论文部分内容阅读
摘 要：近些年，我国钻研的众多科技中包括北斗卫星定位导航系统，其中第二代里面含有35颗卫星，具备全天全球定位导航能力，并于2010年开始向用户提供信息服务。北斗系统的优点较多，最为突出的优点是以经济实惠的成本获取海上定位服务。但在北斗系统提供海上服务时也会存在一些难题，如AIS，GPS等，均需要与其他技术配合使用。本文针对这一问题提供一个集成化平台，它可以汇集多种导航定位信息，并对信息进行整理，这里面包括北斗系统的导航信息。在船舶监视系统中装置北斗系统集成系统，不仅可以降低更新次数，还可以把北斗系统引领到更多领域，如航运、渔业等。
关键词：北斗；GPS；全球定位系统；导航
1 北斗系统的含义
1.1 全球卫星导航系统
全球卫星导航系统属于一种信息系统，它利用多个卫星构成系统，再将导航信息、地理定位等传递给全球用户。在接收信息这方面，使用全球卫星导航系统的用户可以利用轻量化的电子信号装置，借用时间信号进行输送，以此获取某一位置海拔与经纬度等信息，同时还可以将误差控制在100m以内。
现在GNSS可以提供两种服务：其中的一种是为用户提供全球范围内的导航信息，这种被称为无线电导航卫星业务（Radio Navigation - Satellite Service，RNSS）；另一种是为用户提供全球范围内的测量与定位信息，被称之为无线电测定位业务（Radio Determination - Satellite Service，RDSS）。一般情况下，RDSS在使用的时候会有指定的领域，RDSS除了可以为用户提供准确的时间、位置与速度等信息之外，还可以传送短消息、测量用户之间的距离与统计服务时段等。
1.2 GNSS频段
通过查阅相关文献，得知美国与其他国家相比较为特殊，它现用的GPS只为用户提供一个信号L1，计划在下一次升级的时候将其变为两个信道；而欧洲使用的Galileo系统可以为用户提供两个信道；俄罗斯使用的GLONASS也是为用户提供两个民用信道。每一个国家选取的频段都存在差异，部分地区在提升GPS频带使用效率这一方面，会采取一些较为罕见的技术，如WAAS系统。欧洲研发出的是EGNOS 系统，日本研发出的是Quasi - Zenith 系统。
1.3 北斗卫星导航系统
上世纪80年代，我国开始钻研较为先进的GPS与GLONASS等技术。陈芳允，工程院院士利用用户的相对仰角的方法测定位置定位，并提出Geostationary Orbit Satellite，GEO，即选用两个地球静止轨道卫星。这一方法开始正式使用的时间是1994年，随后在2000至2003年期间提供了更为先进的系统，即存在三个GEO的北斗验证系统，且每一个上面都装置着RDSS载荷，里面有一个上面装置着RNSS载荷。这一实验可以满足用户位置定位、定位、授时与短消息通讯等需求。
北斗系统的下一个目标是达到亚太地区用户的要求，现在北斗系统已经安装12个卫星。截止到2012年，北斗卫星导航系统的服务水平得到很大程度的提升，已经可以持续不断地向用户提供测速、定位等信息服务。通过不断优化北斗系统，将其准确性与兼容性能达到GPS的效果。北斗系统会不断完善，它的下一目标是钻研一个全球星座系统，具有30～35颗卫星，且具备RNSS服务与RDSS服务。北斗系统的终极目标是向用户提供较为准确的时间、海拔等信息，并测量出速度矢量，将定位响应时间控制在1s左右。此外北斗系统还计划让用户之间的信息实现共享。
2 基于北斗与GPS的海上导航服务系统
2.1 海上导航的需求与问题
1）航行安全。所有的船舶考虑的首要因素都是航行安全。大都会利用信标灯、浮标等物理设施来确保船舶的安全性，防止船舶运行途中发生冲击。虽然现在已经有大量关于航行安全的配置，但仍需研发一种集通讯功能与导航系统为一体，且经济、安全、高效的综合系统。
2）位置监控。在研究船舶位置监控这一方面时，经常会受到技术或经济条件的限制，所以还应加大研发力度。价格低廉的移动通信技术通讯范围无法满足实际需求，卫星定位虽然比较准确，但价格太过昂贵。
3）灾难早期预警。卫星电话与无线广播都已经在船舶灾难预警之列，但在实际运行过程中会存在很多客观问题，因为这些设备在使用时会受到天气、环境和信号噪音等因素的影响。
2.2 基于北斗与GPS导航系统框架
海上船舶可以在同一时刻收到北斗与GPS的定位信号，船舶一旦发出定位信号，北斗与GPS会同时接收信号并做出响应。将其信息输送至岸基接收中心，再利用通讯设备将其传至监视中心。这样，监视中心也将收集北斗系统的导航信息。通过子监视中心将这些信息进行整理，再计算出准确的船舶导航路线。
有一点需要注意：这一系统可以与目前使用广泛的RFID和AIS的导航方法相结合。利用网络系统，将相关信息传输至监视中心，这些信息可以为船舶的安全行驶奠定良好的基础。
2.3 基于北斗与GPS导航系统的优势
1）低开销线上实时卫星短消息通信：因为卫星通信资源会对其产生一定的约束作用，所以卫星短消息通信与语音通信成本相对较高。若将北斗系统与GPS联合在一起使用，可以利用它数据传输这一功能，降低短消息通讯的经济成本，但应注意，卫星短消息通信与其相比更具有实用性。海上卫星语音通信的质量会受到天气、环境等多种客观因素的影响，很难保证通信质量，在海上通信时，传送的信息需要保证清晰度。这一技术已经在国内的民用海事通信中开始应用。
2）高可靠性。近些年，使用最为广泛的定位技术是GPS，因为其可靠性较高，所以GPS将发展为全球定位与导航系统的主流技术。我国政府也已经表示将持续将定位、短消息和授时等信息提供给用户，在对其进行升级的过渡阶段也不会给用户带来影响，保证连接平滑。因为在运行的过程中会受到环境与其他客观环境的影响，所以北斗系统与GPS给用户传送的信息可能存在差异，降低信息可信度，但若将北斗系统与GPS联合在一起使用，可在一定程度上提升信息的准确性，两者结合可扩大信号覆盖范围，提高信息质量。
3）较高的可制定性。用户可以根据自己的需求选择相应的模块构建RDSS与RNSS功能，达到自己想要的效果，如PDA、平板电脑等。目前手持終端设备可以使用GPS，可在此安装芯片，使北斗系统得到灵活运用，再利用定制化软件创造出相应的服务，满足用户的需求。
4）有效的授权管理。本着用户定义通信协议与北斗系统的短消息通讯功能这一原则，满足用户的授权管理，适当的管控和调整用户的权限与通信信道开启时间，从最大程度上降低对彼此之间造成的影响。
3 实验验证
本文为证实这一方案的有效性，设计出原型系统，测试这一系统定位是否准确，借此标明这一方案的可行性。
实验原型系统包括三部分：船舶动态数据、浏览器和定位系统。船舶在这一试验中的作用是收集北斗系统与GPS的定位信息，再将其存储，游览器起到过渡作用，因为里面装有数据库管理程序与数据融合算法，它可以将这些信息整理之后确定出船舶的具体位置。本次试验中用北斗系统与GPS分别对其定位，观察两者定位的准确性，再利用本文的方案分析两者定位信息的准确性。实验表明，单独使用任意定位系统精确值都在10m左右，若将两者结合在一起，可将准确度将至5m，将定位准确度提升一半，同时还可降低定位时间，达到用户海上导航定位需求。
4 结语
本文通过简述目前全球卫星定位导航系统的发展状况，对今后北斗卫星定位导航系统的发展目标作出了明确定位。在全面掌握北斗系统与GPS基本功能的前提下，提出GPS和北斗海上导航系统，并结合该系统的运行原理研制出原型系统，此外还对该系统进行试验验证。实验结果证明，这一方案具备一定的实用性与可行性。
参考文献
[1] 施闯，赵齐乐，李敏，唐卫明，胡志刚，楼益栋，章红平，牛小骥，刘经南.北斗卫星导航系统的精密定轨与定位研究[J].中国科学：地球科学，2012，06：854-861.
[2] 赵学洋，李海红.船用北斗/GPS双星座导航体系构建的探讨[J].航海技术，2013，02：39-41.
[3] 王文松，伏浩，李鹏.基于北斗/GPS双模卫星导航位置服务系统设计研究[J].全球定位系统，2013，03：69-72.
关键词：北斗；GPS；全球定位系统；导航
1 北斗系统的含义
1.1 全球卫星导航系统
全球卫星导航系统属于一种信息系统，它利用多个卫星构成系统，再将导航信息、地理定位等传递给全球用户。在接收信息这方面，使用全球卫星导航系统的用户可以利用轻量化的电子信号装置，借用时间信号进行输送，以此获取某一位置海拔与经纬度等信息，同时还可以将误差控制在100m以内。
现在GNSS可以提供两种服务：其中的一种是为用户提供全球范围内的导航信息，这种被称为无线电导航卫星业务（Radio Navigation - Satellite Service，RNSS）；另一种是为用户提供全球范围内的测量与定位信息，被称之为无线电测定位业务（Radio Determination - Satellite Service，RDSS）。一般情况下，RDSS在使用的时候会有指定的领域，RDSS除了可以为用户提供准确的时间、位置与速度等信息之外，还可以传送短消息、测量用户之间的距离与统计服务时段等。
1.2 GNSS频段
通过查阅相关文献，得知美国与其他国家相比较为特殊，它现用的GPS只为用户提供一个信号L1，计划在下一次升级的时候将其变为两个信道；而欧洲使用的Galileo系统可以为用户提供两个信道；俄罗斯使用的GLONASS也是为用户提供两个民用信道。每一个国家选取的频段都存在差异，部分地区在提升GPS频带使用效率这一方面，会采取一些较为罕见的技术，如WAAS系统。欧洲研发出的是EGNOS 系统，日本研发出的是Quasi - Zenith 系统。
1.3 北斗卫星导航系统
上世纪80年代，我国开始钻研较为先进的GPS与GLONASS等技术。陈芳允，工程院院士利用用户的相对仰角的方法测定位置定位，并提出Geostationary Orbit Satellite，GEO，即选用两个地球静止轨道卫星。这一方法开始正式使用的时间是1994年，随后在2000至2003年期间提供了更为先进的系统，即存在三个GEO的北斗验证系统，且每一个上面都装置着RDSS载荷，里面有一个上面装置着RNSS载荷。这一实验可以满足用户位置定位、定位、授时与短消息通讯等需求。
北斗系统的下一个目标是达到亚太地区用户的要求，现在北斗系统已经安装12个卫星。截止到2012年，北斗卫星导航系统的服务水平得到很大程度的提升，已经可以持续不断地向用户提供测速、定位等信息服务。通过不断优化北斗系统，将其准确性与兼容性能达到GPS的效果。北斗系统会不断完善，它的下一目标是钻研一个全球星座系统，具有30～35颗卫星，且具备RNSS服务与RDSS服务。北斗系统的终极目标是向用户提供较为准确的时间、海拔等信息，并测量出速度矢量，将定位响应时间控制在1s左右。此外北斗系统还计划让用户之间的信息实现共享。
2 基于北斗与GPS的海上导航服务系统
2.1 海上导航的需求与问题
1）航行安全。所有的船舶考虑的首要因素都是航行安全。大都会利用信标灯、浮标等物理设施来确保船舶的安全性，防止船舶运行途中发生冲击。虽然现在已经有大量关于航行安全的配置，但仍需研发一种集通讯功能与导航系统为一体，且经济、安全、高效的综合系统。
2）位置监控。在研究船舶位置监控这一方面时，经常会受到技术或经济条件的限制，所以还应加大研发力度。价格低廉的移动通信技术通讯范围无法满足实际需求，卫星定位虽然比较准确，但价格太过昂贵。
3）灾难早期预警。卫星电话与无线广播都已经在船舶灾难预警之列，但在实际运行过程中会存在很多客观问题，因为这些设备在使用时会受到天气、环境和信号噪音等因素的影响。
2.2 基于北斗与GPS导航系统框架
海上船舶可以在同一时刻收到北斗与GPS的定位信号，船舶一旦发出定位信号，北斗与GPS会同时接收信号并做出响应。将其信息输送至岸基接收中心，再利用通讯设备将其传至监视中心。这样，监视中心也将收集北斗系统的导航信息。通过子监视中心将这些信息进行整理，再计算出准确的船舶导航路线。
有一点需要注意：这一系统可以与目前使用广泛的RFID和AIS的导航方法相结合。利用网络系统，将相关信息传输至监视中心，这些信息可以为船舶的安全行驶奠定良好的基础。
2.3 基于北斗与GPS导航系统的优势
1）低开销线上实时卫星短消息通信：因为卫星通信资源会对其产生一定的约束作用，所以卫星短消息通信与语音通信成本相对较高。若将北斗系统与GPS联合在一起使用，可以利用它数据传输这一功能，降低短消息通讯的经济成本，但应注意，卫星短消息通信与其相比更具有实用性。海上卫星语音通信的质量会受到天气、环境等多种客观因素的影响，很难保证通信质量，在海上通信时，传送的信息需要保证清晰度。这一技术已经在国内的民用海事通信中开始应用。
2）高可靠性。近些年，使用最为广泛的定位技术是GPS，因为其可靠性较高，所以GPS将发展为全球定位与导航系统的主流技术。我国政府也已经表示将持续将定位、短消息和授时等信息提供给用户，在对其进行升级的过渡阶段也不会给用户带来影响，保证连接平滑。因为在运行的过程中会受到环境与其他客观环境的影响，所以北斗系统与GPS给用户传送的信息可能存在差异，降低信息可信度，但若将北斗系统与GPS联合在一起使用，可在一定程度上提升信息的准确性，两者结合可扩大信号覆盖范围，提高信息质量。
3）较高的可制定性。用户可以根据自己的需求选择相应的模块构建RDSS与RNSS功能，达到自己想要的效果，如PDA、平板电脑等。目前手持終端设备可以使用GPS，可在此安装芯片，使北斗系统得到灵活运用，再利用定制化软件创造出相应的服务，满足用户的需求。
4）有效的授权管理。本着用户定义通信协议与北斗系统的短消息通讯功能这一原则，满足用户的授权管理，适当的管控和调整用户的权限与通信信道开启时间，从最大程度上降低对彼此之间造成的影响。
3 实验验证
本文为证实这一方案的有效性，设计出原型系统，测试这一系统定位是否准确，借此标明这一方案的可行性。
实验原型系统包括三部分：船舶动态数据、浏览器和定位系统。船舶在这一试验中的作用是收集北斗系统与GPS的定位信息，再将其存储，游览器起到过渡作用，因为里面装有数据库管理程序与数据融合算法，它可以将这些信息整理之后确定出船舶的具体位置。本次试验中用北斗系统与GPS分别对其定位，观察两者定位的准确性，再利用本文的方案分析两者定位信息的准确性。实验表明，单独使用任意定位系统精确值都在10m左右，若将两者结合在一起，可将准确度将至5m，将定位准确度提升一半，同时还可降低定位时间，达到用户海上导航定位需求。
4 结语
本文通过简述目前全球卫星定位导航系统的发展状况，对今后北斗卫星定位导航系统的发展目标作出了明确定位。在全面掌握北斗系统与GPS基本功能的前提下，提出GPS和北斗海上导航系统，并结合该系统的运行原理研制出原型系统，此外还对该系统进行试验验证。实验结果证明，这一方案具备一定的实用性与可行性。
参考文献
[1] 施闯，赵齐乐，李敏，唐卫明，胡志刚，楼益栋，章红平，牛小骥，刘经南.北斗卫星导航系统的精密定轨与定位研究[J].中国科学：地球科学，2012，06：854-861.
[2] 赵学洋，李海红.船用北斗/GPS双星座导航体系构建的探讨[J].航海技术，2013，02：39-41.
[3] 王文松，伏浩，李鹏.基于北斗/GPS双模卫星导航位置服务系统设计研究[J].全球定位系统，2013，03：69-72.