船載多傳感器組合定位系統設計與實現＊

李慧麗 黃 偉 趙 恒

（武漢數字工程研究所 武漢 430074）

1 引言

隨著船舶定位技術的發展，定位設備的種類越來越多，定位系統的種類越來越多，如全球定位系統（Global Position System，簡稱GPS）、羅蘭C無線電定位系統（Loran C）、慣性導航系統（Inertial Navigation System，簡稱INS）、船位推算系統（Dead Reckoning System，簡 稱 DRS）、多 普 勒（Doppler）測速系統以及電子海圖顯示與信息系統（Electronic Chart Display and Information Sys-tem，簡稱ECDIS）等［1］，單一的使用某種定位系統在性能上都存在著局限性，難以滿足船舶航行的可靠性要求，對自主性、可靠性以及精度性要求高的船舶導航應用場合，尤其是軍用場合，需要定位系統可以運用現代信息融合技術充分利用船載多種設備，實現設備管理和信息集成，以獲得更高的定位精度和可靠性。

文章研究設計了基于電子海圖的多傳感器組合定位系統。該系統以電子海圖系統為平臺，優化配置船載多種傳感器設備，采用GPS和DR組合定位技術，實現了船舶的可靠性定位。利用信息融合技術綜合處理傳感器數據，得到船舶最佳的定位信息，通過電子海圖實時動態地顯示船舶的綜合航行態勢，從而構成高可靠性、多功能的船舶組合定位系統。

2 系統的結構組成和基本工作原理

2.1 結構組成

系統實時采集船載傳感器的報文并進行解析，利用融合策略處理各類定位數據，以電子海圖作為定位、監控和指揮的平臺，在電子海圖上實現了對航行中船舶的精確定位和對船載多傳感器的可視化管理，結構圖如圖1所示。

圖1 定位系統結構圖

其中，傳感器管理模塊管理多源異質的傳感器，所謂多源異質是指數據來源于多個不同類型的傳感器［2］，該模塊實現了將船載多源異質傳感器接入系統進行串口綁定并實現分類管理的功能；傳感器數據采集模塊主要完成對各個傳感器報文的接收以及預處理，通過對報文進行解析，剔除不完整數據，保留有效的數據；航跡推算模塊主要是用推算算法進行下一時刻的船位推算；定位數據組合處理模塊是組合定位系統的關鍵部分，它是將多個數據源的數據通過融合策略將它們融合到一起，從而提高系統的準確性和魯棒性；電子海圖系統作為本系統的顯示平臺，主要是實時更新當前船舶的態勢，并對各類設備的狀態、定位數據以及船舶航行狀態進行監控，做出相應的告警提示，提醒操作人員注意。

2.2 定位原理

DGPS以及GPS定位系統具有全球全天候高精度連續定位能力，以及操作使用方便、自動化程度高、可靠性高和費用低廉等優點［3］，但是其信號容易受到其他信號的干擾以及衛星星歷誤差和衛星信號延遲的影響［4］。所以本系統使用以DGPS為首的位置傳感器作為主用定位設備。在其出現設備故障或者數據無效的情況下，系統主動采用其他船用傳感器如羅經（GYRO）、計程儀（LOG）等的定位定向數據或者人工觀測的定位定向數據，使用船位推算（Dead reckoning，簡稱DR）進行輔助定位，進而實現系統的高可靠性定位。

DR作為一種先進的自主式定位方法，其實現導航定位的原理卻是比較簡單的：以起航點或觀測船位為推算起始點，根據船舶最基本的航海儀器（GYRO和LOG）所指示的航向、航程以及船舶的操縱要素和風流要素等，在不借助外界導航物標的條件下，推算出具有一定精度的航跡和船位［5］，在2D平面內，其推算方程［5］如式（1）所示。

式中，X0、Y0表示推算起點的位置，Si表示Ti－1時刻到Ti時刻船舶行使距離，θi表示Ti－1時刻到Ti時刻船舶行使航跡向，TC表示真航向，γ表示風流壓差，它等于風壓差與流壓差的代數和。

由式（1）可以看出，雖然DR可以完全自主的進行定位，但是定位精度都取決于傳感器的測量精度，當航向信息的精度較差時，DR推算出來的船舶航跡將很快地偏離實際行使的軌跡；而且隨著時間的推移，測量誤差以及計算誤差將會遞增，精確度從而也呈現出遞減趨勢，因此，單獨的船位推算系統不宜進行長時間的單獨定位。

系統利用GPS具有長時間絕對定位的穩定性，而DR具有短時間相對定位的穩定性的特點，一方面當GPS觀測衛星數較多、衛星幾何分布結構較好時工作于GPS模式，同時利用GPS精確的定位結果輔助DR的初始化；另一方面，一旦GPS出現設備故障或者定位數據無效時，系統又可以自動地切換到DR導航方式，直至GPS恢復正常狀態。采用這種組合定位方式可以大大提高導航的安全性和系統的可靠性。

3 關鍵設計的實現

系統主要由系統初始化模塊、串行通訊模塊、數據采集模塊、數據組合處理模塊以及數據顯示模塊等幾部分組成。在實現過程中，需要解決一些關鍵技術，例如多源異質傳感器的管理，以及定位信息的解析以及組合處理等。本文就以下兩方面對系統具體實現過程做出論述。

3.1 多傳感器管理

通常情況下，船上一般都載有多個定位用傳感器設備，如何管理這些傳感器資源，最大化其利用率以更好的為導航服務，具有重要的意義。系統將各種定位相關傳感器設備按其用途來劃分，分為以下四大類，分別是：

1）位置源傳感器：能夠提供本船定位信息（包括地理位置、航速航向等信息）的傳感器，比如Loran-C、GPS、DGPS等。

2）航速源傳感器：能夠提供本船航速信息的傳感器，比如LOG。

3）航向源傳感器：能夠提供本船航向信息的傳感器，比如GYRO。

4）其它類傳感器：不直接提供本船航速航向或者位置信息，但在本船定位過程中要參考價值的傳感器，例如測深儀、風速風向儀等。

為了實現可靠性定位，對位置源傳感器、航速源傳感器、以及航向源傳感器進行雙配置，形成冗余備份。在這幾類設備接入系統的同時進行優先級指定，規定它們中只能有一個主用設備，另外一個作為備用設備，在主用設備完好的情況下，系統采用主用設備的輸出進行本船定位，同時根據兩個設備的精度，設定一個閾值，該閾值用于監測主備用設備的輸出值差異，當主備用設備輸出差異大于設定的閾值時，提醒操作人員注意，以此來監測兩個設備是否工作在正常狀態，當確定主用設備出現故障時，可以提高備用設備的優先級，從備用改為主用。

3.2 數據處理過程

系統在運行過程中可能在同一時間會收到來自多個傳感器的多條報文，對于數據的采集和解析是影響整個系統效率和可靠性的重要因素。根據國際電工委員會制定的IEC61162-1協議，在程序中定義個11個與常用定位相關語句相對應的語句結構體，語句歸納詳見表1所示。串口接收線程將獲取到的數據按照協議提取，保留符合標準的完整語句，拋棄不完整的語句；信息解析線程將這些語句解析后分類放入相應的結構體內；數據融合處理線程對數據進行融合處理，然后分發給界面以及外部設備。

表1 定位相關語句

信號在傳輸和接收過程中不可避免的要受到噪聲的干擾或污染，在量測過程中也不可避免的要引入一定的量測噪聲，這些都使模型的定位精度降低，為了提供船舶的定位精度，系統采用了Kalman濾波算法，對所有可操作的定位傳感器提供的位置信息進行濾波處理，為本船提供平滑過渡的位置信息。同時將此信息連同航速航向信息，更新DR模塊的本船的定位信息，以作備用。

數據處理過程自動識別傳感器是否工作在正常狀態，若均工作在正常狀態，則進行融合，若其中某個傳感器暫時失效，則拋棄其受污染的數據，依照一系列判斷邏輯，采用可用的且精度最高的傳感器的數據，進行船舶定位，來提高系統輸出數據的精確性和整個系統的健壯性。其中，位置信息自動識別過程如圖2所示。

圖2位置信息自動識別過程邏輯框圖

航速航向信息的自動識別過程如圖3所示，DGPS、GPS所獲取的對地航速、對地航向具有最高的優先級，當這兩類傳感器無效的時候，次之選擇LOG提供的對地航速航向，如果LOG也無效，則先選擇采用人工設置的設置的航速、航向，最低優先級采用LOG提供的對水航速以及GYRO提供的本船航向信息。

圖3航速航向信息自動識別過程邏輯框圖

4 試驗結果與分析

使用綜合船橋通導設備集成模擬器進行仿真實驗，實驗配備兩個GPS，兩個LOG，兩個GYRO，噪音比率統一設置為5%。設計一條計劃航路，確定14個參考點，以檢驗組合定位系統的精度，航路起始點位置為北緯29°57′36″，西經121°59′57″，終止點位置為北緯29°39′56″，西經122°34′45″，全長39.20海里。

圖4 定位設備完好情況下系統誤差統計

圖5 GPS失效情況下使用LOG、GYRO進行DR定位誤差統計

圖6 定位設備失效時使用人工輸入進行DR定位誤差統計

圖7 定位設備失效時利用慣性DR定位誤差統計

采集四組實驗數據，分別對應四種定位模式：1）模式為GPS、LOG、GYRO都正常工作，組合定位系統經緯度誤差見圖4所示；2）為定位過程中有幾段時間內GPS工作失效，進行DR定位，推算用數據由LOG、GYRO提供，組合定位系統經緯度誤差見圖5所示；3）為定位過程中一段時間以后GPS、LOG、GYRO相繼失效，進行DR定位，推算用數據由人工調整輸入提供，組合定位系統經緯度誤差見圖6所示；4）為定位過程中一段時間內GPS、LOG、GYRO相繼失效，根據慣性定律，進行DR定位，推算用數據采用定位設備最新更新的船舶定位數據，組合定位系統定位經緯度誤差見圖7所示。

由圖4可知，定位設備完好的情況下，系統誤差最低，在圖5、圖6以及圖7中，波峰所在的位置即為定位設備失效以后一段時間，由圖可知，GPS具有最高的定位性能；LOG、GYRO由于不提供位置數據，所以只能減緩GPS失效時組合定位系統誤差的發散；人工輸入DR用推算起點、航速航向，因主觀差異性比較大，定位誤差的浮動比較大，與操作者的個人經驗有很大的關系；而依據設備失效時所得的最新的定位數據進行慣性推算定位，在短期內能保持系統的定位精度，但是隨著時間的推進，誤差會遞增，當GPS再次可用時，位置誤差才可以得到校正。所以，在實際使用中，根據特定情況，不同組合定位方式的快速切換，可以在一定程度上保障航行的安全，同時為設備維修爭取了時間。

5 結語

該組合定位系統將船載多種定位傳感器如GPS、DGPS、LOG、GYRO等同電子海圖，船位推算有機地結合起來，充分利用了GPS和DR的互補作用。論文詳細介紹了定位系統的基本原理以及實現過程中的關鍵設計，通過仿真實驗，比較了系統提供的四種定位模式下的定位精度，驗證了該設計思路的簡單可行性以及該組合定位系統能一定程度上提高航行的可靠性和精度。

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