試論航標監控及高精度定位技術

江凱武 洪平縣

摘要：本文針對航標監控與定位進行分析，從總體設計、軟硬件設計、定位技術選擇等方面構建監控航標系統，并對航標偏移的因素進行探討，在GPS定位技術的應用下提出靜態與動態兩種定位方法，旨在為我國航標監控與定位工作提供借鑒與參考。

關鍵詞：航標監控；高精度；定位技術

引言：

以往航標定位主要利用無線電設備完成，由于存在性能較差、設備占地面積大、耗電嚴重等弊端，逐漸被甚高頻無線設備取代，但是仍然受到干擾與通信距離的限制。近年來，我國逐漸將現代化航標監控系統應用到航運事業中，該系統具有較強的精準性與可靠性，對航標監控與定位具有重大現實意義。

1.航標監控系統設計

1.1總體設計

航標監控系統主要包括三個部分，分別為遠程監控中心、現場終端設備、無線通信模塊。其中，遠程監控中心可對航標進行實時監控，并對終端上傳的數據信息進行處理和顯示；現場終端設備與航標固定在一起，由GPS采集芯片、主控單元MCU以及其他控制電路構成；無線通信模塊主要用于航標終端與遠程控制中心之間的數據傳輸，通過SMS的方式實現。

1.2軟硬件設計

在硬件選型方面，監控系統的信息采集由航標終端完成，在電路設計上要具備高速運算與集成、易擴展等特征，因此電子元器件的選擇十分重要。在本系統中，主控單元選擇ARM7系列處理器LPC2136，其具有高主頻、低成本、功耗小、性能強等特點，并具有GSM與GPS雙接口，傳輸接口與采集通道等均與系統需求相符合。為了促進系統集成，使設備體積與重量減輕，將一體芯片SIM548應用其中，該芯片具有串口分時復用功能，能夠使系統得到有效的擴展與性能提升。

在軟件設計方面，本系統以模塊化方式設計，對系統功能進行細分后，再由主程序完成各個子模塊的協調工作。采用ARM-C語言與匯編語言進行代碼編寫，采用AXD作為調試器；軟件的主要功能體現在中斷事件的處理上，以循環掃描的方式為主，處理函數包括數據采集與處理、命令響應與GPS信息接收等多個方面。

1.3定位技術選擇

現階段，航標監控的主要技術有陸基無線電導航系統、蜂窩定位系統、衛星導航系統與三種，其中，第一種雖然較為成熟，但對天氣具有較強的敏感性，且精度也符合高精準的要求，無法充分適用于本系統；第二種雖然精度符合標準，但投入費用較高、覆蓋率較低，同樣無法得到高效應用；因此，本文采用第三種定位技術，即GPS定位方式，其不但具有高精度、全天候特征，還能夠在全覆蓋的基礎上完成對航標的導航與定位[1]。

2.航標監控中GPS高精度定位技術

2.1航標偏移分析

在船舶航行的過程中，正確的標位是其安全的重要保障。在航道維護工作中，由于受到航標拋射技術、外部條件的影響，航標實際位置與設計位置之間可能存在一定偏差。當航標偏移度處于允許范圍內時，可認為標位正常；當航標偏移位置超過允許范圍時，則需要采取有效措施幫助其恢復正常。

航標偏移的原因主要有兩種，一種是人為導致，另一種是自然因素。在人為因素中，主要由于過往船只的碰撞與拖帶，導致船舶航行位置發生偏移；在自然因素中，主要因風、潮汐等影響，使航標出現錯位。上述兩種因素的報警在上位機中有不同體現，對于第一種情況來說，主要體現在個別航標突發性大偏移而產生報警，能夠在較短的時間內恢復正常；而第二種則體現在特定水域內大多數航標出現小偏移，且偏移的速度較慢，具有連續性。隨著天氣與時間的變化，航標可自行恢復到正常位置，無需人工介入。以上兩種情況產生的航標偏移均較為明顯，下文將針對航標在水上的具體情況對影響其位置的主要因素進行分析。

差分定位法具有位置差分、偽距差分、載波差分與相位平滑差分幾種形式，其中位置差分屬于最為簡單方便的一種方法，利用超過4顆衛星便可對基準站位置進行明確，將基準站坐標與已知坐標進行對比，獲得改正數，并利用其對測量站坐標進行修正；偽距差分基本原理是在基準站中借助已知坐標計算測量站與衛星間的距離，將二者包含的各類誤差偽距進行對比，借助濾波器對計算出的差值進行濾波獲取偏差，作為偽距改正數，最后將該數值上傳到用戶站，利用改正數對測量偽距進行修正，求出用戶站的實際坐標[3]。

載波相對差分原理與偽距定位原理大同小異，一種為修正法，另一種為求差法，其中，前一種基準站將載波相位修正量傳給用戶站，對載波相位進行改正，后一種為求差法，將基站中的載波相位傳遞給用戶站，并由用戶站對觀測值進行求差。相對差分技術具有較強的定位精度，能夠根據實際航道需求充分滿足系統定位要求。

結論：

綜上所述，本文所設計的航標監控系統具有監測與定位兩個功能，與以往技術相比具有較強的精度，投入成本較低，可維護性強，能夠有效減輕管理人員的工作強度，使航標導航的經濟效益得到顯著提升，在技術層面與管理層面也得到快速發展。

參考文獻

[1]高偉光.航標監控及GPS高精度定位方法研究[D]. 合肥工業大學，2016.

[2]王晴.高精度航標遙測系統研究與設計[D]. 重慶大學，2015.

[3]楊興輝，敖自棟. 航標監控及高精度定位技術研究[J]. 珠江水運，2017（22）：85-86.

作者簡介：江凱武（1974.05.19）；男，福建省漳州市人，本科，畢業于東北財經大學；助理工程師；研究方向：航標工程建設安全管理。

（作者單位：東海航海保障中心交通部）