海洋导航定位.doc

海洋导航定位技术一般来说，在陆地上确定调查对象的准确位置是比较容易的，只要把所观目标控制在根据工作需要而设置的基线和三角点围成的三角测量网内就可以了；或者利用航空照片绘出地形图，再在其上标出山峰、树木、楼房之类的固定目标，测量调查对象与上述目标之间的距离和方位就行了。这就是利用陆地上可以设立不动点作为目标的方便之处。然而在茫茫大海之中，很难找到这样的不动点。所以，在海上要想高精度地确定自己所在的位置就必须使用和陆地上完全不同的方法，即海上定位。自古以来，海上定位都是关系到航船存亡的大事。在海洋科学考察中，能否准确的定位，更直接影响到所获资料的可靠性和可用性。因此，无论是东方国家还是西方国家，都把定位作为航海术的关键之举而倍加重视。随着近代科学技术的发展，海上定位技术日趋进步，可是，在海洋科学研究中，船只定位问题至今仍是一个古老而新颖的重要课题。海上定位有不同的方法，往往根据调查范围和研究目的、设备状况而决定。但都需要一定的精度。1. 近岸导航定位1.1传统近岸导航定位依靠从船上所能看到的海岸上的目标来进行，常用的方法有两种。一种是前方交会法：利用布设在陆地（或岛屿）的测站上的两台经纬仪测定船只所在的水平角或方位角，交会出船只的位置；二是后方交会法：使用两架航海六分仪在船上测定陆地（或岛屿）上已知准确位置的三个物标之间的两个水平夹角，确定调查船所在的位置。其原理是测量学中的三点二角后方交会法。应用此法时，要注意物标之间的夹角不能太大或太小，而且所用的三个物标不能与船只本身位于（或靠近）同一圆周之上，否则定位不准确。上述两种方法受海况和能见度的影响较大，有时因天气的影响而不能使用。2.远海导航技术2.1传统远海导航定位天文导航作为在远海（公海）里导航定位使用的古典方法，主要是通过观测太阳、月球、行星和恒星的位置，并与已经精确制成表格的这些天体运行资料相比较来进行定位。因为太阳或恒星在天穹上运行的状况均按照天文年历被精密地确定，只要从船上测出某一时刻天体的高度，便可求出船舶的位置。而天体的高度是用航海六分仪读出地平线和天体之间的夹角求得的。因此，必须满足的条件是能同时观测到地平线和某一天体。一般以黎明前和日落后一段短暂的时间最为适宜。所以，此法有许多不足之处；一是观测工作相对来说比较费力、费时；二是其精度不够，最小的误差范围也有2km左右。2.2现代远海导航定位随着航运事业的发展和造船技术的提高，海上船舶的航程、续航能力显著增加，为了减少燃料消耗，要求船舶沿着最短的航线以最经济的速度航行，并配备具有高度自动化的船用导航定位系统。无线电导航是利用无线电技术与设备确定运动载体（如船舶、飞机）的位置、航向、速度、时间等运动要素，引导运动载体安全可靠地到达目的地的一门科学。它包括地面无线电导航和卫星导航。无线电导航的主要优点是：用户设备简单可靠，易于实现自动化，可以在各种距离上全天候连续工作，定位精度高，用户容量无限，应用范围广泛。无线电导航定位是当前最先进的导航技术。2.2.1地面无线电导航定位地面无线电导航定位的工作原理是利用船舶上的接收器（或无线电导航仪）接收来自设置在陆地上不同台站所发射的无线电波或脉冲电波，求出船位。无线电定位技术按位置线的形状又可分为：方位线式、方位一距离式、二距离式和双曲线式等。方位线式是根据船舶至电波发射台的方位来确定船位。方位一距离式即通过使用雷达定位，其原理与方位线式相同。为了减少误差，最好用雷达测定至少三个点，求出距离和方位，按照海图的比例尺用一副大号码的两脚圆规规划出三个圆弧，即可交会出较为准确的船位。双曲线式是在船上接收两个固定岸台发射的无线电波，测定其先后到达的时间差，求出距离差。依据二定点有等差的轨迹是双曲线的原理，由两组双曲线相交求得船位，此即时差双曲线罗兰A（Loran A）导航法；若用测定连续波的相位差来求出位置线，交会出船位则是相位双曲线系统台卡和奥米伽（）导航法。2.2.2卫星导航这种导航系统最初是由美国海军1964年首先在潜艇上使用而发展起来的，它是利用美国发射的专用导航卫星，由船上的天线接收卫星所发出的电波信号和它的多普勒频移，并其用附属的小型计算机自动求出船位的一种装置。因为这种方法是美国海军在琼斯霍普金斯大学的协助下发明的，1967年正式向全世界开放，才成为通用，所以叫做海军卫星导航系统（NNSS），又叫子午仪卫星导航系统。由于NNSS系统存在不能连续定位及定位精度还不够精确等不足，随着技术进步，虽然卫星定位起步晚，但是发展迅猛，目前美国已经研制成功并且开放民用第三代卫星定位系统，即“卫星授时与测距导航系统” (Navigation by Satellite Timing and Ranging Global Positioning System， NAVSTAR GPS)，简称全球定位系统（GPS）。GPS是一种全球高精度的导航定位系统。它由24颗卫星(包括3颗备用卫星)以及地面站和用户设备组成。一个普通的船用GPS导航仪同时接收3颗或4颗卫星的C/A码信号，具有15 m定位精度的能力；采用P码信号的导航仪定位精度达到数米。24颗GPS卫星已发射完毕，系统投入全面运行，GPS导航仪可以进行24小时连续定位。GPS导航仪加电后在几十秒至几分钟内完成自动选择卫星、自动跟踪和处理卫星信号、计算并显示经伟度位置，通常1秒更新一次定位显示。Loran-C、Decoa近年来系统的性能得到了很大提高，它们的船用设备也能连续实时直接测定船位经纬度，在最佳工作区内达到数十米至数百米的定位精度。利用GPS定位的用户，按其设备的性能、价格可以选择高、中、低三档中的任何一个。为了使导航系统取得更高的定位精度，满足高精度导航定位的需要，采用差分工作方式目前，具有差分工作方式的系统有GPS、Loran-C、Omega。GPS是美国耗费巨资研制的系统，其使用受到美国控制，从美国自身的利益出发实施SA（Selective availibility）计划，人为将定位精度降低到100米(2 drms)。这样的定位精度对于船舶窄航道航行、进出港和靠泊，对于科学试验、资源勘测、航道测量和特种军事应用目的来说还不满足要求。采用差分GPS，即DGPS，可以消除实施SA计划对定位精度的影响，显著提高采用C/A的定位精度，据国外有关资料报道，海上动态差分定位（伪距与载波相位相结合）的精度可达23 m，经过相位平滑处理可达0.51 m的定位精度。显然，这是