北斗导航系统的定位原理图。假设控制中心经过卫星1与用户进行一次数据传输的往返延时为t1，控制中心经过卫星2与用户进行一次数据传输的往返延时为t2，这两个数据传输延时是由图1中的控制中心系统来进行检测并计算出来的。由图1可知，中心控制系统与卫星1和卫星2相隔的距离分别为S1*和S2*，这时，通过控制中心传输数据的往返延时t1和t2就可以分别计算出图1中的S1和（S1+S2），最后结合两者的距离可以推断出S2的值。由以上分析可以得出，用户所处的地理位置就是在两个球面交汇的地方，即球心为卫星1、球的半径为S1以及球心为卫星2、球的半径为S2。此外，用户所处的地理位置还在一个椭球面上，而且这个椭球面与地球的表面是平行的，因此，这里会有2个地理位置坐标，而我国用户的具体地理位置是北半球的坐标。

北斗导航系统在通信过程中，与其定位的过程是相似的。首先由控制中心获得它们的传输要求之后，利用检测匹配到目的地的IP地址，然后将已经进行加密后的数据通过空中卫星系统，再传输到指定区域之内所有潜在的用户。潜在的用户利用接收、解密得到卫星传输的信息，如果不是潜在的用户，就算能够获得该信息，也不可以将此信息利用正确的解密机制来成功破密，就算得到该信息也是无用的信息。

图1　北斗导航系统的定位原理Fig.1 Positioning principle of Beidou navigation system

1.2GPS导航系统原理分析

图2所示为GPS定位系统原理图。它主要反映了其位于地表监控系统的工作原理，由3个部分组成，分别是：1个主要控制台（Master Control Station，简称MCS）、4个地表天线站（Ground Antenna）和6个监控系统（Monitor Station）。

图2　GPS定位系统原理图Fig.2 Schematic diagram of GPS positioning system

在GPS导航系统中，用户的设备是其主要的组成部分，它是整个系统数据的最终目的地。其中，有一个接收机，主要是用来接收来自GPS卫星所发送的数据来供用户使用。接收机能够遵循固定的卫星角度，来获取需要测量的卫星。根据获得的信息来跟踪已经捕获的卫星数据，并计算这些卫星与用户设备的距离变化，来获取其中的星历数据、导航报文等信息。最后，利用一些有针对性的算法，来获取用户设备的经纬度、速率以及时间等定位数据。

虽然现有GPS定位技术的方法有非常多的种类，但是归根结底是将需要测量的卫星看作是整个测量的中心点，在确定了卫星的准确位置坐标后（一般至少要4颗以上），后方交汇空间距离，这样，就可以进行数学建模并分析所在位置来进行定位。定位算法既可以按卫星的运动状态来划分（定动态定位或静态定位），还可以由不同参考物的选取情况来划分（相对定位《差分定位》和单点定位）。因此，定位算法一般采用的是伪距法，还可以采用载波相位测量、多普勒定位等方法［12］。

2　实验对比分析

利用实验测试了北斗和GPS导航系统在航海定位中精准度的对比。通过利用AIS船载自动识别系统来获取船舶在航行过程中的相关信息和周围船舶的信息以及海岸基站的信息，还可以将船舶的信息发送给岸上的终端系统。当AIS船载自动识别系统收集到信息之后，会将它传输到北斗或GPS卫星中，再由卫星发送到控制中心。在收到来自卫星的信息后，控制中心利用AIS的解码、多基站的信息融合处理后送到数据库，监控系统从数据库中读取船舶的相关信息，并显示到电子屏幕上，达到对船舶的定位以及动态监控。

表1和表2为两个系统船舶定位的精准度对比。获取船舶的数据信息时间间隔是2s，基线的间隔长度是482m，北斗导航测试的数据类型是B1和B2速率的伪距与检测到的相位大小，而GPS定位系统测试的数据类型是C1、P2、L1以及L2，截至的高度角是15°。由两个表中的数据可以看出，北斗导航定位的观察准确度是0.32～0.43 m，相位准确性是4.1～5.1 mm。这两个指标的值与GPS几乎在相等的位置。

表1　北斗导航系统的船舶定位精准度Tab.1 Shipping positioning accuracy of Beidou navigation system

表2　GPS导航系统的船舶定位精准度Tab.2　Shipping positioning accuracy of GPS navigation system

在航海中对船舶的定位过程中，我们还测试了卫星的高度角对船舶定位精准度的影响。利用不间断的10组样本历元的分组数据，通过一定的计算方式得出北斗导航和GPS定位系统的观察准确度结果，再减去出现不精确结果后，得到的就是每个样本中高度角上面相匹配的多个精确的估计值。最后将所有获得的结果相加再除以总数，得到的各个平均值就是相对应的高度角的观察准确度。图3中的结果表明了在北斗导航系统中，根据两个基准线测量所得到的高度角和船舶定位精准度的关系图。图4中的结果表明了在GPS定位系统中，根据两个基准线测量所得到的高度角和观察准确度的关系图。

图3　北斗导航系统中船舶定位精准度和高度角的关系Fig.3 The relationship between shipping positioning accuracy and elevating angle of Beidou navigation system

图4　GPS导航系统中船舶定位精准度和高度角的关系Fig.4 The relationship between shipping positioning accuracy and elevating angle of GPS navigation system

由上图结果可以得出，两个导航系统在航海中对船舶的定位精准度随着卫星高度角的变化而变化。在北斗导航中，定位到船舶的具体位置（准确度）随着卫星高度角的增大而增加，随着卫星高度角的减少而降低。GPS定位技术也是同样的现象，因为GPS导航系统中的相关度比较稳定，因此，它的每个历元接收信号的能力也比较强，能够比北斗系统要接收更多数量的卫星。在北斗导航系统中，由于历元中MEO卫星的数量会出现比较大的变动，虽然GEO卫星是比较稳定的，但是它的准确性比较低。由实验总结得出：北斗导航系统在高度角比较小的情况下，在航海中对船舶定位的准确性要好于GPS定位系统，这就是北斗系统的优势。因为系统和类型的差异，使得不同类型的观察准确度跟高度角的值是不一样的，在北斗导航中，当高度值处在18°以下时，它的观察准确度要比高度值处在82°以上时要好很多，可以达到它的2.5倍之多。北斗导航系统的相位观测值可以获得5.5倍多的优势。

3　结语

由于卫星导航定位系统的快速发展，选用哪种导航技术来应用于航海定位中受到了人们的关注。比较熟悉的导航定位系统是美国研发的GPS定位技术，它在许多领域中一直处于主导地位。随着北斗导航系统的出现，已经将这种垄断优势慢慢打破，北斗导航系统作为我国自主研发并独立发展的导航和定位技术，不仅加快了航天事业的发展，大大提高了我国在全球范围内的影响力。北斗导航技术可以进行全球范围内的定位和导航，能够应用于各种行业中，尤其是在航海领域。随着北斗导航定位系统的不断完善与发展，它在航海技术上已经可以实现定位导航、简短报文通信以及精密授时等功能，将有力促进航海技术的发展与进步。

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Contrastive analysis of Beidou navigation satellite system and GPS positioning technology in navigation positioning

MA Tian-ming
（School of Navigation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

The navigation positioning system is developed from GPS positioning technology，which has been in a leading position in many areas，such as military，commercial and navigation field.This dominance has been slowly broken down with the advent of the Beidou navigation system.Beidou navigation system has not only sped up the development of aerospace，but also greatly improved our worldwide influence.Beidou navigation positioning can be used in various industries，especially in the field of sailing.This paper analyzed the application of Beidou navigation and GPS navigation positioning in navigation positioning，and made comparison of the accuracy of positioning through experiments.

Beidou navigation satellite system；GPS positioning technology；Navigation positioning

P228

A

1674-8646（2016）12-0016-04

2016-04-14