浅谈基于GPS的船舶导航信息系统的研究与应用

崔华鑫 付震 朱凌

摘要： GPS全球定位系统在航海中得到了普遍的应用，以此为基础的船舶导航信息系统也得到了越来越多的应用。传统的定位技术，存在着定位精确度低、受气候影响大以及引航距离有限等问题，而基于GPS的船舶导航信息系统的出现使上述问题得到了解决。该文主要探讨了基于GPS的船舶导航信息系统的关键技术、设计与开发以及应用。

关键词： 全球定位系统 地理信息系统 电子海图 船舶导航

GPS全球定位系统是利用接收的GPS卫星信号实现定位、授时与导航的先进技术，具有在陆、海、空实时全方位的进行三维定位与导航的性能。该技术在工程领域和导航领域占据不可替代的作用，解决了定位与导航的问题，产生了可观的社会效益和经济效益。在船舶导航中应用GPS技术，可以提供更为精准的定位和导航服务，能够有效提高船舶航行的安全性与航行效率，具有重要的意义。

1 GPS的船舶导航信息系统的关键技术

1.1 GPS船位推算方法

船舶在航行过程中会遇到一些特殊情况，影响GPS的定位精确度，这时需要对船位进行推算。GPS船位推算方法主要有两种：第一种是利用计程仪掌握实时航速，利用罗经掌握实时航向信息，通过利用航速和航行进行船位的推算。此种方法只适用于短时的船位推测，时间越长，误差就会越大，最终导致推算出的船位不精确。第二种是利用两种或两种以上的GPS接收机接收到的关于船位的有效数据，近似的推算出船舶的当前位置。这种方法是在航行方向一定、船舶的航速不变的情况下，短期内能获得准确位置。当航行方向和船舶速度发生变化时，预测的结果会产生较大的偏差，从而导致预测值无效。

1.2 相关参数计算

地球是一个椭球体，不是平面体。所以，所有的参数的计算都要遵循椭球大地的基本原则。大地线是指椭球面上的任意两点间的最短的距离，船舶在航行中的航线的确定是应该以大地线为主要依据。相关参数的计算方法：一是偏航距。在偏航距的计算中，由于相邻的航路点的距离及偏航距较小，所以可用大圆弧替代大地线计算，使用球面三角形距离的计算公式。二是偏航角。偏航角是上一航路点到下一航路点的大地方位角与上一航路点到航行点的大地方位角之差。三是两点之间的距离。四是两大地点方位角。使用特定的公式进行计算。五是下一航路点时间。计算方法是用到下一航路点距离除以航行速度。六是到终点的距离。是航行点到下一点的距离与下一点到目的点的航路距离两者之和。七是到目的地的时间。计算方法是用到终点的距离除以速度。八是到下一航路的距离。计算方法是航行点到下一航路点的大地距离。

1.3 船舶航行速度的计算

船舶在海上航行的瞬时速度变化较大，GPS-OEM板所计算出的速度不能反应船舶航行的真实速度。若采用连续的两次定位得到的位置方面的数据进行计算。由于存在GPS位置漂移，计算所得结果存在误差可能较大。若使用参数计算，也得不到精确的数值。最科学而又简单的方法就以平均速度作为船舶的航行速度。具体的计算方法是最近的n次的有效位置数据，利用最小二乘法做直线拟合，计算出相应的直线距离。

1.4 平滑滤波技术

通过卫星测量而造成的GPS定位误差主要归为两种：一种是随空间、时间迅速变化，相关性较弱的随机误差；另一类是随空间、时间缓慢变化，相关性很强的随机性偏移误差。由于GPS信号存在误差，当其在计算机屏幕上显示为定位位置固定不变时，GPS的位置在一个圆内变化。船舶在航行过程中，位置的偏差会对航向、航迹产生较大的影响，不能如实的反应航向和航迹。消除这种随机误差的方法就是平滑滤波技术。该技术处理GPS-OEM板输出数据，有效的提高了GPS定位的精确度。可使用自适应滤波、自回归滑动平均（ARMA）、卡尔曼滤波和預测处理等方法提高与预测量的精度。

2 GPS的船舶导航信息系统的开发与设计

2.1 参数计算模块

导航参数计算模块中所需数据包含两部分：一部分来自于数据库中预设的航线信息；另一部分从GPS-OEM板接收的。经过坐标处理和数据类型变换的定位信息。

2.2 信息接收模块

计算机串口接收GPS-OEM板发来的GPS数据，依据导航所需要的参数，选择接收的语句，提取语句中有效性、维度、经度、速度等信息，再经过坐标转换、数据类型转换，最后将信息存储到数据库中。

2.3 数据库的构建

船舶航行为了满足实际航行的需求，需要设置多条航路。该软件采用Access数据库系统，设计10条航路，设置10个航路点。若航路较长，航路点较多，则可分段导航。那么，在对应的GPS导航数据库中设定10个航路表。每个表代表一条航路信息，每个表包含10条记录，每条记录都代表着一个航路点的信息，每条记录都包含5个字段，分别代表着航路点、经纬度、偏航距、偏航角、航路点编号。

3 基于GPS的船舶导航信息系统的应用

3.1 GPS在船舶导航信息系统的应用现状

GPS全球定位系统于1993年6月基本建成。该系统具有全球、无误差积累、全天候等特点，是当今中远程航线上最好的导航系统。GPS船舶导航信息系统在航海中得到了广泛的使用，几乎每艘船舶都备有GPS船舶导航信息系统。GPS在航海中的应用主要表现在：一是可与通信导航设备，如罗经、船舶的ARPA，实现匹配相接，为其他导航设备提供真实可靠的数据，为船舶导航自动化提供支持。二是即時的为航行中的船舶提供准确的位置信息。三是可进行连续的定位。四是具备多种报警功能，如偏航向报警、时间报警、到达航路点报警等，为船舶提供了可靠的安全保障。五是GPS用户可在全球任意位置、任何天气准确接收卫星信号。六是强大的导航功能。用户可根据实际需要来设计航线和航路点，为船舶航行提供经济可靠的路线保障。

3.2 GPS的船舶导航信息系统在长江引航工作中的应用

长江引航中心于2006年建立了长江GPS船舶导航信息系统。长江引航中心下辖南京、南通、镇江、武汉、张家港、芜湖、江阴、常熟、太仓9个引航站，在职引航员二百多人，大部分引航员都是三级或三级以上的级别。该系统包含有船载单元、监控中心、电子海图，具有对船舶在航行中精确定位、保留航迹数据、应对突发天气等功能。引航员可通过电脑中即时的船舶航行状态、潮汐水位信息以及航道等参数，准确下达船舶操作的相关命令。船载单元设备便利了引航员的工作，减轻了引航员的压力和工作强度，保障了引航的安全。在长江引航中心建立的GPS导航系统，能够实时的监督引航员的操作状态和实时监控船舶的航行过程，降低了引航责任事故的发生率，提升了引航的安全管理工作水平。该系统的建立也提高了长江引航中心的国际地位，使引航管理走向现代化。

4 结语

总而言之，在水上贸易、航行越来越繁荣的当今，船舶导航的意义越来越重要。通过对基于GPS的船舶导航信息系统的研究，明确了GPS的船舶导航信息系统的关键技术、开发与设计以及在实际中的应用。随着国内船舶导航信息系统的不断发展，相信GPS与其他技术（如电子海图、Android，北斗卫星导航系统）相结合的船舶导航系统将在航海中得到应用。

参考文献

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