基于物联网的高精度船舶导航系统设计

基于物联网的高精度船舶导航系统设计
聂 华
(陕西职业技术学院 电子信息工程学院，陕西 西安 710038)
摘要: 为解决RTK船舶导航系统定向能力较差、目标定位精度较低等问题，设计基于物联网的高精度船舶导航系统。

通过物联网传感器电路设计、导航信息采集模块设计2个方面，完成新型导航系统的硬件运行环境搭建。

在此基础上，按照导航数据采集与预处理、数据精度解算、导航任务分配的物理操作流程，完成新型导航系统的软件运行环境搭建，结合硬件执行条件，实现基于物联网高精度船舶导航系统的顺利运行。

对比实验结果表明，与RTK导航系统相比，应用新型高精度导航系统后，船舶定向能力得到稳定提升，目标定位精度的最大值也不再低于理想极值85.21%。

关键词：物联网；高精度导航；传感器电路；信息采集
中图分类号：TP273 文献标识码：A
文章编号： 1672 – 7649(2019)4A – 0172 – 03 doi：10.3404/j.issn.1672 – 7649.2019.4A.058
Design of high precision ship navigation system based on internet of things
NIE Hua
(School of Electronic Information Engineering, Shaanxi Vocational and Technical College, Xi′an 710038, China)
Abstract: In order to solve the problems of poor orientation ability and low target positioning accuracy of RTK ship navigation system, a high precision ship navigation system based on Internet of Things is designed. Through the design of sensor circuit and navigation information acquisition module of the Internet of Things, the hardware operation environment of the new navigation system is built. On this basis, according to the physical operation flow of navigation data acquisition and pre-processing, data precision calculation and navigation task assignment, the software operation environment of the new navigation system is built, and the smooth operation of the high-precision ship navigation system based on the Internet of Things is realized by combining the hardware execution conditions. The experimental results show that, compared with RTK navigation system, the ship orientation ability has been steadily improved with the application of the new high-precision nav-igation system, and the maximum target positioning accuracy is no longer lower than the ideal extreme value of 85.21%.
Key words: internet of things；high precision navigation；sensor circuit；information acquisition
0 引　言
导航系统是多项基础功能的集合表现形式，其中定位、路径计算与指导、目的地选择是3种最主要的物理功能。

传感器作为导航系统的最基本执行元件，可以通过地磁感应现象测定行进过程中的方向变化情况，以保证航行的绝对准确性。

RTK导航系统以DSP& ARM处理芯片作为硬件执行设备，并依靠GNSS/INS 双天线监测的方式，使系统自身的导航能力得到有效保障[1]。

在过去很长的一段时间里，RTK导航系统始终在船舶航行等多个领域具备较强的应用市场，但随着科学技术手段的进步，这种系统在船舶定向、目标定位等多个方面的精确性标准始终不能达到预期水平。

为解决上述问题，引入相关改良技术，并建立一种基于物联网的新型高精度船舶导航系统。

从硬件角度来看，这种新型系统具备传感器电路、导航信息采集模块2个关键执行结构，可达到对船舶数据信息的最大化处理，具备极强的实际推广价值。

1 基于物联网的高精度船舶导航系统硬件设计
在物联网传感器电路、导航信息采集模块两个物理流程的支持下，新型船舶导航系统的硬件执行单元
第41 卷 第 4A 期舰 船 科 学 技 术Vol. 41, No. 4A 2019 年 4 月SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY Apr. , 2019
收稿日期: 2018 – 12 – 02
作者简介: 聂华(1985 – )，男，硕士，讲师，研究方向为电子信息技术。

可按照如下步骤进行搭建、设计。

1.1 物联网传感器电路设计
物联网传感器电路以InvenSense 芯片作为核心搭建装置，考虑到船舶导航系统需要兼备较强的灵动性，芯片周围分布多个阻值为3.75×107 Ω定值电阻，且每个电阻的最大灵敏误差都不超过1%，额定电压数值也始终处于4.7~5.8 V 之间。

作为高精度船舶导航系统的唯一供电单元，物联网传感器电路与导航信息采集模块等硬件组织均保持串行连接的交流状态，整个通路中的导航连接电流处处相等，但由于各设备的定向阻值不同，所分得的精度电压也具备较大差异，这也是新型导航系统具备较强精度区分能力的主要原因。

完整的物联网传感器电路结构如图1所示。

1.2 导航信息采集模块设计
导航信息采集模块是新型高精度船舶导航系统中最大的硬件执行单元，包含IMU380ZA-200，Systems 两个主要搭建设备。

其中，IMU380ZA-200设备是1个具备惯性导航功能的高性能处理器，可以通过SPI 端口输出与船舶航行导航指令相关数据参量，再借助物联网传感器电路对这些参量进行回溯处理[2]。

Systems 设备具备较强的辅助读取功能，可以根据船舶物联网的现有执行状态，调节导航信息在系统中的传输连接速率，并以此达到控制数据采集及预处理进程的目的。

具体导航信息采集模块结构如图2所示。

2 基于物联网的高精度船舶导航系统设计
在基础硬件执行环境的支持下，按照导航数据采集与预处理、数据精度解算、导航任务分配的操作流程，实现软件执行环境搭建，两相结合，完成基于物联网高精度船舶导航系统的搭建。

2.1 物联网导航数据的采集和预处理
物联网导航数据采集操作以信息采集模块作为背景处理环境，在确保相关参量、数据保持稳定的条件
下，物联网导航数据采集可为后续精度解算操作提供基本的信息支持。

而预处理操作则是在完成数据采集后，通过分析船舶航行走向趋势的手段，定义系统的整体执行标准，并在多项硬件执行设备的支持下，达到控制系统导航指令输出量的目的。

图3清晰表述了船舶物联网导航数据的采集与预处理流程。

2.2 数据精度解算
数据精度解算以物理网采集到的船舶导航数据作为应用范本，在满足高级约束条件的前提下，将所有低精度等级参量转化为高精度等级参量，并以此达到对船舶导航进行精准控制的目的[3]。

假设在满足物联网运行需求的前提下，船舶航行数据总量的最大值始终保持为w ，低精度等级算子条件为q ，高精度等级算子条件为q ′′，则利用上述变量可将船舶导航系统的数据精度解算结果表示为：
P
= wq (
λ+χ)q ′′t
i −e。

(1)
图 1 物联网传感器电路结构图
Fig. 1 Circuit structure of internet of things sensor
图 2 导航信息采集模块结构图
Fig. 2 Structure diagram of navigation information
acquisition module
图 3 物联网导航数据采集与预处理流程图Fig. 3 Flow charts of navigation data acquisition and
preprocessing in the Internet of Things
第 41 卷聂 华：基于物联网的高精度船舶导航系统设计
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式中：λ，χ分别为2个不同的船舶导航数据节点；t为导航物联网对高精度等级算子的定向影响向量；i为最大精度范围；e为理想精度解算误差。

2.3 系统导航任务分配
导航任务分配是高精度船舶导航系统搭建的末尾环节。

随着船舶航行时间的不断延长，信息采集模块中的物理执行数据累计明显，物联网传感器电路面临较强的物理运行压力[4]。

为避免航行误差量的出现，核心计算机会根据各执行结构对数据的分解能力，将导航指令分解成多个小型的信息消耗组织，再为每个组织配备固定的精度解算条件，以保证最终的执行结果具备较强的应用价值，而这整个消耗、重组的物理过程即为船舶系统的导航任务分配操作。

至此完成新型系统的软件运行环境搭建，结合硬件执行条件，实现基于物联网高精度船舶导航系统的顺利运行。

3 实验结果与分析
为突出说明基于物联网高精度船舶导航系统的实效性，设计如下对比实验。

在物联网调节系数、虚拟机运行向量等多项参数保持不变的前提下，以60 min 作为实验时间，分别记录在该段时间内，应用新型导航系统和RTK导航系统后，相关实验数据的具体变化情况，其中前者作为实验组、后者最为对照组。

3.1 船舶定向能力对比
表1反映了在60 min的实验时间内，实验组、对照组船舶定向能力的详细变化趋势。

分析表1可知，应用实验组导航系统后，船舶定向能力在前期虽然出现一定程度的下降，但随着实验时间的增加，这种下降状态逐渐演变为上升；而应用对照组导航系统后，船舶定向能力虽然整体呈现上升趋势，但上升幅度不断缩小，直至减小为0。

整个实验过程中实验组、对照组定向能力差的最大值达到33.91%。

3.2 目标定位精度对比
图4反映了在60 min的实验时间内，应用实验组、对照组系统后船舶目标定位精度的变化情况。

分析图4可知，随着实验时间的增加，实验组、对照组目标定位精度呈现完全不同的变化趋势。

与理想曲线相比，实验组目标定位精度的整体数值得到稳定提升，且最大值也超过理想极值85.21。

而对照组目标定位精度的整体数值始终低于理想曲线，且最大值也仅能达到63.47，远低于实验组。

4 结　语
从实验分析的角度来看，基于物联网高精度船舶导航系统具备提升船舶定向能力、目标定位精度等多项物理属性的能量，且与RTK导航系统相比，这种新型系统的搭建流程相对简单，具备更强的实际适应能力。

参考文献：
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[4]
表 1 船舶定向能力对比表
Tab. 1 Contrast table of ship orientation capability
实验时间/min 实验组船舶
定向能力/%
对照组船舶
定向能力/%
定向能力差/%
584.3150.4033.91 1082.6250.4632.16 1580.5650.5130.05 2079.2550.5928.66 2578.4050.6327.77 3078.4050.7227.68 3578.4050.8427.56 4078.5450.8527.69 4579.0850.8628.22 5079.9750.8728.10 5580.1950.8829.31 6080.7350.8829.85
图 4 目标定位精度对比图
Fig. 4 Comparison of target positioning accuracy
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