湯均博，周 立

（淮海工學(xué)院 測繪工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005）

0 引言

船舶在海上航行時(shí)，大多是依據(jù)航海圖導(dǎo)航的。而航海圖上標(biāo)注的水深是以深度基準(zhǔn)面為準(zhǔn)的圖載水深。從1956年開始，我國就統(tǒng)一采用理論最低潮面作為我國海圖的深度基準(zhǔn)面。這種海圖水深的表示方法，能較好地保證艦船航行的安全。由于潮汐的影響，海水的瞬時(shí)深度隨水位不斷發(fā)生變化，瞬時(shí)水深往往比圖載水深要深，如果艦船能夠?qū)崟r(shí)獲得航道瞬時(shí)水深，利用水位變化導(dǎo)航，則可擴(kuò)大航道的通航能力。

在實(shí)際航海中，通常利用潮位預(yù)報(bào)得到某時(shí)刻的潮位值來改正海圖水深數(shù)據(jù)，進(jìn)而估計(jì)實(shí)時(shí)水深。但是這種預(yù)報(bào)潮位沒有考慮實(shí)際存在的涌浪、風(fēng)浪、余水位等誤差，和實(shí)際水深相比，其誤差有時(shí)會達(dá)到dm 級［1－2］；而且，潮位預(yù)報(bào)的范圍往往較大，不利于航道、港池和碼頭等局部范圍的導(dǎo)航。因此，探索一種可行的實(shí)時(shí)水深導(dǎo)航模型，構(gòu)建局部實(shí)時(shí)水深導(dǎo)航系統(tǒng)，具有一定的實(shí)用意義。

1 GNSS浮標(biāo)實(shí)時(shí)水深導(dǎo)航模型構(gòu)建

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位（GNSS）技術(shù)的發(fā)展，GNSS技術(shù)在海洋測繪各個(gè)領(lǐng)域得到深入廣泛的應(yīng)用。特別是 DGPS技術(shù)的發(fā)展，信標(biāo)差分、GPS－RTK、CORS等差分定位手段為高精度海洋測繪工程提供了新的技術(shù)途徑。這為海面布設(shè)GNSS浮標(biāo)，實(shí)時(shí)測定海面三維坐標(biāo)提供了很好的技術(shù)保障。本文提出，借助布設(shè)的GNSS浮標(biāo)實(shí)時(shí)測定浮標(biāo)所在位置的大地坐標(biāo)（B，L，H），通過數(shù)據(jù)鏈，發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心（基準(zhǔn)站），通過對船舶導(dǎo)航系統(tǒng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，獲得GNSS浮標(biāo)所在位置及附近區(qū)域的實(shí)時(shí)水位，達(dá)到引導(dǎo)船舶航行的目的。導(dǎo)航模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GNSS浮標(biāo)導(dǎo)航模型結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic model of GNSS navigation buoy

1.1 GNSS浮標(biāo)

GNSS浮標(biāo)采用錨系浮標(biāo)形式。浮標(biāo)水上部分裝載GNSS接收機(jī)、信號發(fā)射器、姿態(tài)傳感器及供電設(shè)備。GNSS接收機(jī)能接收衛(wèi)星信號，實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)的實(shí)時(shí)定位，并通過信號發(fā)射器將定位信息發(fā)送到岸上GNSS基準(zhǔn)站。

1.2 GNSS基準(zhǔn)站

GNSS基準(zhǔn)站又是導(dǎo)航信息處理中心。其主要功能是：① 接收GNSS衛(wèi)星信號。通過電臺接收浮標(biāo)定位信號并對接收到的浮標(biāo)定位信息進(jìn)行差分改正，獲得較高精度的浮標(biāo)平面坐標(biāo)和浮標(biāo)所在海水面的WGS84橢球大地高。②構(gòu)建GNSS浮標(biāo)信息系統(tǒng)。應(yīng)用該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)編號、大小、所在位置及其海面瞬時(shí)高度的查詢。③ 實(shí)現(xiàn)電子海圖與浮標(biāo)信息系統(tǒng)的融合。通過電子海圖系統(tǒng)能查詢航道信息、GNSS浮標(biāo)位置海圖基準(zhǔn)及瞬時(shí)水深。④通過電臺實(shí)時(shí)發(fā)布海圖及浮標(biāo)所在位置的實(shí)時(shí)水位或水深等信息。

1.3 船舶導(dǎo)航

船舶導(dǎo)航通過現(xiàn)有的船載導(dǎo)航儀來實(shí)現(xiàn)。通過船載GNSS定位儀、信號收發(fā)臺實(shí)現(xiàn)與基準(zhǔn)站的信息互動(dòng)，通過導(dǎo)航軟件設(shè)置航線并查詢航線區(qū)域海圖，查詢航線區(qū)域?qū)崟r(shí)水深。

GNSS浮標(biāo)實(shí)時(shí)水深導(dǎo)航模型的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 GNSS浮標(biāo)實(shí)時(shí)水深導(dǎo)航模型的功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Functional configuration diagram of real－depth model about GNSS navigation buoy

2 GNSS浮標(biāo)實(shí)時(shí)水深船舶導(dǎo)航模型的可行性分析

（1）該模型中，航道水面GNSS浮標(biāo)有3根錨鏈系泊，每根錨鏈在靠近浮標(biāo)處都放置一個(gè)浮筒。試驗(yàn)結(jié)果表明，此錨泊系統(tǒng)能滿足浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，錨鏈張力也比較小，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值［3］。為提高浮標(biāo)的定位精度，可安裝浮標(biāo)姿態(tài)傳感器采集校正數(shù)據(jù)調(diào)制后發(fā)送到GNSS基準(zhǔn)站。應(yīng)用GPS測定水面高度，觀測條件好的情況下能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)偏差3cm，觀測條件不好的情況下能獲得與驗(yàn)潮儀一樣的結(jié)果［4］。GNSS浮標(biāo)的密度可參考一個(gè)驗(yàn)潮站控制的范圍為準(zhǔn)，即同一時(shí)刻任兩點(diǎn)的潮位高低之差不得大于測深精度的一半［5］；潮位變化大的地區(qū)，GNSS浮標(biāo)設(shè)置密度大；潮位變化小的區(qū)域，GNSS浮標(biāo)設(shè)置密度小。

（2）數(shù)據(jù)處理中心（GNSS基準(zhǔn)站）可通過改造沿海信標(biāo)基準(zhǔn)臺站，進(jìn)行功能拓展。海圖對應(yīng)的深度基準(zhǔn)面的大地高，可在確定深度基準(zhǔn)面的長期驗(yàn)潮站測量求取。根據(jù)文獻(xiàn)［6］，只要在驗(yàn)潮站附近水準(zhǔn)點(diǎn)架設(shè)GNSS接收機(jī)，測定水準(zhǔn)點(diǎn)的 WGS84橢球大地高就可獲得深度基準(zhǔn)面的大地高。

驗(yàn)潮站深度基準(zhǔn)面與GNSS天線、驗(yàn)潮站水準(zhǔn)點(diǎn)、多年平均海面等基準(zhǔn)面之間的空間結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 驗(yàn)潮站深度基準(zhǔn)面大地高求定示意Fig.3 Schematic diagram of datum geodetic height in tide station

由圖3可知，驗(yàn)潮站深度基準(zhǔn)面的大地高可由下式求得：

式中，H為GNSS天線大地高，Δh為GPS天線至水準(zhǔn)點(diǎn)的高差，h為驗(yàn)潮站水準(zhǔn)點(diǎn)高程，hm為多年平均海面至深度基準(zhǔn)面的高差。

數(shù)據(jù)處理中心可構(gòu)建浮標(biāo)管理信息系統(tǒng)對浮標(biāo)進(jìn)行管理［7］，在電子海圖信息系統(tǒng)中可查詢浮標(biāo)的實(shí)時(shí)位置，并將浮標(biāo)所在區(qū)域水位和實(shí)時(shí)水深通過電臺發(fā)送給用戶（船舶）。

（3）目前交通部下轄的各海事局港區(qū)及外港作業(yè)船舶都在使用DGPS導(dǎo)航儀（如MX400系列）。該定位儀依靠全球各國海上安全監(jiān)督管理部門設(shè)置的指向標(biāo)站日夜通過數(shù)據(jù)鏈播發(fā)RTCM改正數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)船舶DGPS定位；同時(shí)能夠查詢附近船舶在電子海圖上位置［8－9］。若在數(shù)據(jù)鏈中調(diào)制 GNSS浮標(biāo)位置及水深信息，在船載導(dǎo)航儀中實(shí)現(xiàn)GNSS浮標(biāo)及實(shí)時(shí)水深查詢是可行的。

3 結(jié)束語

在船舶航行過程中，常借助海圖和潮汐表來預(yù)報(bào)計(jì)劃航線上的水深。由于圖載水深和預(yù)報(bào)水位的誤差，造成預(yù)報(bào)水深和實(shí)際水深的差異，給航行帶來安全隱患。本文提出在海面安置一些GNSS浮標(biāo)，實(shí)時(shí)測定瞬時(shí)海面的高度，并將經(jīng)過處理的實(shí)時(shí)水位信息發(fā)送給用戶。在電子海圖中加載航線實(shí)時(shí)水深，可對船舶進(jìn)行導(dǎo)航。該模型包括海上GNSS浮標(biāo)、數(shù)據(jù)處理中心（基準(zhǔn)站）和用戶（船舶）3個(gè)部分，各部分實(shí)現(xiàn)不同的功能。模型涉及GNSS技術(shù)、通信技術(shù)和電子海圖技術(shù)，如果將3種技術(shù)很好地融合在一起，在實(shí)際工作中是切實(shí)可行的。

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