航標監控及高精度定位技術研究

楊興輝+敖自棟

摘 要：航標是重要的水上助航設備，隨著海運事業的迅速發展，海上船只越來越多，航標管理工作也迎來了新挑戰。傳統的人工管理方式已難以滿足航標管理要求，因此急需研發航標監控系統。本文首先介紹了我國航標管理現狀，并總結了目前存在的問題，然后有針對性地設計了一套高效可靠的航標監控系統，對系統的軟硬件實現進行了詳細的闡述。最后設計了航標高精度定位算法，使航標定位更加準確。本文的研究對航標監控和定位有重要的參考意義。

關鍵詞：航標監控 GPS定位 定位誤差

1.前言

航標的定位最終是采用無線電設備完成的，但這些設備體積大、耗電多、性能差，很快被拋棄了。后來又采用甚高頻無線設備對航標進行監控，然而始終無法解決抗干擾和通信距離等關鍵問題。近年來西方航運大國開始采用現代化航標監控系統，大大提高了省事管理水平。我國的航標技術發展得益于在長江和三峽庫區的大規模應用和探索，目前正穩步走向數字化和信息化。但總體看來，我國研制的航標監控系統在可靠性和精度方面仍然存在很大的不足。因此有必要開發更可靠更精準的航標監控系統。

2.系統概要設計

2.1功能需求分析

航標作為重要的船舶助航設施，要求航標監控系統必須能夠很好地指示航標的實時位置。具體說來，航標監控系統首先需要具備基本的數據采集功能，以預設的頻率采集航標的電量和經緯度等信息，并與遠程控制中心建立通訊連接；其次，系統還需提供信息查詢功能，管理人員可以隨時通過監控系統獲得有關航標的各項狀態數據；再次，系統還必須具有故障告警功能，當航標出現偏移、失電、滅燈或其它故障現象時，可以通過遠程通信的方式將故障信號傳輸到遠程控制中心；最后，系統還應提供參數設置功能，讓管理人員可以按需求對航標終端的主要參數進行設置。

2.2終端系統總體設計

根據以上功能需求，本文將整個航標監控系統劃分為遠程監控中心、無線通信模塊和現場終端設備三大部分組成。遠程監控中心的功能是對航標進行實時監控，同時負責終端上傳數據的處理和展示；無線通信模塊的作用是完成遠程監控中心和航標終端之間的數據傳輸，無線通信采用SMS方式實現。終端設備安裝在航標上，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成。

2.3終端硬件選型

航標終端作為監控系統的數據采集源，其電路設計應該具有高度可靠、高度集成、高速運算、易于擴展等特點。基于此，電子元器件的選擇是重中之重。本系統的主控單元采用了ARM7系列處理器LPC2136，它可以滿足低功耗、低成本、高主頻、高性能、大內存的要求，同時具備GPS、GSM和串行接口，內部的定時器、采集通道和輸入輸出接口等資源也完全滿足本系統的要求。為了提高系統集成度，盡量減小設備體積和重量，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用功能，大大提高了系統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主要有陸基無線電導航系統、蜂窩無線定位系統和衛星導航系統三大類。其中陸基無線電導航方式對天氣非常敏感，精度也較低，難以滿足本系統的需求；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，它可以實現高精度、全天候、全覆蓋地完成導航定位功能。

3.系統軟件設計

系統軟件采用模塊化設計方法，把系統功能劃分為多個功能模塊來實現，再由主程序完成各模塊之間的協調。代碼編寫采用ARM-C語言和匯編語言實現，調試器采用AXD，在Code Warrior IDE環境中完成編譯。軟件功能主要通過中斷事件來觸發完成，中斷事件采用循環掃描方式，中斷處理函數包括數據采集、數據處理、GPS信息接收、命令響應等模塊構成。

4.高精度定位方案4.1航標偏移分析

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

4.2GPS定位誤差分析

（1）衛星時鐘誤差。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出來；

（2）衛星軌道誤差。衛星理論上是按照星歷軌道運行的，但由于各種內外部因素的影響，其軌道與預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）衛星天線誤差。衛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。衛星信號穿過大氣層才能被地面天線所接收，在經過電離層時會引入額外的延時，經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原始數據的誤差較大，難以滿足航標的高精度定位要求，因此需要對誤差進行消除。GPS定位方法主要有靜態定位和動態定位兩大類，其中后者又包括動態絕對定位和動態相對定位。動態相對定位需要兩個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、效益較好等優點，在小型定位系統中得到了廣泛的應用，技術也是最為成熟的。因此本文采用偽距差分法。要實現GPS偽距差分。

修正系數是高精度偽距差分定位的關鍵之所在，為了保證修正系統計算的盡可能準確，還需要采用合理的修正系數融合模型。本文采用的是基于距離的線性內插模型，該模型產生于20世紀末，它在模擬用戶接收機的電離層延遲方面有著優異的性能，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基于距離線性內插模型

4.5定位數據優化

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

5.總結與展望

本文設計的航標監控系統具備航標狀態監測和故障監測等功能，同時滿足了航標的高精度定位要求，可以對水上航標的移動量進行精確測量。該系統成本低、精度高、可維護性好，系統的使用不但提高了航標的管理效率，還大大減輕了管理人員的勞動強度，在經濟層面上使航標導航區域的經濟效益大大提升，在技術層面上也使得航道智能化管理水平有了質的飛躍。

參考文獻：

[1]檀丁，李明峰，石陽威.集成式航標布設定位方法研究[J].現代測繪，2017，40（05）：1-4.

[2]陳芹.航標監控及GPS高精度定位方法研究[D].合肥工業大學，2012.endprint