航标监控及高精度定位技术研究

航标监控及高精度定位技术研究

作者：杨兴辉敖自栋

来源：《珠江水运》2017年第22期

摘要：航标是重要的水上助航设备，随着海运事业的迅速发展，海上船只越来越多，航标管理工作也迎来了新挑战。传统的人工管理方式已难以满足航标管理要求，因此急需研发航标监控系统。本文首先介绍了我国航标管理现状，并总结了目前存在的问题，然后有针对性地设计了一套高效可靠的航标监控系统，对系统的软硬件实现进行了详细的阐述。最后设计了航标高精度定位算法，使航标定位更加准确。本文的研究对航标监控和定位有重要的参考意义。

关键词：航标监控 GPS定位定位误差

1.前言

航标的定位最终是采用无线电设备完成的，但这些设备体积大、耗电多、性能差，很快被抛弃了。后来又采用甚高频无线设备对航标进行监控，然而始终无法解决抗干扰和通信距离等关键问题。近年来西方航运大国开始采用现代化航标监控系统，大大提高了省事管理水平。我国的航标技术发展得益于在长江和三峡库区的大规模应用和探索，目前正稳步走向数字化和信息化。但总体看来，我国研制的航标监控系统在可靠性和精度方面仍然存在很大的不足。因此有必要开发更可靠更精准的航标监控系统。

2.系统概要设计

2.1功能需求分析

航标作为重要的船舶助航设施，要求航标监控系统必须能够很好地指示航标的实时位置。具体说来，航标监控系统首先需要具备基本的数据采集功能，以预设的频率采集航标的电量和经纬度等信息，并与远程控制中心建立通讯连接；其次，系统还需提供信息查询功能，管理人员可以随时通过监控系统获得有关航标的各项状态数据；再次，系统还必须具有故障告警功能，当航标出现偏移、失电、灭灯或其它故障现象时，可以通过远程通信的方式将故障信号传输到远程控制中心；最后，系统还应提供参数设置功能，让管理人员可以按需求对航标终端的主要参数进行设置。

2.2终端系统总体设计

根据以上功能需求，本文将整个航标监控系统划分为远程监控中心、无线通信模块和现场终端设备三大部分组成。远程监控中心的功能是对航标进行实时监控，同时负责终端上传数据的处理和展示；无线通信模块的作用是完成远程监控中心和航标终端之间的数据传输，无线通信采用SMS方式实现。终端设备安装在航标上，它由主控单元MCU、GPS采集芯片、GSM 无线通信芯片和其它控制电路构成。

2.3终端硬件选型

航标终端作为监控系统的数据采集源，其电路设计应该具有高度可靠、高度集成、高速运算、易于扩展等特点。基于此，电子元器件的选择是重中之重。本系统的主控单元采用了ARM7系列处理器LPC2136，它可以满足低功耗、低成本、高主频、高性能、大内存的要求，同时具备GPS、GSM和串行接口，内部的定时器、采集通道和输入输出接口等资源也完全满足本系统的要求。为了提高系统集成度，尽量减小设备体积和重量，无线通信模块采用了GPS 和 GSM 一体芯片SIM548，该芯片具有串口分时复用功能，大大提高了系统互连性能和扩展能力。

2.4定位方式的选择

目前较成熟的无线定位技术主要有陆基无线电导航系统、蜂窝无线定位系统和卫星导航系统三大类。其中陆基无线电导航方式对天气非常敏感，精度也较低，难以满足本系统的需求；蜂窝无线定位方式虽然精度可以满足要求，但由于覆盖率低和费用昂贵等原因，也不是本文的首选；因此本文采用了GPS定位方式，它可以实现高精度、全天候、全覆盖地完成导航定位功能。

3.系统软件设计

系统软件采用模块化设计方法，把系统功能划分为多个功能模块来实现，再由主程序完成各模块之间的协调。代码编写采用ARM-C语言和汇编语言实现，调试器采用AXD，在Code Warrior IDE环境中完成编译。软件功能主要通过中断事件来触发完成，中断事件采用循环扫描方式，中断处理函数包括数据采集、数据处理、GPS信息接收、命令响应等模块构成。

4.高精度定位方案4.1航标偏移分析

航标受抛射技术的限制和外部环境干扰，通常会发生一定程度的偏移。当偏移量过大时，就需要采取相应的措施使其回到标准位置。航标偏移的原因可以归纳为人为因素和自然因素两种。前者主要表现为过往船只的牵扯，它往往只影响到个别航标的偏移；后者则主要表现为海风和潮汐的影响，它通常会影响到所有航标的位移偏移。

4.2GPS定位误差分析

（1）卫星时钟误差。GPS虽然采用了精度极高的原子钟，但与理想的时钟相比仍然存在一定的误差。时钟的误差最终会以定位误差表现出来；

（2）卫星轨道误差。卫星理论上是按照星历轨道运行的，但由于各种内外部因素的影响，其轨道与预定轨道始终存在一定的偏差，这是GPS定位误差的重要来源之一；

（3）卫星天线误差。卫星信号是通过天线来接收的，天线的制造从工艺的角度上看是不可能没有误差的，其中天线几何中心误差和相位中心误差对定位精度影响较大；

（4）信号传输误差。卫星信号穿过大气层才能被地面天线所接收，在经过电离层时会引入额外的延时，经过对流层时受空气条件影响较明显，同时易受其它无线电信号的干扰；

（5）接收机误差。用户接收机性能各异，也会引入一定的误差，例如观测误差、时钟误差、分辨率误差、天线误差等。

4.3高精度定位算法

考虑到GPS原始数据的误差较大，难以满足航标的高精度定位要求，因此需要对误差进行消除。GPS定位方法主要有静态定位和动态定位两大类，其中后者又包括动态绝对定位和动态相对定位。动态相对定位需要两个GPS接收机共同完成，一个作为基站，另一个作为测点站，两台接收机同时接收卫星信号并作差，以此消除GPS的各种定位误差，这就是差分定位原理。差分定位有位置差分、伪距差分、载波相对差分和相位平滑差分等多种，其中伪距差分因其逻辑简单、成本低廉、效益较好等优点，在小型定位系统中得到了广泛的应用，技术也是最为成熟的。因此本文采用伪距差分法。要实现GPS伪距差分。

修正系数是高精度伪距差分定位的关键之所在，为了保证修正系统计算的尽可能准确，还需要采用合理的修正系数融合模型。本文采用的是基于距离的线性内插模型，该模型产生于20世纪末，它在模拟用户接收机的电离层延迟方面有着优异的性能，同时在消除轨道偏差和电离层偏差方面也有着较好的效果。具体原理分析如下。

4.4基于距离线性内插模型