智能航標(biāo)燈系統(tǒng)及其GPS定位算法的思考

卜玉

摘 要：航標(biāo)燈是船舶在江河和海洋性行船的方向指引，不斷完善航標(biāo)燈系統(tǒng)，能夠有效提升船舶運(yùn)行的安全性，對(duì)提升水路的管理水平具有重要作用。本文在對(duì)智能航標(biāo)燈系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了基于差分技術(shù)的GPS定位系統(tǒng)，并制定了基于差分技術(shù)下的GPS定位的改進(jìn)方案，以期為相關(guān)人士提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：智能航標(biāo)燈 GPS定位 差分技術(shù)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和生產(chǎn)力的進(jìn)一步提高，傳統(tǒng)的航標(biāo)燈受其技術(shù)的短板和惡劣工作環(huán)境的影響，故障發(fā)生頻率較高，不利于對(duì)航船的檢測(cè)，并且傳統(tǒng)的航標(biāo)燈維修需要大量的人力和物力，造成了資源的浪費(fèi)。應(yīng)用基于GPS定位的智能航標(biāo)燈系統(tǒng)，能夠有效克服傳統(tǒng)航標(biāo)燈的局限，提升航船的運(yùn)行效率和安全性能。因此，不斷改進(jìn)GPS定位算法，對(duì)提升航標(biāo)燈系統(tǒng)的運(yùn)行效率，具有重要意義。

1.智能航標(biāo)燈系統(tǒng)概述

1.1智能航標(biāo)燈系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

智能航標(biāo)燈系統(tǒng)是一種遠(yuǎn)程自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)包括航標(biāo)指示燈終端、中心計(jì)算機(jī)、GPS接收機(jī)和航標(biāo)控制器等。其中，航標(biāo)指示燈終端包括航標(biāo)燈、任務(wù)處理器和定位等模塊，航標(biāo)指示燈終端的作用是收集GPS衛(wèi)星信號(hào)，并通過將信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS傳達(dá)信息的分析，確定衛(wèi)星定位，然后利用通信模塊對(duì)信息進(jìn)行輸出操作，最后遙感終端接收到定位信息后利用數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)，并對(duì)航標(biāo)指示燈終端進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有效提升了決策的效率，有利于航標(biāo)燈系統(tǒng)朝著自動(dòng)化方向邁進(jìn)。智能航標(biāo)燈系統(tǒng)的出現(xiàn)，是綜合利用單片機(jī)、GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)和無線通信技術(shù)的成果。智能航標(biāo)燈系統(tǒng)將單片機(jī)作為主控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)功能的控制，并將航標(biāo)燈與遙測(cè)終端安裝在一起，通過定時(shí)器對(duì)中心計(jì)算機(jī)進(jìn)行遙控，使其能夠定時(shí)觸發(fā)采集電路，由采集電路對(duì)航標(biāo)系統(tǒng)電氣的各項(xiàng)參數(shù)分別采集，即對(duì)太陽能電池板、蓄電池、航標(biāo)燈的電流電壓和航標(biāo)燈的位置坐標(biāo)等進(jìn)行采集。然后利用通信模塊將采集到的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳送給中心計(jì)算機(jī)，監(jiān)控中心的工作人員根據(jù)收到的信息判斷智能航標(biāo)燈系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，做出正確決策。

1.2智能航標(biāo)燈系統(tǒng)的總體功能

航標(biāo)燈系統(tǒng)利用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)，對(duì)航標(biāo)燈的運(yùn)行參數(shù)的位置信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并結(jié)合航標(biāo)燈的具體參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的功能，從而為維修工作奠定良好基礎(chǔ)，有效降低了事故的發(fā)生概率，提升了航運(yùn)的安全性。航標(biāo)燈系統(tǒng)的具體功能如下。首先，智能航標(biāo)燈系統(tǒng)具有通信功能，通過對(duì)遙感終端無線通信功能的利用，實(shí)現(xiàn)航標(biāo)燈監(jiān)測(cè)終端與監(jiān)測(cè)中心的信息共享與交換。其次，智能航標(biāo)燈系統(tǒng)具有采集功能，通過對(duì)航標(biāo)燈蓄電池各項(xiàng)參數(shù)的定時(shí)采集，判斷智能航標(biāo)燈系統(tǒng)是否存在故障，進(jìn)而進(jìn)行維護(hù)和修理工作。第三，智能航標(biāo)燈系統(tǒng)具有報(bào)警功能，在對(duì)航標(biāo)燈各項(xiàng)參數(shù)的監(jiān)測(cè)過程中，如果發(fā)現(xiàn)航標(biāo)燈的位置發(fā)生偏移，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)立即向控制中心報(bào)警，從而降低故障發(fā)生帶來的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，保證航船的運(yùn)行安全。最后，智能航標(biāo)燈系統(tǒng)具有遙控功能，中心計(jì)算機(jī)能夠向航標(biāo)燈終端發(fā)射查詢命令和閉合航標(biāo)燈的指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)航標(biāo)燈的遙控。

2.基于差分技術(shù)的GPS定位算法研究

2.1 GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)

GPS定位系統(tǒng)是衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于軍事、通信和工程測(cè)繪等各個(gè)領(lǐng)域，并且在社會(huì)生活中也得到了廣泛應(yīng)用，如地圖導(dǎo)航就應(yīng)用了GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)。GPS衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分和GPS信號(hào)接收部分構(gòu)成。其中，空間部分主要由GPS星座構(gòu)成，GPS星座的主要作用首先是實(shí)現(xiàn)對(duì)地面監(jiān)控信息發(fā)來的導(dǎo)航信息的接收和存儲(chǔ)，同時(shí)執(zhí)行監(jiān)控中心的控制指令，其次是利用具有高精度特點(diǎn)的衛(wèi)星時(shí)鐘制定精確的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，最后是為用戶發(fā)送定位信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)航船的導(dǎo)航功能。地面控制部分由分布于全球5個(gè)不同位置的衛(wèi)星監(jiān)控站、3個(gè)信息注入站和1個(gè)主控站構(gòu)成。其中，衛(wèi)星監(jiān)控站的作用是自動(dòng)采集衛(wèi)星數(shù)據(jù)，信息注入站的主要作用是向主控站發(fā)射衛(wèi)星信號(hào)報(bào)告實(shí)時(shí)位置信息，主控站負(fù)責(zé)對(duì)地面控制系統(tǒng)和中心計(jì)算機(jī)的協(xié)調(diào)和管理。GPS信號(hào)接收機(jī)由主機(jī)、天線和電池構(gòu)成，通過對(duì)GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行接收，實(shí)現(xiàn)定位和導(dǎo)航的功能。

2.2差分GPS分類

2.2.1位置差分

位置差分是最為簡(jiǎn)單的差分測(cè)量方式，通過衛(wèi)星接收機(jī)向用戶發(fā)送改正數(shù)，促使用戶對(duì)航向和位置進(jìn)行校正。位置差分只需要向用戶發(fā)送三個(gè)GPS數(shù)據(jù)，因此較為簡(jiǎn)單和方便，但其受站點(diǎn)間的距離影響較大，并且只有當(dāng)用戶和接收機(jī)觀測(cè)的公平是衛(wèi)星相同時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)校正結(jié)果的精確性，因而，定位的精度受外界因素干擾較大，目前，位置差分測(cè)量方式已不常用。

2.2.2偽距差分

偽距差分是應(yīng)用最為廣泛的差分測(cè)量方式，通過將接收機(jī)接到的衛(wèi)星信號(hào)的真實(shí)距離推算出基準(zhǔn)站到用戶的偽距，從而依據(jù)接時(shí)鐘的偏差計(jì)算用戶的實(shí)時(shí)位置。由于偽距差分受外部因素的干擾較大，在實(shí)際測(cè)量中，會(huì)存在偏差。因此，需要消除時(shí)鐘的接收偏差和傳播延時(shí)偏差，對(duì)提升偽距差分定位的精度具有重要意義。

2.2.3載波相位法

雖然位置差分和偽距差分取得了一定的發(fā)展成效，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)定位和導(dǎo)航，但在一些對(duì)導(dǎo)航定位精度要求較高的領(lǐng)域，仍無法滿足其精準(zhǔn)的定位需求，因此可以選擇載波相位差分法，進(jìn)行精準(zhǔn)的三維定位。載波相位差分法通過對(duì)不同測(cè)站間的觀測(cè)值進(jìn)行分析和處理，并發(fā)送給基準(zhǔn)接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星定位的測(cè)量。

2.3 GPS定位誤差

GPS的定位誤差主要包括衛(wèi)星誤差、傳播誤差和接收誤差三種不同的誤差類型。第一，衛(wèi)星誤差是由衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星時(shí)鐘誤差和相對(duì)論效應(yīng)誤差構(gòu)成的。衛(wèi)星星歷誤差主要源于GPS衛(wèi)星運(yùn)行軌道的不穩(wěn)定性造成的，衛(wèi)星時(shí)鐘誤差主要是由衛(wèi)星的偏移造成的，相對(duì)論效應(yīng)誤差受接收機(jī)和衛(wèi)星時(shí)鐘的運(yùn)動(dòng)速度和重力位影響較大。第二，傳播誤差由電離層誤差、對(duì)流層誤差和多路徑效應(yīng)誤差構(gòu)成。電離層產(chǎn)生誤差的原因是衛(wèi)星傳播信號(hào)發(fā)生改變，對(duì)流層產(chǎn)生誤差是由衛(wèi)星信號(hào)的高度和角度不同導(dǎo)致的，多路徑效應(yīng)誤差是由建筑物和水面等產(chǎn)生的反射波對(duì)原衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行削弱導(dǎo)致的。endprint

3.基于差分技術(shù)的GPS定位改進(jìn)方案

3.1差分方法的選擇

由于傳統(tǒng)航標(biāo)燈系統(tǒng)中GPS的定位并不精準(zhǔn)，無法滿足一些對(duì)定位精準(zhǔn)度要求較高的用戶，因此，合理選擇差分技術(shù)對(duì)GPS進(jìn)行定位就顯得十分關(guān)鍵。位置差分的精度較低，已經(jīng)逐漸被淘汰。載波相位差分技術(shù)的精度較高，覆蓋的范圍廣，受外界因素的干擾較小，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建設(shè)投資的成本較高且維修的難度較大，因此，不適應(yīng)GPS的定位需求。偽距差分具有較高的測(cè)量精度，適合在精度為1.5米的情況下進(jìn)行作業(yè)，能夠充分滿足智能航標(biāo)燈系統(tǒng)的定位精度要求，并能夠適用于所有的GPS信號(hào)接收機(jī)，屬于較為理想的定位測(cè)量方法，值得被廣泛采用和借鑒。

3.2 GPS偽距差分定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的GPS偽距差分定位系統(tǒng)由一臺(tái)GPS信號(hào)接收機(jī)、航標(biāo)燈終端和監(jiān)控中心構(gòu)成，GPS信號(hào)接收機(jī)安裝在已知點(diǎn)上，由GPS衛(wèi)星發(fā)射定位和導(dǎo)航的衛(wèi)星信號(hào)，地面監(jiān)控中心和航標(biāo)燈終端同時(shí)對(duì)定位信號(hào)進(jìn)行接收，并將接受的GPS衛(wèi)星信號(hào)與已知數(shù)值進(jìn)行比較，求出偽距的修正值，實(shí)時(shí)傳送至監(jiān)控中心，航標(biāo)燈的終端接收到導(dǎo)航定位信號(hào)，利用ARM處理器對(duì)其定位信息進(jìn)行計(jì)算，得出準(zhǔn)確的經(jīng)緯度信息，然后將計(jì)算結(jié)果發(fā)送給地面監(jiān)控中心，地面監(jiān)控中心依據(jù)偽距的數(shù)值對(duì)航標(biāo)燈的方向進(jìn)行修正，從而使定位的精度不斷提升。一旦發(fā)現(xiàn)航標(biāo)燈的位置發(fā)生的偏移較為嚴(yán)重，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況向地面監(jiān)控中心提出維修申請(qǐng)，并通過監(jiān)控中心及時(shí)查詢航標(biāo)燈的運(yùn)行情況。

在利用GPS對(duì)航標(biāo)燈進(jìn)行實(shí)時(shí)定位的過程中，應(yīng)建構(gòu)由調(diào)制調(diào)解器和無線電臺(tái)構(gòu)成的數(shù)據(jù)鏈，實(shí)現(xiàn)與GPS信號(hào)接收機(jī)的連接。同時(shí)利用RS-232-C接口實(shí)現(xiàn)通信設(shè)備與航標(biāo)燈終端的連接，將基準(zhǔn)站GPS信號(hào)接收機(jī)接收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給調(diào)制調(diào)解器，然后，利用調(diào)制調(diào)解器對(duì)接收到的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼之后發(fā)送給無線電發(fā)射機(jī)。最后將從調(diào)制調(diào)解器解調(diào)完的數(shù)據(jù)通過RS-232-C接口發(fā)送給用戶，從而完成整個(gè)信號(hào)傳輸過程。應(yīng)用結(jié)果表明，本次GPS定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用偽距差分的定位測(cè)量方法，通過對(duì)偽距的修正，有效降低了定位的誤差，提高了定位的精度。

4.結(jié)論

通過以上研究發(fā)現(xiàn)，在研究智能航標(biāo)燈系統(tǒng)及其GPS定位的過程中，通過了解智能航標(biāo)燈系統(tǒng)的總體架構(gòu)和功能，能夠從總體上對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行把握。在此基礎(chǔ)上，利用偽距差分技術(shù)研究GPS定位系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)GPS偽距差分定位系統(tǒng)，能夠有效提升定位的精度。因此，在研究智能航標(biāo)燈系統(tǒng)及其GPS定位的過程中，，可以應(yīng)用上述方法。endprint