試論航標(biāo)監(jiān)控及高精度定位技術(shù)

江凱武 洪平縣

摘要：本文針對(duì)航標(biāo)監(jiān)控與定位進(jìn)行分析，從總體設(shè)計(jì)、軟硬件設(shè)計(jì)、定位技術(shù)選擇等方面構(gòu)建監(jiān)控航標(biāo)系統(tǒng)，并對(duì)航標(biāo)偏移的因素進(jìn)行探討，在GPS定位技術(shù)的應(yīng)用下提出靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩種定位方法，旨在為我國(guó)航標(biāo)監(jiān)控與定位工作提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：航標(biāo)監(jiān)控；高精度；定位技術(shù)

引言：

以往航標(biāo)定位主要利用無(wú)線電設(shè)備完成，由于存在性能較差、設(shè)備占地面積大、耗電嚴(yán)重等弊端，逐漸被甚高頻無(wú)線設(shè)備取代，但是仍然受到干擾與通信距離的限制。近年來(lái)，我國(guó)逐漸將現(xiàn)代化航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到航運(yùn)事業(yè)中，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的精準(zhǔn)性與可靠性，對(duì)航標(biāo)監(jiān)控與定位具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

1.航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1總體設(shè)計(jì)

航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分，分別為遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備、無(wú)線通信模塊。其中，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可對(duì)航標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)終端上傳的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理和顯示；現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備與航標(biāo)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(gòu)成；無(wú)線通信模塊主要用于航標(biāo)終端與遠(yuǎn)程控制中心之間的數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)SMS的方式實(shí)現(xiàn)。

1.2軟硬件設(shè)計(jì)

在硬件選型方面，監(jiān)控系統(tǒng)的信息采集由航標(biāo)終端完成，在電路設(shè)計(jì)上要具備高速運(yùn)算與集成、易擴(kuò)展等特征，因此電子元器件的選擇十分重要。在本系統(tǒng)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(qiáng)等特點(diǎn)，并具有GSM與GPS雙接口，傳輸接口與采集通道等均與系統(tǒng)需求相符合。為了促進(jìn)系統(tǒng)集成，使設(shè)備體積與重量減輕，將一體芯片SIM548應(yīng)用其中，該芯片具有串口分時(shí)復(fù)用功能，能夠使系統(tǒng)得到有效的擴(kuò)展與性能提升。

在軟件設(shè)計(jì)方面，本系統(tǒng)以模塊化方式設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行細(xì)分后，再由主程序完成各個(gè)子模塊的協(xié)調(diào)工作。采用ARM-C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言進(jìn)行代碼編寫(xiě)，采用AXD作為調(diào)試器；軟件的主要功能體現(xiàn)在中斷事件的處理上，以循環(huán)掃描的方式為主，處理函數(shù)包括數(shù)據(jù)采集與處理、命令響應(yīng)與GPS信息接收等多個(gè)方面。

1.3定位技術(shù)選擇

現(xiàn)階段，航標(biāo)監(jiān)控的主要技術(shù)有陸基無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)、蜂窩定位系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與三種，其中，第一種雖然較為成熟，但對(duì)天氣具有較強(qiáng)的敏感性，且精度也符合高精準(zhǔn)的要求，無(wú)法充分適用于本系統(tǒng)；第二種雖然精度符合標(biāo)準(zhǔn)，但投入費(fèi)用較高、覆蓋率較低，同樣無(wú)法得到高效應(yīng)用；因此，本文采用第三種定位技術(shù)，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(chǔ)上完成對(duì)航標(biāo)的導(dǎo)航與定位[1]。

2.航標(biāo)監(jiān)控中GPS高精度定位技術(shù)

2.1航標(biāo)偏移分析

在船舶航行的過(guò)程中，正確的標(biāo)位是其安全的重要保障。在航道維護(hù)工作中，由于受到航標(biāo)拋射技術(shù)、外部條件的影響，航標(biāo)實(shí)際位置與設(shè)計(jì)位置之間可能存在一定偏差。當(dāng)航標(biāo)偏移度處于允許范圍內(nèi)時(shí)，可認(rèn)為標(biāo)位正常；當(dāng)航標(biāo)偏移位置超過(guò)允許范圍時(shí)，則需要采取有效措施幫助其恢復(fù)正常。

航標(biāo)偏移的原因主要有兩種，一種是人為導(dǎo)致，另一種是自然因素。在人為因素中，主要由于過(guò)往船只的碰撞與拖帶，導(dǎo)致船舶航行位置發(fā)生偏移；在自然因素中，主要因風(fēng)、潮汐等影響，使航標(biāo)出現(xiàn)錯(cuò)位。上述兩種因素的報(bào)警在上位機(jī)中有不同體現(xiàn)，對(duì)于第一種情況來(lái)說(shuō)，主要體現(xiàn)在個(gè)別航標(biāo)突發(fā)性大偏移而產(chǎn)生報(bào)警，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常；而第二種則體現(xiàn)在特定水域內(nèi)大多數(shù)航標(biāo)出現(xiàn)小偏移，且偏移的速度較慢，具有連續(xù)性。隨著天氣與時(shí)間的變化，航標(biāo)可自行恢復(fù)到正常位置，無(wú)需人工介入。以上兩種情況產(chǎn)生的航標(biāo)偏移均較為明顯，下文將針對(duì)航標(biāo)在水上的具體情況對(duì)影響其位置的主要因素進(jìn)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(jiǎn)單方便的一種方法，利用超過(guò)4顆衛(wèi)星便可對(duì)基準(zhǔn)站位置進(jìn)行明確，將基準(zhǔn)站坐標(biāo)與已知坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，獲得改正數(shù)，并利用其對(duì)測(cè)量站坐標(biāo)進(jìn)行修正；偽距差分基本原理是在基準(zhǔn)站中借助已知坐標(biāo)計(jì)算測(cè)量站與衛(wèi)星間的距離，將二者包含的各類誤差偽距進(jìn)行對(duì)比，借助濾波器對(duì)計(jì)算出的差值進(jìn)行濾波獲取偏差，作為偽距改正數(shù)，最后將該數(shù)值上傳到用戶站，利用改正數(shù)對(duì)測(cè)量偽距進(jìn)行修正，求出用戶站的實(shí)際坐標(biāo)[3]。

載波相對(duì)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(zhǔn)站將載波相位修正量傳給用戶站，對(duì)載波相位進(jìn)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(duì)觀測(cè)值進(jìn)行求差。相對(duì)差分技術(shù)具有較強(qiáng)的定位精度，能夠根據(jù)實(shí)際航道需求充分滿足系統(tǒng)定位要求。

結(jié)論：

綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)與定位兩個(gè)功能，與以往技術(shù)相比具有較強(qiáng)的精度，投入成本較低，可維護(hù)性強(qiáng)，能夠有效減輕管理人員的工作強(qiáng)度，使航標(biāo)導(dǎo)航的經(jīng)濟(jì)效益得到顯著提升，在技術(shù)層面與管理層面也得到快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]高偉光.航標(biāo)監(jiān)控及GPS高精度定位方法研究[D]. 合肥工業(yè)大學(xué)，2016.

[2]王晴.高精度航標(biāo)遙測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D]. 重慶大學(xué)，2015.

[3]楊興輝，敖自棟. 航標(biāo)監(jiān)控及高精度定位技術(shù)研究[J]. 珠江水運(yùn)，2017（22）：85-86.

作者簡(jiǎn)介：江凱武（1974.05.19）；男，福建省漳州市人，本科，畢業(yè)于東北財(cái)經(jīng)大學(xué)；助理工程師；研究方向：航標(biāo)工程建設(shè)安全管理。

（作者單位：東海航海保障中心交通部）