船舶导航：差分GPS定位技术和之字航行法的应用

随着卫星定位系统的作用越来越深入，各种应用卫星的定位系统应运而生。随着卫星定位的作用越来越明显，航海对卫星定位的依赖已经无法分开。GPS作为位置信号源的意义犹如从前时钟发明时作为时间信号源一样，将会随处可见。

由于卫星定位具有全球性、全天候、精度好、接收机体积小、功能全、操作简单、自动化程度高等优点，开放民用后受到广泛好评，被广泛应用于船舶导航、海上油井定位、海洋调查、大地测量、地球物理研究等。中国远洋运输在20世纪80年代初也引入了子午仪卫星导航系统。但是，随着用户的要求不断提高，子午仪卫星导航系统也暴露出不少问题。子午仪卫星导航系统从 1964 年交付使用，至1993年GPS建成后关闭，历时30年，得到广泛的应用，并显示出巨大的优越性，完成了历史的使命。

GPS 是采用导航卫星进行测时和测距构成的全球定位系统。从 1973年正式提出到 1993年底建成，历时 20年。GPS对人类活动影响很大，应用价值极高，美国政府和军队高度重视，投资300亿美元来建设这一工程，成为继阿波罗登月计划和航天飞行计划之后的第三大空间计划。它从根本上解决了人类在地球上定位和导航的问题。目前，GPS 的应用已深入航海领域。船舶航行、海上交管、海洋测量、石油勘探、远洋捕捞、浮标建立、海底管道和电缆铺设、海岛和暗礁定位、船舶进出港引航等广泛应用。

6.2.1 GPS在船舶航行中的应用

今天的航海已经十分依赖GPS。无论是大洋航行、船舶转向，还是记中午船位、推算船位、对时、拨钟，甚至抛锚都使用 GPS。以至于出现 GPS坏了，船长不开船的情况。可见，GPS在船舶航海中的重要性。

（1）大圆航法的应用。使用大圆航法，有的航线可以节约几天的时间。例如从中国驶往美国西海岸航线。在GPS 出现之前，船舶很难按照理论完成高纬度的大圆航行。因为，大圆航法有几十个甚至几百个转向点，每一个转向点都需要测出一个准确的船位来确定转向，这在前GPS时代是非常困难的，也是非常烦琐的。没有人能够较准确地走完大圆航线，多数是将大圆航线变成了多边形的航线。GPS的出现改变了这一切。多少个转向点都不成困难。很多细心的驾驶员有准确走过大圆航线的经历，甚至准确地算出能节约几天时间。

（2）船舶转向的应用。船舶转向，必须确定准确的转向点，不然就会偏航，甚至搁浅。例如，某远洋公司新会轮就因提前转向在西沙暗礁搁浅。但是，在大风浪以及恶劣天气中，在茫茫大洋上要测出一个准确船位也不是一件易事。为了一个船位，船长、大副、二副、三副凌晨起床守候日出是常有的事。GPS的出现，全天候的实时船位解决了这一切。

（3）记中午船位。每天中午测中天，记下所测得的船位。这是二副每天必须做的。它曾经让老船员自豪地讲述天体，让憧憬大海的孩子不解地望着天空。GPS让人们淡忘了它。

（4）记推算船位。现在的航行船舶每小时记一个GPS船位，因为GPS太普及了。有的船至少有两台，此外，C站也带有GPS功能，AIS也带有GPS接收，许多航海者有了自己的手提GPS。

（5）抛锚。先选好锚位，量出锚位经纬度，朝着锚位开去，GPS显示进入锚位，抛锚。

6.2.2 GPS在船舶进出港中的应用

在进出港时，由于有限的航道和有限的时间，尤其是船只交会的时候，可以选用差分GPS来保证导航的精度，避免搁浅和碰撞。

应用差分GPS导航进出港，必须考虑建立以下功能：

（1）增加港口水域图显示系统。将港口附近水域、地形、地貌等要素，以1∶50万、1∶10万和1∶5 000比例尺编成数字地图，存储在计算机中，可以随时调用各种比例尺图，将船舶的位置显示在显示器上。

（2）统一地心坐标和数据处理系统。GPS接收机收到卫星信号和差分信号后，输出的是地心坐标。必须统一地心坐标系统和数据处理系统，形成统一的航行图。

（3）预置航线和航路。根据港口和航道的划分，将港口分区，将航道分线，标出航道编号。由调度将准许航行的航线和进出港口泊位编号告知船舶，并在该船的航行图上显示出来。

（4）计算偏航值。由计算机计算出船舶所在位置与标准航线的偏离值，并给出校正航线的方位和大小。

（5）控制水深。为避免搁浅、触礁，了解航道水下的状况，船舶均设置测深仪。采用计算机控制测深仪的自动定标、开关量程转换，以及自动报警等功能，并将有关信息显示出来。(www.xing528.com)

（6）记录存储。将以上各种信息全部存储起来，可进行事后调阅，显示该船舶的航迹图及航道线，这对分析港口航行事故并作出正确的判断有很大的帮助。

（7）监视系统。经过卫星或发信机将船位实时发送到调度监控室，从调度监控室的监视屏上查看船舶进出港的情景。

利用差分 GPS 进行船舶进出港口管理是具有极大吸引力的。这种系统功能强，在地形图上显示出高精度定位的本船位置，能根据需要选择不同的比例尺显示。这种系统直观方便，引航员能准确知道自己的位置和航行趋势。这种系统能全天候运作，在能见度很低的雾天条件下能正常工作，这是过去目视导标引航所不及的。

6.2.3 GPS在测定船舶机动性能中的应用

（1）船舶航速测量。要准确测定船舶航速，必须在离岸较远的深水区进行，特别是对吃水较深的巨轮。过去，在测试船舶的航速时，都采用高精度无线电定位仪来测定，相对误差不超过 1%，但比较烦琐。必须经过多次测定，选择传播条件优越、网格分布均匀的高精度工作区，利用船载无线电定位仪记录两点的航行距离和时间，求出平均速度。GPS的出现，使航速测量更加简单方便。利用差分GPS定位技术，使用之字形等航行法，可使航速测量的相对误差不超过0.1%。但值得注意的是，直接利用标准GPS服务进行测速，相对误差可能会超过5%。

（2）船舶旋回半径测量。所谓旋回半径是指船舶在一定的舵角和一定的速度条件下，船舶航行的圆形航迹半径。这是船舶机动性能的重要指标。舵角选择不同，所得的旋回半径和旋回周期不同。在测量时，可通过GPS接收卫星信号和差分GPS信号，实时输出准确的位置信息，至少每半分钟记录一次位置信息。先在同一速度和舵角条件下旋回3～4圈，然后，反向航行相同的旋回，并记录信息。通过计算机处理，可以把测量的结果绘制在航迹仪上，直接获得旋回圆曲线图，并计算出旋回半径和旋回周期。这种测量要反复进行，求出不同舵角时的旋回半径和周期。这对船舶准确进出港和在窄航道中航行都有重要作用。

（3）船舶舵角提前量的测量。所谓舵角提前量是指船舶从发出指令开始转舵的位置，到船舶实际航迹已到达新航向时所需航行的距离。为防止船舶编队航行相互碰撞，以及当船舶通过狭窄航道时，必须精确知道船舶各种舵角和不同航速时，到达新航向所需的舵角提前量。这一数据对于正确操纵船舶航行具有十分重要的作用。测试方法与测量旋回半径的方法相同。船舶在航行中，从下达转向舵令开始，连续记录差分GPS位置数据，一直到进入新航线，然后绘制出航迹图，求出到达进入新航线时的距离，就得到转换舵角的提前量。不同的舵角和速度具有不同的提前量，必须分别测定。

（4）船舶航向稳定性测量。所谓航向稳定性即操纵能力，是指船舵位于船首线时，船舶保持直线航行的能力。在实际航行中，由于种种原因，尽管舵角为零，但船舶航向却在改变。驾驶员必须根据罗经指示值的变化，不断地操纵船舶，使之保持在预定的航线上航行。如果航向稳定性较高，将会减弱驾驶员的劳动强度，确保航行安全。因此，确定船舶的航向稳定性是十分重要的。测量的方法与测量航速的方法基本相同。所不同的是：船舶不需改变航向；要求的定位精度高一些，定位精度低无法测量出偏航的微小变化。测量时，要连续记录差分GPS的位置信息，求出平均方位线的各点相对于平均发展速度方位线的偏离量，最后求出直线航行的稳定性。偏离量越小，稳定性越高，船舶性能越好。在实际应用中，这一指标与考核和提高船员的操纵能力、节省燃油和缩短航行时间密切相关。

（5）船舶惯性测量。驾驶员从发出改变原运动状态的指令，到船舶实际到达所需的新的运动状态之间的延长时间和空间位置的关系，表现了船舶的惯性。当船舶加速或减速时，紧急启动或突然停车时，前进或后退时，都由于船舶自身的惯性，不能立即执行其动作。掌握船舶的惯性，对准确操纵、应付碰撞和处理紧急场面具有重要作用。测量的方法与测速相同。主要是测定从发出指令到船舶到达指令所规定的状态之间的航迹与时间变化的关系曲线。根据测出的船位与时间的变化，通过计算机算出起始点与终止点之间的时间差和距离差，以及其间的变化梯度，就可以分析出各种运动状态不同的惯性特性。

6.2.4 GPS在校准船舶助航仪器中的应用

船舶上装备的助航设备很多，例如：计程仪、电罗经、磁罗经等。这些设备结构简单，不依赖外部信息。但是，它们最大的缺点是积累误差大，需要定期校准。过去，计程仪是由人工校准的。在试验区内以浮标起点使计程仪置零，然后，以恒速恒向直线航行，在浮标终点上核对计程仪显示的距离值。进行正反航向反复多次取平均值来校准。对罗经的校准是利用船首尾线对准岸上导标，稳定航向后，测量罗经的方位并与导标预知的方位比较实现校准。这种校准方法精度低，且受外界能见度条件的限制。

利用差分GPS校准这种助航仪器，不但精度高，而且速度快。用GPS实时给出船舶的平面位置，同时记录计程仪和罗经的读数。通过计算机可以求出两点间的距离和方位，以此校准计程仪和罗经。这种校准方法精度高，距离误差小于0.1%，航向误差小于5分。

6.2.5 GPS作为船舶位置信号源的应用

GPS 的精确定位，让你随时准确地知道你自己在哪里。GPS作为位置信号源的意义犹如从前时钟发明时作为时间信号源一样，将会无处不在。当年时钟发明时，人们既不能确定这种仪表将能使用的数量，也想象不到精确计时对世界、对人们的生活方式和出现其他产品及服务带来的影响。这就是目前我们所面临的GPS。

时钟的发明原来也是打算作为一种导航仪表，巧的是GPS也是这样。GPS的最初概念是用于军事定位、武器瞄准和导航系统。接着打算用来替代子午仪、台卡、奥米加等导航系统，为军事应用提供全天候的定位导航。随着位置源要求的出现和各种政治因素的作用，包括苏联的截击机击落韩国航空公司的007号班机，以及随后出现的公众强烈抗议，促使当时的美国总统里根于1984年宣布，GPS将向民用团体开放，使造成韩国航班灾难的类似导航错误不再发生。此后，美国政府承诺在可以预见的将来，GPS将免费提供规定等级的服务。这个保证使工业界得以对GPS在硬件、软件和系统开发方面进行大量的投资。由于GPS的精确性和廉价的接收设备，使整个世界的用户都愿意使用这种技术。

目前，GPS作为位置信号源在船舶中应用十分广泛。例如，雷达、电罗经、测深仪、动态定位系统（DP）、AIS、VDR、电子海图，以及卫通A站、B站、C站、F站、中高频DSC设备、甚高频DSC设备等都连接了GPS。GPS作为一种位置源的赋能技术，正在受到普遍使用。预计在不久的将来，以GPS为基础的产品将会在用户设备市场占据统治地位。

图6-2-1 海洋导航