基于DGPS组合定位的靠泊仪技术分析

◎郑耘 惠州港引航站

DGPS强调以多个接收机为依托，在建立数学模型的前提下，通过多点定位与单点定位相结合的方式，对用户所需各项数据加以获取。该技术的优点在于其充分利用GPS系统所拥有资源，结合用户需求建模并采集数据，可以有效弥补常规定位技术所存在不足。近几年，该技术已在诸多领域得到运用，将其用于油轮等大型船舶，可以降低船舶靠泊的难度，其所具有的实际价值有目共睹。

1.研究背景

在航运经济飞速发展的当下，船舶规模、行驶速度均较以往有所增加，船舶载重量已增加至数十万t，随着散货船、集装箱船以及油轮的普及，社会各界纷纷将目光聚焦于船舶靠泊，如何保证船舶安全靠泊随之成为业内人士关注的重点[1]。研究发现，对船舶行驶数据进行实时获取的难度较大，有一定概率由于数据获取错误或时效性不理想，致使工作人员无法正确操作船舶，进而引起不必要的问题。要想降低碰撞等问题的发生率，关键是要酌情引入更加科学且先进的导航设备，借助导航设备提高船舶停靠的精度。本文便以此为背景，针对船舶靠泊步骤建模，基于所建立模型对靠泊期间船舶行驶速度、码头与船尾和船首之间的距离加以确定，进而确定具有普适性的靠泊系统，确保工作人员能够根据该系统所提供参数有序开展靠泊工作。

2.靠泊仪种类及运用技术

2.1 靠泊仪

E航海战略提出至今，导航产品已经过数次更新换代，以油轮为代表的大型船舶纷纷选择引入靠泊仪，希望能够在靠泊仪的辅助下，实现快速、精准靠泊的目标。现有靠泊设备主要包括两类，分别是船基、岸基，下文将详细说明：

2.1.1 船基靠泊仪

该系统具有三大功能，首先是根据船舶情况，为其提供合理的纵向、前进以及后退速度，其次是为处于靠泊状态的船舶提供行驶方向与速度，最后是为靠泊期间船舶所具有的安全性提供保证[2]。实践发现，原有系统的定位精度并不理想，研究人员针对该情况对系统做出了以下升级：放弃常规方案，改用DGPS对船舶进行定位。新系统具有便于安装、适用范围广和精度理想等优点，通常不会被天气等要素所影响。鉴于此，本项目最终决定引入DGPS技术，并且通过建模的方式，对参数计算速度和准确度加以提高。

2.1.2 岸基靠泊仪

该系统强调由码头前端所安装声呐、雷达或是激光负责采集信号，根据所采集信号判断码头、船舶之间的距离，进而获得更加准确的数据。然而，常用探头普遍存在以下几方面不足：一是极易被天气等外界因素所影响；二是作用距离相对有限；三是日常维护难度较大；四是仅能采集固定点参数[3]。

2.2 DGPS技术

GPS可以覆盖海陆空三大领域，很长一段时间内，受技术制约，国内GPS始终无法使用P码，导致定位精度难以突破100m，在SA限制被取消的当下，其定位精度仍然和预期存在较大差距。除此之外，GPS还存在以下弊端：该系统不具备实时获取数据的功能，无法在定位出现偏差的第一时间，将相关情况告知用户。在此背景下，DGPS应运而生，该技术可以被细分为GPS和WAAS两类。

2.3 组合定位技术

图2 船首向示意图

目前，船舶从业人员普遍通过两种方式处理数据，分别是精密定位、单点定位，其中，单点定位的原理如下：由GPS接收机对卫星信号所发出数据加以接收并处理，进而得到相应的观测坐标。单点定位需要先处理观测文件所包含数据，通过延迟改正与钟差改正相结合的方式，获得相应的坐标，该方式存在定位精度不理想的问题。精密定位则有效弥补了单点定位的不足，要求有关人员先对载波数据做探测、修复处理，再通过改正和参数估计等方式，获得具有良好精度的坐标，需要注意的是，虽然精密定位的精度更加理想，但并不适合对航向等复杂数据进行处理。要想在保证数据真实、准确的前提下，压缩数据处理时长，关键是要改用更加先进的定位技术，例如，两点定位，即：通过两台接收机对卫星信号进行接收与处理，根据处理所得到数据建立相应的坐标系，结合数据斜率确定各点方向，以正北方向和两点方向所形成夹角为依据，对航向数值加以确定[5]。

本文所讨论多点定位的特点如下：经由多个接收机对卫星信号进行接收，进而确定各点所处位置。现阶段，该技术已在物流监管、交通检测等领域得到广泛运用，船舶停靠所使用靠泊仪便需要用到该技术，其工作机理如下：以多点DGPS、单点DGPS为依托，由DGPS负责接收并处理数据，从而使短时间内确定船舶行驶方向与速度，码头和船尾、船首之间距离的设想成为现实。

3.基于DGPS的靠泊技术说明

新时期，将DGPS用于大型船舶已成为大势所趋，多数船舶均已安装相应的导航及定位设备，另外，还有一部分船舶选择省略计程仪，参考DGPS所提供数据确定航行方案。考虑到船舶靠泊对导航精度所提出要求较为严格，因此，要想对组合定位技术进行大范围推广，关键是要了解其原理与定位效果，具体如下：

3.1 建立坐标系

图1中坐标系所描述对象为船舶运动，坐标系原点是驾驶台中心，x轴的走向为正东向右，y轴的走向为正北向上。靠泊仪位于AB、AB1处，有关人员可借助该坐标系，快速、准确地获取所需数据。M、N所描述对象为码头前沿。考虑到船舶形状并不规则，使用常规方法并不能够精准说明码头、船舶之间存在的位置关系，故决定增设点E及点F，二者分别代表船首与船尾。

图1 坐标系

3.2 计算各项参数

3.2.1 转向率

图中OH代表船首线对应矢量，代表x沿逆时针方向旋转的角度。基准北线沿顺时针方向旋转所形成角度即为船首向角，其中，基准北线的角度为0°，计算公式如下：

该公式中，ε代表船首向角，其取值在0°～360°之间，要想使计算结果具有实际意义，关键是要转化计算结果，倘若结果超过360°，要减去360°，如果计算结果未达到0°，则应加上360°。考虑到船首向主要取决于真北向，而真北向角的度数为0°，因此，可以推导出以下公式：

上述公式中，ω 代表船舶转向率。?代表不同船首向的差值。

3.2.2 速度与距离

要想计算船尾、船首与码头之间的距离和行驶速度，前提是确定船首向、中心点。下文用E指代船首点，用F指代船尾点，O指代中心点，对计算过程加以说明，以供参考：

第一步，对O加以确定。本文将驾驶台中心作为船舶中心，M、N为已知点，可根据二者对码头岸线方程加以确定。

第二步，以定位终端所处位置为依据，对O的坐标加以确定。确定坐标的方法有两种，一是定位终端与点A、点B重合，二是定位终端与点A、点B1重合，前者的计算公式如下：

该公式中，是指AB与A1B1所形成夹角。是指x与AB1所形成夹角。S是指|AB1|，即两个终端的距离。则代表终端坐标。一般情况下，在设定初始值时，均默认为船首真北朝上，这样设计的优点在于任何时间段，有关人员均可以参考A、B、0坐标，对船首向加以确定。

3.3 定位精度分析

各行业对定位精度所提出要求如下：①大地测量定位精度不得超过0.01m；②测图精度不得超过0.05m；③摄影测量精度不得超过0.5m；④高精度导航及水文地理精度不得超过1 m；⑤通用导航精度不得超过100m。通过分析可知，油轮等大型船舶对靠泊精度所提出要求为不超过1m，上文所讨论定位技术所具有精度能够达到该要求。

3.4 靠泊实例

VLCC靠泊惠州港马鞭洲中海油码头，见图3。

图3 靠泊实例截图

4.船舶靠泊系统设计要点讨论

4.1 设计方案

本项目中，有关人员决定对靠泊仪系统进行分块设计，将系统划分成开发平台、靠泊应用两层，与常规系统相比，该系统的特点主要在于其对硬件的依赖性极弱，现将设计要点归纳如下：其一，系统搭载iOS系统，确保接入该系统的硬件均能够得到科学管理，除极特殊情况外，系统均不得直接访问功能模块。其二，硬件需要经由接口函数加以操作，该系统所搭载功能模块较多，包括但不限于用户模块、通信模块和数据模块等。其中，用户模块的功能与终端前台相似，主要负责在用户和终端之间搭建联系的桥梁，及时接收用户所提出请求并给出相应的反馈。通信模块需要借助WiFi将数据同步，为系统接收定位参数提供支持。数据模块则负责对船舶行驶速度、方向及其他动态信息进行回放。

4.2 功能模块

本文所讨论靠泊仪的硬件由两部分组成，其中，A机包括WiFi、锂电池、ARM、GPS及AIS模块，B机则包括WiFi、锂电池、ARM与GPS模块。采取该方案的原因如下：实践经验表明，仅凭借单一接收机定位，通常无法保证定位精度。这是因为离泊状态下，船舶行驶速度相对较慢，卫星信号极易被干扰，进而出现定位漂移的情况，此时，系统所获得船首向角便会受到航速的影响而不断摇摆。要想避免出现以上问题，关键是要确保靠泊仪所显示位置完全正确，改用多个接收机进行定位，则能够快速确定船舶位置，其现实意义有目共睹。

开发该系统时，有关人员应将重心放在DGPS模块上。该系统所搭载模块可以实时接收MSAS信号，同时对速度信息、位置信息加以显示。根据观测量可将其划分成观测值、计算速度和位置差分三类，根据定位方式可划分成差分测速、单点测速两种。该系统所选择模块与常规模块存在较为明显的不同，二者的区别主要体现在以下方面：一是该系统包含12个通道，可以实时跟踪并接收卫星信号。二是搭载最新芯片及算法，更新速率能够达到20Hz左右。三是新增接收信标等功能。四是启动速度提升到60s以内，捕获时间通常不会超过1s。五是定位精度在2.5m以内，实测差分精度不会超过0.6m，即使出现信号丢失或其他突发情况，在问题发生后的40min以内，定位精度仍然能够维持在亚米级别。

5.结论

本文以组合定位技术为落脚点，针对船舶靠泊需求及特点，对计算各项参数所适用模型进行了建立，以既有靠泊仪为基础，对全新靠泊仪进行设计。事实证明，对全新靠泊仪加以使用，可以确保工作人员及时掌握靠泊状态下船舶的各项数据，使引航工作更加安全且高效。