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GPS定位精度及其在海上的应用
王洪军
[摘要]本文论述了GPS系统的组成、定位原理以及误差理论和精度实测分析,比较了GPS的优越性和缺陷性，对GPS 在航海上的应用作了一个比较系统的介绍，并着重论述了GPS用于导航报警、测磁罗经自差、航线绘制,也介绍了GPS与电子海图组合应用，高精度定位，测速测向，航线设计，与雷达的配合使用，水下定位等，期望使航海人员更深刻地了解GPS的优缺点，更多地了解GPS的使用方法，更有效的使用GPS，从而提高航运效率，保障船舶的安全。
[关键词] GPS ； 原理 ； 系统组成 ； 定位精度 ； 误差分析 ； 应用
全球定位系统（Global Positioning System---GPS）又称为导航星全球定位系统，简称GPS，是一种测距卫星导航系统。美国于1973年12月开始，经过20多年的研制开发在1994年所有卫星就位，1995年10宣布“GPS进入全面运作能力”。 GPS是美国继阿波罗登月计划、航天飞机之后的第三项重点空间计划，是20世纪的、也是世界上第一个全球卫星导航系统，对整个世界的经济起着举足轻重的作用。
使用GPS可以获得一种全球、全天候、连续、高精度的定位导航方式。美国政府在GPS的应用中，提供了两种服务方式：一种是利用CA码定位，其精度约为100米，供民间使用；另一种是利用P码定位，其精度可以达到10米甚至更高，供军用。
起初的CA码在试验阶段定位精度为30米，美国采用了S/ A政策，使得它的定位精度下降到100米。各种消除S/A影响的措施于是产生了，最典型的是差分GPS，使得定位精度得到显著提高。于是，美国干脆在2000年5月1号就取消了S/A政策，这样使得GPS的应用更加的广泛。目前，GPS的用户越来越多,在航海的使用也是非常的多，这里有必要对GPS的定位精度及其在航海上的应用有个论述。
通过这篇论文的构思，并翻阅了大量的资料，作者想要更深程度的搞清楚GPS的定位精度和优缺点以及GPS在航海上的应用，以便航海人员对GPS有更深刻的了解，并熟悉其在航海上的应用，做到充分发挥其优点，避开其缺点，以保障海上航行的安全和提高营运效率。
1． GPS系统的组成及工作原理
1.1GPS系统的组成:GPS卫星导航系统是由地面支持网、空中卫星群和用户设备三个子系统组成的。
1.地面支持网：GPS系统的地面支持网由五个监测站、一个主控站和四个注入站组成。监测站收集卫星及当地气象资料送给主控站。主控站根据这些资料计算卫星轨道等导航信息，然后由注入站每隔8h向卫星发送一次，更新卫星资料，以便卫星向用户设备转发导航信息。该子系统的功能是监控卫星并根据测算结果向卫星提供时间改正参数、卫星星历等资料。
2.空中卫星群：GPS系统空中卫星群由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成，共24颗卫星，平均分布在6个轨道上，每一轨道上有4颗卫星。卫星接收地面站发送来的轨道信息、时间修正参数等，进行处理后，以1575.42MHZ和1227.60MHZ两种载波频率，发射CA码和P码两种伪随机码调制导航信号。
3.用户设备：GPS接收机接收卫星发射的时间信号和卫星轨道信息，就得到卫星位置，利用时间信号和伪码相关测量卫星到测者的伪距，并由计算机解算用户位置、速度等参数。
1.2 GPS系统工作原理
1.2.1 GPS系统的定位原理
GPS系统是一种测距定位系统，GPS导航仪接收卫星分布的信息，根据星历表信息可以求得每颗卫星发射信号时的位置。导航仪测量卫星信号传播的时间间隔，因为这时间间隔中还包含着时钟误差，信号传播延时等影响，所以乘以光速求得是导航仪与卫星的伪距离
1.2.2 GPS系统的测速原理
通过测量GPS卫星信号载波的多普勒频移，可以获得伪距离变化率，从而建立伪距离变化率方程。测量4颗卫星信号的多普勒频移，可以建立4个伪距离变化率方程，从而解算出导航仪的速度和时钟钟差变化率。
2.GPS的定位精度及误差分析
2.1定位精度
2.1.1单点定位
单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于船舶的导航定位。利用单独的GPS接收机定位的精度为20米（2drms）.这里所指的是二维平面上的包含SA引入的误差的2倍径向距离误差。现在SA已经取消，定位经度提高了。GPS这一定位精度在15—25米之间。 落在这一范围内的概率为95.5%。
2.1.2差分定位
差分定位就是根据两台以上的接收机进行定位，其定位精度更高，可靠。具有伪距差分功能的GPS 接收机的定位精度在1—10米之间，而相对平滑伪距差分接收机为亚米级的精度，实时载波相对差分可以达到厘米级的精度。
2.2误差分析
GPS定位误差主要来源于卫星与测者间相对几何位置的几何精度因子GDOP、伪距误差以及使用不同测地坐标系而产生的误差
2.2.1精度系数GDOP
在测距误差一定时，观测点相对于所用卫星的几何图形不同，定位误差的大小不相同。卫星所处的几何位置好，定位误差则小。衡量卫星几何位置的好坏，利用几何精度系数GDOP，简称精度系数DOP。
2.2.2伪距测量误差
GPS系统中因测量带来的误差，可以全部等效为伪距测量带来的距离误差，称为用户等效测距误差。它主要来源于卫星部分，传播途径，用户设备和SA的影响等造成的误差。
1)星历和星钟误差
受到高轨卫星轨道摄动的影响和地面监制站的位置和站内原子钟偏差等因素的影响，由地面站确定的卫星星历表出现误差，此误差叫做星历表误差。它只要决定于卫星跟踪系统的质量，如监测站的数量及分布；观测值的精度；轨道计算是所用的模型及软件等。同时还与星历表的预报间隔有关。星历表误差产生的距离测量误差对于C/A码和P码通常都在2.5—7.0以内。
卫星钟误差主要取决于钟的质量，卫星上虽然使用高精度的原子钟，但是它仍然存在误差，其系统性误差可由卫星钟校正参数加以修正。
2)大气传播延迟
大气传播误差，包括电离层传播延迟和对流层传播延迟两部分。其误差可以矫正但是仍然残留一部分。
3)多径效应
多径效应是指GPS用户接收机不仅接收来自卫星的信号，还接收来自其他路径的该卫星的二次辐射信号，因此，接受的信号是直射波和反射波产生干涉后的混合信号。由于直射波与反射波的路径不同，从而使信号延迟，产生测量误差，称为多径效应误差。
4)接收机噪声和量化误差
由接收机的硬件和软件处理信号引起的噪声，会在短距离测量中对误差产生影响。 接收机测距可以被量化。以C/A码为例，它的码率1.023MHZ/S，一个码元所对应的宽度为293.2米。如果码的距离测量被量化到一个码元的1/64，则量化值为293.2/64，约为4.6米。在指定的量化值范围内，如果假定使用的量化误差是均匀分布的，那可以计算得到总的量化误差为2.66米。
5)接收机通道间偏差
多通道接收机进行测量时，由于各通道硬件路径不同，会产生通道间偏差。
6)SA的引入误差
2.2.3使用不同测地坐标系产生地误差
GPS使用的大地测量基准为WGS-84。而海图出版机构绘制海图时使用的大地测量基准点多采用当地的或本国的测量基准点。随着人造卫星的升空，60年代之后，开始出现世界的大地测量基准，如WGS-60、WGS-566、WGS-72、WGS-84。原来我国海军航保部出版的海图是北京坐标系BJS-54，现有的GPS导航仪还不具备该坐标系与WGS-84的转换，此项误差是影响中国沿海GPS定位精度的主要部分。一般有几十米，而且随纬度变化。海图的比例尺越大则误差越大。有资料显示，目前发现的最大误差是在太平洋附近某区域达7海里之多，而大多数情况下，这种误差达几十米至几百米不等。为了改变这种状况，我国海航保证部从2003年开始部分海域改用WGS-84，但船舶现有的中版海图仍然有不少北京坐标系BJS-54（比如最新版的珠江口附近的几张中版海图），故仍然须注意这问题。
2.2.4海图误差
海图在制版印刷过程中，由于一些陆标位置不够精确以及图中经纬度线存在着一定的制版印刷误差，导致海图自身存在一些误差。曾经有人做过这样的试验：在南美某地区，用同一时刻的一个GPS船位标于两张相邻的海图上（有共用区域），结果发现两张海图上的GPS船位与同一陆标间的位置相差0.5海里。当然这当中也包含了驾驶员的作图误差。
3.GPS的特点与缺陷性
3.1GPS的特点
GPS卫星导航系统是一个庞大又极复杂的系统，其主要的性能特点有:全球全天候导航、高精度和多功能。
3.2 GPS的缺陷性
1)受控制国的控制
2)卫导仪与海图所用坐标系不同产生缺陷
3)误用GPS导航仪带来的影响
（1）  天线高度的设置
在海上用GPS导航仪对船舶导航定位，宜采用三星定位。三星定位要求操作人员必须预先置入天线正确的海拔高度数据。这个置入的天线高度要与实际的天线高度相一致，误差在1M以内。如果置入天线高度错误或误差太大，将会产生不可允许的定位误差。尤其将天线置入高度数位弄错时，将会引起严重的误差。
（2）GPS使用精度系数门限值的设定
2D定位和3D定位应分别设置精度系数DOP的门限值。精度系数的门限值关系到GPS的精度和可用性。实际在使用时HDOP，PDOP随着卫星和测者的运动而变化，在设置时，若置定值太小，使可用于定位的卫星数减少，降低GPS用于定位的可用性。因为一旦精度系数大于所设置的门限值，GPS就发出报警而不再更新位置。若它们的置定值太小，则可能不能保证得到高的定位精度。因此，在精度系数的门限值置定时，选5～10之间或者更小。所设数值太小或太大，都将使定位无效。
（3）GPS航路点的输入
在利用GPS进行航线设计和其他应用时，驾驶员一定要输入准确的航路点坐标。假如由于人为的操作疏忽而将航路点及航线编辑错误，则会产生严重的后果。
3.3 不可盲目相信GPS
GPS在实现全球高精度、全天候、连续定位的同时，由于技术及设备的原因，不可避免地产生了一些误差。加之GPS始终为美国的最高利益服务及其所谓的联盟国家军事服务，我们在使用的过程中必须对其保持高度的警惕，不可盲目信任。在过去发生的海难事故中，由于只相信GPS船位，而忽视了利用雷达或目测定位的作用，导致的经济损失已不计其数。
另外，在精密定位中，GPS目前还不能提供十分精确的船位，特别船舶在狭水道航行，GPS的综合误差常常在几十至几百米之间，如果盲目信任其船位而忽视其它方法，将可能导致搁浅、碰撞等危险 
4.GPS在航海中的应用
由于GPS作为海上导航系统，能够提供全球、全天候、高精度、实时、连续定位等优点，并且可以和很多其它导航设备组合使用，所以在航海上得到广泛的应用。例如高精度的定位、与电子海图的配合使用、与GMDSS的组合使用、浮标监视、测速、报警功能、测罗经差等。这里着重论述利用导航报警功能、测磁经差自差和航线绘制。
4.1 GPS用于导航报警
GPS不仅可以提供高精度的船位，而且可以用来存贮航路点，存贮航线，用数据和图像显示船舶运动的速度、航向、航迹、航行偏差和达到距离、航线所需时间等航行资料。就报警功能而言，有偏航报警、走锚报警、到达转向点所设定的范围报警、接收机故障报警等
4.1.1.走锚报警
GPS内部走锚警报设置的原理很简单，它是以抛锚后锚抓牢海底时的锚位点为圆心，以一定距离作一警报圈，当船在风流作用下以锚位为圆心作旋回时，若船位与锚点距离计算一旦偏出设定的警报圈时，GPS将自动报警．如图一所示:S为本船船位,M为回旋回点,当MS＜MR则正常,当MS＞MR则将发出走锚报警. 但以上锚位的分析与警报半径的计算是在理想状态下确定的，在实际应用过程中会受以下因素制约：
1． GPS非特许用户定位精度降到30 m左右，使得GPS内存贮的锚位与实际锚位有偏差．
2． 大副作回复报告时，此时锚可能尚未着地，此外锚着地距抓牢时尚存一定距离.
3. 人为的使船首距驾驶台之距在输入到 GPS内为0.1nmile．此外在测量岸标及数据的读取与作图均会产生一系列误差．
4.1.2到达航路点报警
如图二听示:D为预计到达点，S为本船，R为报警范围·由驾驶员人上输入给接收机。若SD>R不报警，若SD<R发出报警信号。
4.1.3偏航报警
如图三所示:A为出发点，B为到达点，s为本船，R为偏航距离，由驾驶员人工输入给接收机。若SD<R不报警，若SD>R发出报警信号。
4.1.4进入设置范围报警
如图四所示:A为出发点，B为到达点，s为本船，R为设置范围，由驾驶员人工输入给接收机。若s进入设置范围，则发出报警信号。
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4.2 用GPS航迹向校正磁罗经自差
航海界通常采用爱利法来校正磁罗经自差。由于GPS具有全球全天候和高精度的特点，因而用GPS精确测定出风流向和风流合速进而用显示的航迹向COG来走主磁航向，然后用航向比对法来消除与测定磁罗经自差。
4.3 GPS用于航线绘制
当一段直航线的两个转向点，处在同一张海图里时，只要我们能认真正确地量取两点的经纬度，正确地输入到GPS导航仪机内， 是能够满足GPS定位精度的要求，不会发生上述的不统一现象。这种现象通常是一段直航线跨越两张或两张以上的海图时才会发生． 也许有人通过进一步提高我们常用的作图方法的作图精度， 也达到满足GPS定位精度的要求， 没有发生不统一现象。但有一种作图绘线方法是更科学、更简便、更可靠的， 即使航线跨越了好几张比例大小不一的海图， 也不会产生不统一现象,那就是计算绘线法．
4.4 其它应用
除了上述应用外，GPS在航海上还有一些通常的应用。如：
1) 测定航速航向与流速流向
2) 航线设计
A)航路点的存储和到达航路点的导航
B)编制和存储计划航线
3) 浮标移动监测
1.浮标移位监视
2.为了使管理部门及时了解浮标移位和损坏情况，可以利用DGPS和无线电通信设备，电子计算机以及电子海图组成的航标综合管理系统，对所管区的浮标实现监视。监视中心和DGPS传感器之间的联系通过、无线电无线电通信系统实现。监视中心可以寻呼每个被监视的航标，假若该航标位移超出所设顶的范围，除航标自身发出警报，显示失常信号以外，还在监视中心出现告警信息，并显示移位数值。
4)水下定位
潜艇水下航行和反射武器，水下打捞或其他水下作业，都要求水下精确定位。但是，无线电波入水深度有限，并且随频率的增加而减少，对于10KHZ的超长波水下传播的深度也不过是10m左右。GPS的问世，为水下精确定位带来希望，成为各类科学家和水下工程专家共同探索的热点。
5)与电子海图配合使用
电子海图最重要的输入接口是GPS，GPS为电子海图提供了重要的船位信息，导航数据。GPS与电子海图配合使用使航行更方便、更安全。不仅使得获取实时船位；航速、航向极其容易；而且与电子海图等高新技术结合起来，为船舶的自动驾驶、为极大改善进出港船舶的管理与监控，均提供了空前的可能性。电子海图可以显示船队所有船舶的位置和动态，即在航、锚泊、靠泊、修理等状态；货载情况；船舶技术资料、航次资料；航线资料，包括起止港、离港时间、预计到港时间、里程、天气等。电子海图具备了全部海图作业和航海计算功能．而且在使用上：方便、快速、经济，因而极大地提高了船员的工作效率。
船舶在海上航行离不开导航，船舶遇险时的求助更需要准确可靠的船位。船舶的遇险报警信息中，除了包含船舶识别码、遇险性质等必要内容，还必须有准确可靠的遇险船位。测定船位的方法，当前遍布世界的大小船舶，甚至包括各种渔船在内，几乎都配备GPS(全球定位系统)接收机。它既对船舶提供导航定位，又能为遇险与安全通信提供船舶的位置数据。
6)与雷达的配合使用
1.保证海上航行安全
在雷达使用过程中，有时因物标太小，观察荧光屏难以发现它们，可能把它们漏掉。对于未露出海面的暗礁、沉船、浅滩等潜在物标，雷达便无能为力。有了GPS的存在，我们可以从海图上预先查出潜在障碍物所在位置，将它们编号作为航路点，存入GPS导航仪。航行中，驾驶员随时把离本船较近的航路点的编号输入导航仪，导航仪便显示当前船位离开缺陷物的距离及其所在方位。当船进入已设定距离的报警圈时，则立即发出报警。由此可见，GPS导航仪对于保障海上安全起着重要的作用。
2.准确迅速标绘雷达船位
把雷达所测定物标的距离和方位输入导航仪，导航仪立即显示出物标所在的经纬度，协助驾驶员在海图上迅速准确地找到反射物标的位置；由该位置和雷达测定的距离与方位标绘出测定的船位。这样，避免花费许多时间寻找反射物标，或者造成判断物标的错误。根据需要，还可以把物标的位置在GPS导航仪中存储起来，作为航路点。
5.结论
GPS是一种全球、全天候、高精度、连续的定位导航系统，自从2000年5月2号美国取消SA政策后，其定位精度得到显著的提高，现在电离层误差是影响其精度的最大因素，但是它只有米级的数量级，能够满足航海导航的要求。随着其定位精度的提高，在航海上的应用越来越广泛，譬如：高精度定位、报警功能、测磁罗经差自差、航线绘制、高精度的定位、航线设计、与电子海图的组合应用、与GMDSS的组合应用、与雷达的配合使用等。
但是，GPS在应用过程中，其广泛服务还是始终排在美国及其联盟的最高军事利益之后的。它所存在的受一国或有限的几个国家或联盟控制，卫星导航仪与海图所用坐标系不同，不能正确使用卫星导航议和盲目相信GPS等因素，导致了GPS亦存有明显的缺陷性。
论文描述GPS系统的组成和定位原理；分析了定位精度和误差来源；比较GPS使用的优越性及缺陷性；系统地介绍了GPS在航海上的应用。经过理论分析和实际测量，得到GPS的定位精度为22.5米。正因为GPS有这样高的定位精度，所以GPS在航海上有着广泛的应用。通过本文的论述，力图使自己能够更清楚地认识GPS，以便在今后的工作中更好地利用GPS，并对GPS的使用真正做到发挥其优点，克服其缺点。
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