航標(biāo)監(jiān)控及高精度定位技術(shù)研究

楊興輝+敖自棟

摘 要：航標(biāo)是重要的水上助航設(shè)備，隨著海運事業(yè)的迅速發(fā)展，海上船只越來越多，航標(biāo)管理工作也迎來了新挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的人工管理方式已難以滿足航標(biāo)管理要求，因此急需研發(fā)航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)。本文首先介紹了我國航標(biāo)管理現(xiàn)狀，并總結(jié)了目前存在的問題，然后有針對性地設(shè)計了一套高效可靠的航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)，對系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。最后設(shè)計了航標(biāo)高精度定位算法，使航標(biāo)定位更加準(zhǔn)確。本文的研究對航標(biāo)監(jiān)控和定位有重要的參考意義。

關(guān)鍵詞：航標(biāo)監(jiān)控 GPS定位 定位誤差

1.前言

航標(biāo)的定位最終是采用無線電設(shè)備完成的，但這些設(shè)備體積大、耗電多、性能差，很快被拋棄了。后來又采用甚高頻無線設(shè)備對航標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，然而始終無法解決抗干擾和通信距離等關(guān)鍵問題。近年來西方航運大國開始采用現(xiàn)代化航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)，大大提高了省事管理水平。我國的航標(biāo)技術(shù)發(fā)展得益于在長江和三峽庫區(qū)的大規(guī)模應(yīng)用和探索，目前正穩(wěn)步走向數(shù)字化和信息化。但總體看來，我國研制的航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)在可靠性和精度方面仍然存在很大的不足。因此有必要開發(fā)更可靠更精準(zhǔn)的航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)概要設(shè)計

2.1功能需求分析

航標(biāo)作為重要的船舶助航設(shè)施，要求航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)必須能夠很好地指示航標(biāo)的實時位置。具體說來，航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)首先需要具備基本的數(shù)據(jù)采集功能，以預(yù)設(shè)的頻率采集航標(biāo)的電量和經(jīng)緯度等信息，并與遠(yuǎn)程控制中心建立通訊連接；其次，系統(tǒng)還需提供信息查詢功能，管理人員可以隨時通過監(jiān)控系統(tǒng)獲得有關(guān)航標(biāo)的各項狀態(tài)數(shù)據(jù)；再次，系統(tǒng)還必須具有故障告警功能，當(dāng)航標(biāo)出現(xiàn)偏移、失電、滅燈或其它故障現(xiàn)象時，可以通過遠(yuǎn)程通信的方式將故障信號傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心；最后，系統(tǒng)還應(yīng)提供參數(shù)設(shè)置功能，讓管理人員可以按需求對航標(biāo)終端的主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

2.2終端系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)以上功能需求，本文將整個航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)劃分為遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、無線通信模塊和現(xiàn)場終端設(shè)備三大部分組成。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的功能是對航標(biāo)進(jìn)行實時監(jiān)控，同時負(fù)責(zé)終端上傳數(shù)據(jù)的處理和展示；無線通信模塊的作用是完成遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和航標(biāo)終端之間的數(shù)據(jù)傳輸，無線通信采用SMS方式實現(xiàn)。終端設(shè)備安裝在航標(biāo)上，它由主控單元MCU、GPS采集芯片、GSM無線通信芯片和其它控制電路構(gòu)成。

2.3終端硬件選型

航標(biāo)終端作為監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集源，其電路設(shè)計應(yīng)該具有高度可靠、高度集成、高速運算、易于擴展等特點?；诖?，電子元器件的選擇是重中之重。本系統(tǒng)的主控單元采用了ARM7系列處理器LPC2136，它可以滿足低功耗、低成本、高主頻、高性能、大內(nèi)存的要求，同時具備GPS、GSM和串行接口，內(nèi)部的定時器、采集通道和輸入輸出接口等資源也完全滿足本系統(tǒng)的要求。為了提高系統(tǒng)集成度，盡量減小設(shè)備體積和重量，無線通信模塊采用了GPS 和 GSM 一體芯片SIM548，該芯片具有串口分時復(fù)用功能，大大提高了系統(tǒng)互連性能和擴展能力。

2.4定位方式的選擇

目前較成熟的無線定位技術(shù)主要有陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)、蜂窩無線定位系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)三大類。其中陸基無線電導(dǎo)航方式對天氣非常敏感，精度也較低，難以滿足本系統(tǒng)的需求；蜂窩無線定位方式雖然精度可以滿足要求，但由于覆蓋率低和費用昂貴等原因，也不是本文的首選；因此本文采用了GPS定位方式，它可以實現(xiàn)高精度、全天候、全覆蓋地完成導(dǎo)航定位功能。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計方法，把系統(tǒng)功能劃分為多個功能模塊來實現(xiàn)，再由主程序完成各模塊之間的協(xié)調(diào)。代碼編寫采用ARM-C語言和匯編語言實現(xiàn)，調(diào)試器采用AXD，在Code Warrior IDE環(huán)境中完成編譯。軟件功能主要通過中斷事件來觸發(fā)完成，中斷事件采用循環(huán)掃描方式，中斷處理函數(shù)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、GPS信息接收、命令響應(yīng)等模塊構(gòu)成。

4.高精度定位方案4.1航標(biāo)偏移分析

航標(biāo)受拋射技術(shù)的限制和外部環(huán)境干擾，通常會發(fā)生一定程度的偏移。當(dāng)偏移量過大時，就需要采取相應(yīng)的措施使其回到標(biāo)準(zhǔn)位置。航標(biāo)偏移的原因可以歸納為人為因素和自然因素兩種。前者主要表現(xiàn)為過往船只的牽扯，它往往只影響到個別航標(biāo)的偏移；后者則主要表現(xiàn)為海風(fēng)和潮汐的影響，它通常會影響到所有航標(biāo)的位移偏移。

4.2GPS定位誤差分析

（1）衛(wèi)星時鐘誤差。GPS雖然采用了精度極高的原子鐘，但與理想的時鐘相比仍然存在一定的誤差。時鐘的誤差最終會以定位誤差表現(xiàn)出來；

（2）衛(wèi)星軌道誤差。衛(wèi)星理論上是按照星歷軌道運行的，但由于各種內(nèi)外部因素的影響，其軌道與預(yù)定軌道始終存在一定的偏差，這是GPS定位誤差的重要來源之一；

（3）衛(wèi)星天線誤差。衛(wèi)星信號是通過天線來接收的，天線的制造從工藝的角度上看是不可能沒有誤差的，其中天線幾何中心誤差和相位中心誤差對定位精度影響較大；

（4）信號傳輸誤差。衛(wèi)星信號穿過大氣層才能被地面天線所接收，在經(jīng)過電離層時會引入額外的延時，經(jīng)過對流層時受空氣條件影響較明顯，同時易受其它無線電信號的干擾；

（5）接收機誤差。用戶接收機性能各異，也會引入一定的誤差，例如觀測誤差、時鐘誤差、分辨率誤差、天線誤差等。

4.3高精度定位算法

考慮到GPS原始數(shù)據(jù)的誤差較大，難以滿足航標(biāo)的高精度定位要求，因此需要對誤差進(jìn)行消除。GPS定位方法主要有靜態(tài)定位和動態(tài)定位兩大類，其中后者又包括動態(tài)絕對定位和動態(tài)相對定位。動態(tài)相對定位需要兩個GPS接收機共同完成，一個作為基站，另一個作為測點站，兩臺接收機同時接收衛(wèi)星信號并作差，以此消除GPS的各種定位誤差，這就是差分定位原理。差分定位有位置差分、偽距差分、載波相對差分和相位平滑差分等多種，其中偽距差分因其邏輯簡單、成本低廉、效益較好等優(yōu)點，在小型定位系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，技術(shù)也是最為成熟的。因此本文采用偽距差分法。要實現(xiàn)GPS偽距差分。

修正系數(shù)是高精度偽距差分定位的關(guān)鍵之所在，為了保證修正系統(tǒng)計算的盡可能準(zhǔn)確，還需要采用合理的修正系數(shù)融合模型。本文采用的是基于距離的線性內(nèi)插模型，該模型產(chǎn)生于20世紀(jì)末，它在模擬用戶接收機的電離層延遲方面有著優(yōu)異的性能，同時在消除軌道偏差和電離層偏差方面也有著較好的效果。具體原理分析如下。

4.4基于距離線性內(nèi)插模型

4.5定位數(shù)據(jù)優(yōu)化

考慮到GPS主機在數(shù)據(jù)處理過程中會引入一定的誤差，包括多路徑效應(yīng)、大氣折射誤差和隨機誤差等。采用SIM548芯片的RAIM、Strobe Corrector 和Z-Tracking 等技術(shù)可以有效抑制多路徑效應(yīng)和大氣折射誤差。對于隨機誤差，考慮到小波濾波法等算法對硬件要求較高，難以滿足本系統(tǒng)的需要，因此綜合應(yīng)用了均值濾波和一階滯后濾波等算法來消除隨機誤差。

5.總結(jié)與展望

本文設(shè)計的航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)具備航標(biāo)狀態(tài)監(jiān)測和故障監(jiān)測等功能，同時滿足了航標(biāo)的高精度定位要求，可以對水上航標(biāo)的移動量進(jìn)行精確測量。該系統(tǒng)成本低、精度高、可維護性好，系統(tǒng)的使用不但提高了航標(biāo)的管理效率，還大大減輕了管理人員的勞動強度，在經(jīng)濟層面上使航標(biāo)導(dǎo)航區(qū)域的經(jīng)濟效益大大提升，在技術(shù)層面上也使得航道智能化管理水平有了質(zhì)的飛躍。

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