GPS导航技术在航海中的应用与发展.docx

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GPS导航技术在航海中的应用与发展

摘要

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，船舶航行对卫星定位的依赖已经无法分开。

本文在GPS导航技术的发展、原理研究的基础上，主要探讨了GPS在航海领域中的应用。

在分析三个航海案例的基础上，通过具体案例对比分析从而得出上述传统导航技术与GPS技术结合的效果，并进一步设计了基于GPS的海上搜救方案。

分析表明，GPS技术与传统航海导航技术的结合，有利于提高船舶航行安全。

关键字：

GPS，雷达，卫星定位

Abstract

Withthedeepeningofthesatellitepositioningsystemanditsfunctions,varioussatellitepositioningsystemshavecomeintobeing.

OnthebasisofthedevelopmentandprincipleofGPSnavigationtechnology,thispapermainlydiscussestheapplicationofGPSinnavigationfield.Basedontheanalysisofelectronicchart,radarandothertraditionalnavigationtechnologies,theeffectofthecombinationofthetraditionalnavigationtechnologyandGPStechnologyisanalyzedthroughthecomparisonofspecificcases,andtheadvantagesofthecombinationofGPSandsearchandrescuebeacon,blackboxandMarinefisherydetectorarefurtherdiscussed.TheanalysisshowsthatthecombinationofGPStechnologyandtraditionalnavigationtechnologyishelpfultoimprovethenavigationsafetyofships.

Keywords：

GPS，Radar，Electronicchart

第1章：

引言

1.1课题意义及研究背景

世界海洋运输货物由于它的驶过能力大、运载量大、收取运费低，以及对货物超强的适应性，加上全球特殊的地理环境条件，使它成为国际贸易中非常重要的运输方式之一。

航海导航技术方面，主要有天文、地标、地磁、陀螺、惯性、无线电、卫星、雷达等导航技术。

但因自然条件、人为因素、设备技术落后等。

使之海上运输安全问题频发。

高精度的GPS卫星导航定位系统能为全球提供准确授时、定位服务和测数测量业务，而且已经成为航海运输上的重要保障手段。

1.2GPS在航海领域应用现状

据调查目前市场占有率最大的仍是美国的GPS，俄罗斯的GLONASS紧随其后，而我国的北斗以及欧洲的Galileo正逐渐被世界各大厂商所接收。

GPS：

他是在上个世纪的70年代着手开始研发，当时研究的目的是为了陆域、海域、空域的导航服务。

美国国防部在长达20多年的研发，于1994年斥资300多亿美元的GPS导航卫星系统，成功达到全地区覆盖率98％，终于使24颗卫星布置成功。

为了建立地面上的联络网和接收机，它在1973年到1979年之间共发射了4颗实验卫星，此后在1979年至1984年又成功发射7颗同种卫星，实用成网时期，在1989年当年的2月4号工作卫星第一次发射成功。

最后到了1993年底1994年初GPS的24颗工作卫星联络成网，标志着以后只需要更换失效的卫星，GPS卫星导航系统已经达到预期效果和目标[1]。

伽利略：

“伽利略计划”已于2007年底完成。

共发射了30颗卫星，其中27颗工作卫星，其余3颗为候补卫星。

伽利略卫星是欧洲独立自主研发的民用卫星系统，可以提供给民间高精度高稳定的定位应用。

它的意义在于摆脱欧洲对于GPS的依赖，打破GPS长期以来的垄断局面，使欧洲避免成为其美国的附庸。

无论对商业、军事、工业经济等都起到了非常大的推力作用。

北斗：

北斗卫星导航系统是我国自主研发的卫星系统。

可以为使用的用户提供全时间、全气候的高精度、高准度的授时导航功能。

由于我国特殊的国情，使北斗导航系统成为全世界第一个区域性的卫星导航系统，不仅为国家国防安全提供着强有力的保障，也为整个社会的信息收集、救助监控、铁路运输等的地方提供安全基础保障。

2000年当年北斗导航卫星实验系统正式运营，2012年拥有了覆盖大部分亚太地域的功能，2020预期将拥有覆盖全球的能力[2]。

格洛纳斯：

格洛纳斯卫星导航定位系统是前苏联在上个世纪80年代初着手建立的与美国GPS相似的卫星定位系统，覆盖的地球表面和接近地球的空间上也与GPS大致相同。

虽然第一颗卫星早于1982年就已成功发射成功，但受苏联解体的影响，直到1995年现今的俄罗斯耗资30多亿美元才将格洛纳斯组网完成。

截至到2015年格洛纳斯系统在轨卫星数达到17颗，覆盖了整个俄罗斯领域，下一步计划陆续补网使之成为与GPS相抗衡的卫星定位系统[3]。

GPS在航海领域应用现状主要如下：

（1）GPS在船舶航行进出港时的应用：

众所周知，因为港口局限的地理位置和有限的时间，港口内经常发生船舶事故，如今使用差分GPS来保障在进出港时的作业，可以避免碰撞和搁浅。

还能做到由计算机计算出的当前船位和所需航线的偏差值，并且给予修正。

还可以做到记录信息并且储存，大大方便事后调查和事故评估，对此有很大的帮助。

还可实现雾天无差别航行，这是以前远远达不到的技术条件。

（2）GPS在测定船舶机动性能中的应用：

船舶航行时的速度测定，要精准的测量出船舶航行时的速度首先要在距离海岸相比较远的深水区作业，特殊的是对排水量较大的巨轮。

以前要求算出船舶的航速时，全部运用高准度的无线电定位仪来计算，相对误差不大于1%，但是过于复杂。

GPS的问世，使船舶航行速度的测算更加方便简单。

运用差分GPS定位技术，使用特殊航行法如之字形等航行法。

运用测算时，首先通过GPS接收卫星信号和差分GPS信号，同步传输出精准的船位信息，并记下信息。

通过计算机处理信息，可以把测量出的结果描绘在航迹仪上面，最终获取到旋回圈的曲线图，并且得到回旋的周期和旋回半径。

使船舶可以进出狭窄航道时准确无误的航行。

（3）GPS在校准船舶助航仪器中的应用：

当船舶在进行运输作业时，会装备协助航行的设备很多，如计程仪、罗经等。

很多设备的结构并不复杂，运用内部信息。

只是有的仪器误差会积累的很大，比如计程仪、惯导设备等等，必须定期校准，才能维持其功能。

运用差分GPS校准这个类型的助航仪器，会使精度高，而且校准速度快。

在有无的风流情况下都可以作业，用GPS实时传出船舶航线时的平面位置，并保证记录计程仪和罗经的数据，通过计算机可以很容易得到各点间的方位和距离，以用作校准计程仪和罗经。

这个校准方法会使精度高，距离误差小于0.1%，航行时的方向误差不大于5分。

但是这种方法在有风流影响的情况下，运用上述方法得到是船舶的对地速度（实际航速）和航迹向。

（4）GPS作为信号源运用到船舶的应用：

GPS可以成为信号源就如同从前钟表的发明时作为时间的信号源有着同样的意义，必将处处可见，也已经处处可见。

目前，GPS作为我所说的位置信号源无论在生活中还是船舶上应用非常广泛。

举例如，电罗经、测速仪、测深仪、雷达、电子海图、动态定位系统（DP）、VDR、AIS、和中高频DSC设备以及卫星通过的A站、B站、C站、F站、甚高频DSC设备都普遍连接了GPS。

GPS作为一种较为新颖的技术，已经受到了用户普遍的运用以及信赖。

据调查，以GPS为基础的产品已经成为了用户使用的设备市场占据了统治地位.

船舶航行对于如今的世界运输甚为活跃，随着技术日新月异的发展，航海越来越离不开GPS。

无论是船舶转弯或者是大洋航行，还是推算船舶位置、记录中午时船舶位置、对准时间、拨钟、靠泊抛锚都使用了GPS。

综上可看出如今GPS对于船舶在海上航行不可撼动的地位。

我举两个航海上的事例。

在之前的船员们因为没有GPS，只能运用大圆航法从中国驶往美国西海岸，按照理论知识应该有几十个甚至上百个转折点，因为难度大、计算繁琐，从而很难完成高纬度的大圆航行，现在因为有了GPS，多少个转向点，多复杂的航路，都将迎刃而解。

在海事方向上GPS可用于渔业捕捞、沉船打捞、航海追踪定位、航速测定、船舶导航、事故救援和资源勘探等等发面，在海事领域贡献巨大，应用范围非常广[5]。

（1）GPS在船舶航行进出港时的应用：

众所周知，因为港口局限的地理位置和有限的时间，港口内经常发生船舶事故，如今使用差分GPS来保障在进出港时的作业，可以避免碰撞和搁浅。

还能做到由计算机计算出的当前船位和所需航线的偏差值，并且给予修正。

还可以做到记录信息并且储存，大大方便事后调查和事故评估，对此有很大的帮助。

还可实现雾天无差别航行，这是以前远远达不到的技术条件。

（2）GPS在测定船舶机动性能中的应用：

船舶航行时的速度测定，要精准的测量出船舶航行时的速度首先要在距离海岸相比较远的深水区作业，特殊的是对排水量较大的巨轮。

以前要求算出船舶的航速时，全部运用高准度的无线电定位仪来计算，相对误差不大于1%，但是过于复杂。

GPS的问世，使船舶航行速度的测算更加方便简单。

运用差分GPS定位技术，使用特殊航行法如之字形等航行法。

运用测算时，首先通过GPS接收卫星信号和差分GPS信号，同步传输出精准的船位信息，并记下信息。

通过计算机处理信息，可以把测量出的结果描绘在航迹仪上面，最终获取到旋回圈的曲线图，并且得到回旋的周期和旋回半径。

使船舶可以进出狭窄航道时准确无误的航行。

（3）GPS在校准船舶助航仪器中的应用：

当船舶在进行运输作业时，会装备协助航行的设备很多，如计程仪、罗经等。

很多设备的结构并不复杂，运用内部信息。

只是有的仪器误差会积累的很大，比如计程仪、惯导设备等等，必须定期校准，才能维持其功能。

运用差分GPS校准这个类型的助航仪器，会使精度高，而且校准速度快。

在有无的风流情况下都可以作业，用GPS实时传出船舶航线时的平面位置，并保证记录计程仪和罗经的数据，通过计算机可以很容易得到各点间的方位和距离，以用作校准计程仪和罗经。

这个校准方法会使精度高，距离误差小于0.1%，航行时的方向误差不大于5分。

但是这种方法在有风流影响的情况下，运用上述方法得到是船舶的对地速度（实际航速）和航迹向。

（4）GPS作为信号源运用到船舶的应用：

GPS可以成为信号源就如同从前钟表的发明时作为时间的信号源有着同样的意义，必将处处可见，也已经处处可见。

目前，GPS作为我所说的位置信号源无论在生活中还是船舶上应用非常广泛。

举例如，电罗经、测速仪、测深仪、雷达、电子海图、动态定位系统（DP）、VDR、AIS、和中高频DSC设备以及卫星通过的A站、B站、C站、F站、甚高频DSC设备都普遍连接了GPS。

GPS作为一种较为新颖的技术，已经受到了用户普遍的运用以及信赖。

据调查，以GPS为基础的产品已经成为了用户使用的设备市场占据了统治地位.

船舶航行对于如今的世界运输甚为活跃，随着技术日新月异的发展，航海越来越离不开GPS。

无论是船舶转弯或者是大洋航行，还是推算船舶位置、记录中午时船舶位置、对准时间、拨钟、靠泊抛锚都使用了GPS。

综上可看出如今GPS对于船舶在海上航行不可撼动的地位。

我举两个航海上的事例。

在之前的船员们因为没有GPS，只能运用大圆航法从中国驶往美国西海岸，按照理论知识应该有几十个甚至上百个转折点，因为难度大、计算繁琐，从而很难完成高纬度的大圆航行，现在因为有了GPS，多少个转向点，多复杂的航路，都将迎刃而解。

在海事方向上GPS可用于渔业捕捞、沉船打捞、航海追踪定位、航速测定、船舶导航、事故救援和资源勘探等等发面，在海事领域贡献巨大，应用范围非常广[5]。

1.3论文组织安排

本文以围绕航海用GPS的应用和发展展开，由浅入深的描述了GPS及相关产品的历史、现况以及应用市场和预测未来发展趋势。

第一章：

对课题的研究意义及背景进行介绍，并阐述了发展现状。

第二章：

对案例进行分析介绍，结合三个案例分析其现象并对产生现象的原因进行分析。

第四章：

设计了基于GPS的海上搜救方案。

第六章：

对全文的工作进行了说明，并对未来市场进行了展望。

第2章案例分析

2.1案例一

（1）故障概况

某船在长江航行的过程中,电子海图突然出现报警,无有效船位显示（船位信息变为红色字体,GPS信号正常时为绿色字体）,内容为失去船位信息。

随即使用GPS信号的其他用户VDR、雷达、AIS等导航仪器也发出无GPS位置信号报警,内容为“GPS信号丢失”报警。

航海值班人员立即检查海图室两台GPS主机,两台GPS主机均显示“NOFIX”报警。

查看GPS主机接收的定位信号强度,发现两台GPS主机跟星能力弱,接收的卫星信号噪声比（SNR）低于20（标准为30以上）,精度几何因子（DOP）均在2.0以上（标准为1.6以下）,不能满足定位要求。

检查两台天线GPS接入端接口,均无松动或损坏断裂,经过分析,初步认为GPS信号输出端无信号输出,发生故障。

由于故障突发,船舶又是在长江狭水道航行，情况紧急,航海人员随即取出备用GPS天线单元以及连接线缆,为GPS加装应急天线,连接完成后报警消失,GPS设备接收的卫星信号噪声比和精度几何因子符合规定的标准,输出信号正常,临时满足了其他导航设备的位置信息要求,保证了船舶长江航行的安全。

（2）故障分析

此次故障出现比较突然，在长江狭水道关键航段航行中，而且是两台GPS同时出现接收信噪比低，没有信号输出，无法定位的故障。

为准确掌握GPS出现故障的部位以及故障发生原因，为下一步排除故障提供依据。

故障出现后不久，航海人员对GPS进行了基础性的检查。

对整个GPS系统的连接开关、固定螺栓、电源线松紧的连接以及连接线磨损等情况进行了彻底地检查,排除了因接线连接松动或焊接点等引起的基本性故障。

随后航海人员就其他可能造成故障的原因展开了分析讨论,分析结果如下：

1）接收机故障

目前配备的两台GPS接收机均为新设备,其中1#GPS型号为GP90,2#GPS型号为GP150,因使用备用天线单元时可正常工作，排除接收机故障的可能性。

2）天线单元故障

主桅顶端的两个天线单元都是一年前更换的新天线单元,使用时间不长,平时航行过程中未出现过信号弱导致无法定位的情况,但由于其位置处于船舶主桅顶端,海上航行时晃动幅度最大，长期受海水,湿潮空气的侵蚀,距离导航雷达天线较近，对GPS信号干扰和衰减影响较大,故存在故障的可能性较大。

3）GPS天线连接头的故障

每根连接线缆的两头都有连接头,上端接的是天线单元,下端接的是接收机,尽管上端天线连接头进行了密封处理,但是长期暴露在高温、高盐分的海洋环境中,受腐蚀程度较大,可能出现因接触不良影响GPS信号的传输;下端在海图室连接GPS主机，发生故障可能性相对较小。

4）连接线的故障

连接线贯穿于主桅中间的线缆孔中，可能因震动受到磨损,导致线路部分断裂而使信号大幅衰减,由于检查相对较为复杂,故放在最后一项检测。

分析结束之后,我们可以推断出GPS发生故障的可能性就在GPS天线单元、连接头子和连接线缆上,分析检查阶段为下一步故障确定和解决提供了重要的依据,也为以后解决类似的故障提供了一定的经验。

（3）故障解决

GPS天线位于船舶主桅最高处,周围支撑物较少,维修环境复杂。

为检测天线以及天线接口处的转接头,我们作了充分的准备。

（1）将大桅顶端处的两台GPS天线单元拆卸下来后用备用连接线连接至主机,检测发现1#天线单元信号无信号输出而2#天线单元信噪比依然很低,基本满足定位要求。

将备用天线单元与大桅顶端处1#GPS的天线单元对换后,分别连至1#GPS主机,重启后发现,选用备用天线单元时GPS信号输出正常,声响报警消失。

而选用1#GPS的原天线单元时无GPS信号输出。

旋开天线头护盖发现接收线路板已经锈蚀,据此推断1#GPS主机至大桅顶端之间的导线没有问题,故障定位在1#GPS原天线单元上。

制作更换1#GPS天线单元,对以前差分GPS天线单元进行部件除锈、密封,并进行信号测定和数据分析,信号数据正常,通过与1#GPS天线线缆连接,开机后1#GPS信号恢复正常,至此故障排除。

（2）同理,用上述方法检查2#GPS的原天线单元。

推断故障出在2#GPS原天线单元以及2#GPS天线单元与主机之间的连接线缆上。

（3）目视检查连接2#GPS天线单元与主机的导线。

发现2#GPS主机端的导线接头良好,无锈蚀现象,但连接2#GPS天线头端的接头锈蚀严重,水密胶布已经开裂,推断该端接头损坏。

（4）焊接制作2#GPS天线头接头,更换2#GPS导线顶端天线接头。

首先用电烙铁熔断并取下原天线接头,然后根据线路图重新对新接头进行线路焊接,通过用数字万用表进行测量绝缘,线路良好,连接到备用GPS天线单元上,重新开机后2#GPS信号仍时强时弱。

检查发现,该连接线缆内含多股细铜丝,此类导线存在内阻大的缺点,而且制作连接头较困难。

经分析后决定突破常规思维,直接将两公母连接头剪掉后连接在一起并焊接密封,最后连接至主机上,GPS定位信号较强,故障解除。

2.2案例二

A轮向北航行，途径衢山辖区桥梁门附近水域，与B轮由上海横沙驶往衙山途中，在雾航中发生碰撞。

气象、海况与潮汐情况：

该海域东北到东风5级，阵风6—7级，风浪2—3级。

落潮流，流向偏南，流速1—2节。

海面能见距离约150m

（1）事故发生经过

A轮装载石子890吨在30。

27．1’N／122。

16．3’E起锚后开航，慢车航行。

开航时海上能见度逐渐变差，到碰撞时能见距离约150m。

船长在驾驶台负责操纵船舶，大副负责操舵，雷达开启（3nmile量程），卫导开启，VHFl6频道守听。

号灯显示正常。

0535时起锚后，为了避开附近锚泊船舶向西航行约5min，航速约3节。

船长观测雷达发现船舶前方有两艘北上船舶，未发现南下船舶。

0540时，转向至300。

，航速约3节。

船长在驾驶台右舷连续观测。

0552时，大副用肉眼发现右前方有一艘南下船（实为B轮），距离约100多米，马上报告船长。

船长接替大副操右满舵，船速不变。

0555时，A轮右舷生活区前约1.5m主甲板处与来船船艏碰撞．碰撞角度40。

一50。

。

B轮10日0000时，B轮从从上海横沙开航，计划驶往衢山。

驾驶台由船大副一人值班，号灯显示正常。

0410时，船长接班负责驾驶台值班，航向保持在175度，航速10节。

雷达开启（1．5nmile量程），两台卫导开启，VHFl6频道守听，AIS开启，号灯显示正常。

0500时，海面上开始出现大雾，能见度不到200m，船舶减速航行，航向165。

，航速约8节。

0540时，在30。

28．3’N／122。

14．9’E，船长通过雷达发现在本船船艏左前A轮，距离1．5nmile。

船长马上采取减速，航速减至6．8节，鸣放汽笛，并在16频道上呼叫来船，但是对方一直没有应答。

0550时，船长通过雷达观测到来船距离约500m，船长要求大副操舵向右转向20。

至航向185。

。

0553时，转向过程中，船长用肉眼看到来船，来船位于船艏左舷，船长马上全速倒车。

0555时，B轮船艏与来船右舷发生碰撞，碰撞角度40。

一50。

（2）事故原因分析

通过分析，本起事故除事发水域能见度不良的客观原因外，有如下原因：

A轮的过失（了望疏忽）：

A轮在能见度不良的情况下航行，未能有效使用雷达，进行远近距离交替扫描，以便获得碰撞危险的早期警报，未能充分考虑到自身雷达设备的特性、效率和局限性以及海况、天气和其他干扰源对雷达探测的影响，致使在与前方来船相距100m左右时才通过肉眼发现来船，最终导致未能及时对业已存在的碰撞危险提前作出充分的估计。

同时未采取视觉、听觉以及适合当时环境和情况下一切有效的手段保持正规的了望，以便对局面和碰撞危险作出充分估计。

违反了《1972年国际海上避碰规则》第五条、第七条之规定。

B轮的过失（了望疏忽、避碰措施采取不当）：

B轮在能见度不良的情况下航行，未有效使用雷达，直到距离不到1．5nmile时才发现来船回波，亦未对已探测到的物标进行系统观察，对来船相对方位几乎不变、距离逐渐接近，明显存在碰撞危险估计不足。

违反了《1972年国际海上避碰规则》第五条、第六条、第七条的规定。

B轮在雾航不互见而周围水域宽敞的环境中航行，在相距1．5nmile时发现来船相对方位几乎不变，距离接近，未及早采取有效避碰行动，宽裕地让清他船；在两船形成紧迫局面后，未将航速减到能维持其航向的最小速度或把船完全停住，而冒然向右转向，最后导致碰撞发生。

（3）事故总结

虽然船上的仪器设备越来越先进，能见度不良的情况下发生的碰撞事仍故居高不下，在基于典型案例分析的基础上，可以概括为以下因素综合造成：

对《避碰规则》缺乏理解，如《避碰规则》中涉及的安全航速、了望、避让行动等方面，以及对STCW公约对雾航的规定；对周围环境变化情况缺乏清楚的认识等。

因此，本文认为为避免两船

在雾航中行动的不协调采取如下对策；

2．1保持正规了望

保持正规的了望是确保海上航行安全的首要因素，1972年修订《避碰规则》时将了望条款列为“驾驶和航行规则”的第一条款。

显示了了望的重要性，而就了望手段而言，主要有视觉和听觉、VHF、VTS和AIS等。

（1）视觉和听觉了望。

视觉了望是最基本又是最直观的了望手段，在夜间值班时发现船舶的前桅灯有光晕透射出，或夜间视觉发现他船的航行灯模糊不清时，就应意识到本船正在驶入能见度不良水域，应保持高度戒备，并做好一切雾航的准备。

听觉也是有效的了望手段之一，但仅凭听觉并不是充分的资料，在听到雾号在本船正横以前时不能盲目转向。

（2）雷达了望。

雷达了望是能见度不良时最佳的了望手段。

但是本来不会碰撞的船舶因没有正确使用雷达反而导致碰撞的例子也不少。

究其原因，除了驾驶员过分依赖雷达而思想麻痹外，雷达本身在性能上的局限性及误用也是发生问题的重要原因。

因此，在使用雷达时应充分意识到雷达设备的局限性，不能完全依赖雷达。

（3）VHF的使用。

在使用VHF时一定要注意两个问题：

一是在联系时一定要核实被联系船是否正确，千万不能“误联系”，应结合电子海图、AIS、GPS、Radar等信息来确认；二是在行动前要得到被联系船的反应情况，协调避让。

（4）AlS的使用。

目前中大型的船舶已经装有AIS，特别是在能见度不良时，显得尤为重要。

它能显示基本的船舶资料，既有静态数据，又有动态数据，能直观地显示船舶对地航向、航速、经纬度等，与雷达联合使用，可直观快速地辨别相关船舶的态势和船名，用VHF与其沟通，达到协调避让的效果。

2.3案例三

在2010年的11月29日山东威海成山头海域，一艘巴拿马籍货船“东方海”轮与马耳他籍货船“阿里”轮发生碰撞，“阿里”轮船艏受损严重，“东方海”轮左舷2号和4号压载舱严重进水。

案例分析：

1是大家都开着雷达，过分依赖雷达，以为有雷达，水域又较为开阔，所以没有做瞭望工作。

2是他们都没有正确使用雷达，雷达发现目标过迟，发现了一点回波，没有进行跟踪以及降噪处理，没把噪点当成船舶，存在侥幸心理，也没有做出安全距离。

3是当发现船舶时没有及时进行减速，以至于对船舶造成较大损害。

4是当时天气情况较差，没有响起雾号，在使用雷达时没有调试，使雷达屏幕没有清晰明亮。

解决方案：

人为方面首先要认真瞭望，在能见度不足时要打开雾号，提醒周围船舶。

驾驶船舶不能存在侥幸心理，对雷达