朱本波
东方地球物理勘探有限责任公司 天津 300450
摘要：目前，我国的经济在快速发展，社会在不断进步，对基于ＧＰＳ-ＯＥＭ板开发的传统航海导航软件进行了深入研究．找出了影响导航精度的主要因素?并针对这几种因素分别提出了相应的解决方案．针对定位误差?采用卡尔曼滤波方法处理航行体位置信息?建立了卡尔曼动态滤波模型．针对航行体速度误差?采用曲线拟合航程方法进行航行体速度平滑．当ＧＰＳ定位信息无效时?给出船位推算模型来推算航行体位置．
关键词：GPS；卡尔曼滤波；航海导航
引言
北斗导航技术和GPS（GlobalPositioningSystem，全球定位系统）技术的实际应用价值是在于定位，知道船舶海上行进路线。GPS技术是美国所研发在全球第一个投入使用的卫星导航系统，该技术的各个方面都是极为成熟的，其系统性能极为稳定，伴随着我国北斗导航系统的发展，这种类型的垄断优势逐渐被打破，北斗导航系统是中国自主开发的定位以及导航技术，他的出现不仅推进航空航天领域的发展，也提升我国在国家范围内的实际影响力。在一定程度上北斗导航技术和GPS技术是能够在全球范围内进行导航以及定位的，其也能够运用在各领域中，特别是在航海领域中。北斗导航系统是一种全天候的卫星导航信息的导航系统，他的出现打破了GPS市场中的垄断，在对于推动我国导航发展有着极为重要的意义和作用。在二十世纪之后，定位导航技术研究学者在航海期间记录下船只航行以及运行的变化来推算船只的地理位置。二战结束后，为能够取得更大的胜利，让战斗机在空中作战的能力更为准确，人们发明了一种无线电定位系统，但是伴随着该系统的快速发展，其能够很好的运用在航海定位中，该技术一直发展到当前的卫星定位系统，这才将人们带入到一个崭新的时代，全球定位系统能够给地球上任何地位在海上运行的船舶进行导航，准确的找到自己的地理位置。通过对北斗导航技术和GPS定位技术在船只航海定位当中的应用进行相应的对比分析，促进我国航海技术的可持续发展。
1航海导航系统的发展
导航是引导飞机车辆安全沿选定路线准时到达目的地的手段。古老导航方法是星历导航，最早导航仪是中国人发明的指南针，经过不断改进日益精密。最早的航海表是英国人John在1761年发明，随后人类通过综合利用指南针进行导航定位。20世纪后，随着科技的发展，发现许多新的定位方法。最初通过测量船体速度增量确定位置，随后发明惯性导航技术，记录载体加速度积分确定位置。20世纪初无线电测向技术在航海中广泛应用，最初设在陆岸电台测得船舶电波方位，在战时易暴露船舶目标，船舶从测出电波方位确定船位。雷达发明解决船舶定位问题，二战期间英美为帮助轰炸机找到目标发明双曲线定位系统，原理是利用电波交汇点确定目标。现代化导航系统在人造卫星升空后发明，美国人发展了子午仪卫星导航系统，当前GPS根据双曲线导航原理。船舶惯性导航是美国人为核潜艇定位导航发展，由加速器、电脑组成。GPS出现开创人类导航技术新时代，GPS以其全球连续覆盖等诸多优点，使得导航技术广泛发展。海洋是滨海国家安全重要屏障，是发展重要资源宝库与外交天然通道。当前海洋开发成为各国经济发展重要生长点，海洋旅游业等得到迅速发展，如何提高船舶航行安全性是海航人需要解决的问题。自人类海航活动开始应用船舶导航技术，导航技术能减少海洋事故，使船舶安装最佳路线。航海导航经历推算、路标与无线电导航历程。原始导航方法被人们广泛使用，但由于受客观条件影响定位误差大。无线电导航用无线电设备确定舰船位置坐标，无线电导航为非自助式导航，用户接收机接收地面信号完成导航任务。二战前斯通1902年发明无线电测向技术，由国际会议规定其频率。二战后至60年代初，随着航程需要发展罗兰C，60年代后进入成熟期，典型系统是子午仪系统，导航缺点是100分钟定位一次。
2影响GPS航海导航精度的几个关键技术分析
2.1曲线拟合
最简单的平滑处理就是均值处理?取最近ｎ次的速度做平均?以平均速度作为当前速度．但因为速度的误差本身就比较大?这样做效果不是很好．一般导航软件中设计有数据库?可存储航行体瞬时坐标数据?所以本文采取ｖ＝ｓ／Δｔ的算法．这种方法的速度误差主要来源就是航迹误差?所以要对航迹做光滑曲线拟合?使计算出来的速度更接近真实速度．具体算法如下：取最近ｎ次的有效位置数据?采用最小二乘法做直线拟合?计算出直线距离．如果按每ｍ秒记录一条数据来算?航行时间为ｍ（ｎ－1）?这就可得出船舶平均速度．
2.2电子海图信息系统和现实系统
该系统是一种备用配置，其能够被视为修正了1974年SOLAS公约第19条和27条要求的最新海图航行信息系统，在一定程度能够选择性的现实系统电子航海图信息和航行的传感器的主要位置信息，有利于帮助航海工作人员监控航海路线。在电子海图信息系统中，不论是在近岸航行还是在远岸航行，其对于船舶的定位传感器精度要求是非常高的，并且还要求信息系统的实时高精度，在不同的现实情况下，船舶位置信息都是会及时的显示在屏幕上，船舶驾驶员可以根据屏幕上所显示的相关数据对船只进行控制和周围状况的实时观察，其主要包含暗礁和浅滩等障碍物，充分运用高准确度的北斗导航卫星系统能够有效的避免危险情况的出现。伴随着我国船只的重量和规模不断增大，船只自身的吃水深度也会不断加深，这种情况就需要提供可靠和准确的船只信息。北斗导航卫星系统能够不间断，全天候的提供给船只精确的信息，在测量精度当中可以高达0.15m/s。因此，北斗导航卫星系统能够有利于船只船位信息的提供，从而保障船只的安全航行。
2.3GPS失效补偿措施
船舶航行中遇到特殊情况，信噪比小到接收极限影响精度，利用无效定位参数计算导航参数无价值。利用2个以上GPS接收机接收最近有效位置数据推导航体位置，设航体在tN-1时刻GPS位置数据（xN-1，yN-1），N=0，1，2…推算船舶航速不便下短期获得准确航体位置，船舶航速改变，预测产生大偏差。从罗经得到实时航向信息，可利用航向进行航位推算。船舶相对速度V1，算出给定时间内船舶位置增量，将V1按轴向XY分解，Vy=V1cosNr，Vx=V1sinN1，XY向位移增量为δY=Vyt，δX=Vxt，下时刻船舶位置为Y=Y0+δY，X=X0+δX。适用于短期航位预测。根据船舶动态定位模型，x（0）=0m/s，p（0）=0，εx（0）=0，x（0）=0m/s2.船舶初始位置τax=1.0，σ2ax=（3.0）2，σx=（40）2，结合仿真图，应用卡尔曼滤波对运动参数处理得到船位轨迹平滑，用处理后运动参数进行导航参数计算避免产生较大误差。
结语
本文针对影响导航精度的主要因素分别提出了解决方案．通过上述方案的应用?可在一定程度上改善船舶导航精度．但是因为船舶导航需求的特殊性?今后还应不断探索、不断研究新的方案?满足现代导航需求．
参考文献
［1］黄秋钦，沈少明，马治国.浅析北斗卫星导航系统及其在移动互联网中的应用［J］.电信网技术，2016（7）：60-63.
［2］王阅兵，游新兆，金红林，等.北斗导航系统与GPS精密单点定位精度的对比分析［J］.大地测量与地球动力学，2014，34（4）：110-116.