航標遙測系統研究

隨著(zhù)電子技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)通信以及遙測遙控系統被廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、航空、航海等各個(gè)領(lǐng)域中。出?？诩皟汝懞拥雷鳛楹胶：竭\重要的一部分，其管理維護方法及管理質(zhì)量對我國航運業(yè)的影響至關(guān)重要。發(fā)展至今，電子通信產(chǎn)品的可靠性越來(lái)越高，成本越來(lái)越低，這使得航道管理維護自動(dòng)化、數字化的實(shí)現成為可能。GPS(全球定位系統)是美國國防部于1973年開(kāi)始研制的衛星全球導航定位系統，主要為其海陸空三軍服務(wù)。近幾年來(lái)已逐步應用于民用設施及測繪技術(shù)中，同時(shí)美國軍方逐步放松對民用GPS設備的限制，使得民用GPS達到了比較高的定位精度。利用GPS對航道航標等設備進(jìn)行位置遙測與監控是一種比較理想的方法。本文以航標監控的具體要求為標準，把整個(gè)航道管理區域內需監控的目標物組成一個(gè)GPS遙測網(wǎng)，并利用各種濾波方法消除相應的誤差，提高了遙測數據的準確性。

1 GPS OEM板與航道GPS遙測網(wǎng)

1.1 GPS OEM板

GPS OEM板是GPS接收機中一個(gè)重要的組成部分，它具有成本低、體積小、重量輕、產(chǎn)品種類(lèi)多、性?xún)r(jià)比高等很多優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應用于定位及導航領(lǐng)域中。它的定位精度已經(jīng)能達到幾十米，甚至可以達到10米以?xún)鹊木?。本課題所用到的Thales集團導航定位公司的GPS OEM B12就是一款性?xún)r(jià)比很高的產(chǎn)品。

1.2 航道監測

航道是交通網(wǎng)絡(luò )中一個(gè)重要組成部分，其安全質(zhì)量直接影響著(zhù)整個(gè)交通系統。以前航道部門(mén)專(zhuān)門(mén)在航道的堤岸、橋頭、故障物旁邊安裝各種航標燈作為警戒導航裝置，各種船只可以根據航標燈光及其閃動(dòng)頻率來(lái)確定自己的航向。至于航標的維護，則是航道部門(mén)每隔一定時(shí)間派巡航船只對各航標燈進(jìn)行目測和實(shí)測。因為航道中航標燈比較多，這就使得這種巡航航道的維護方式操作繁瑣，運作維護成本高，安全質(zhì)量低。

1.3 航道GPS遙測網(wǎng)

航道中航標遙測網(wǎng)主要是對水標(拋錨在水中的航標)進(jìn)行遙測以便對其位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監控(其系統原理圖如圖1所示);

而岸標(固定在堤岸上的航標)由于其位置不變所以無(wú)需GPS遙測。GPS在航標遙測網(wǎng)中的實(shí)際任務(wù)就是實(shí)時(shí)測量航標燈所在位置，并與預先劃定的位置范圍進(jìn)行比較，如果漂離出所標定的范圍，即通過(guò)GSM網(wǎng)發(fā)送警報信息給監控中心，以便于監控中心采取相應措施。這將就可以排除航標燈因船只碰撞、水流沖擊等原因而漂離引起事故。而每個(gè)航道管理區域內有成百個(gè)水標，因此在提高安全質(zhì)量的同時(shí)也需考慮成本投入。根據航道的具體要求，其精度并不需要精確到米級以下，因此不需要價(jià)格昂貴的高精度GPS接收機及測量?jì)x。同時(shí)將GPS OEM板與水標進(jìn)行捆綁，可以以相對較低的成本取得高質(zhì)量的管理效果。本系統使用的是法國Thales公司生產(chǎn)的B12 GPS OEM板模塊，它具有并行的12個(gè)接收通道(即同時(shí)可以接收12顆定位衛星傳送的星歷信息)。

2 誤差分析、數值處理及控制流程

2.1 誤差分析

GPS測量的誤差主要包括衛星部分、信號傳播、信號接收等各個(gè)方面帶來(lái)的誤差，但從性質(zhì)上來(lái)講可以歸納為系統誤差和隨機誤差兩部分。其中系統誤差主要包括衛星的星歷誤差、衛星鐘差、接收機鐘差以及大氣折射的誤差等。隨機誤差主要包括信號的多路徑效應等。雖然系統誤差比隨機誤差要大些，其消除主要靠接收機本身[1]，但是它總是有一定的規律可循的，所以采取一定的措施進(jìn)行處理對整個(gè)系統的可靠性都是非常重要的。由于水面多路徑效應比較嚴重，所以使用精密相位中心、具厄流圈的測量天線(xiàn)是消除由于水面環(huán)境所引起誤差的一個(gè)重要方法。

2.2 數值處理

針對各種誤差，測量技術(shù)中已應用了各種濾波方法來(lái)消除或減弱各種誤差的影響，例如中值濾波法、算術(shù)平均濾波法、進(jìn)退遞推濾波法等。通過(guò)大量的測量試驗與觀(guān)察分析發(fā)現，隨著(zhù)時(shí)間的不同、衛星分布狀態(tài)的改變以及天氣的變化，GPS所讀數據都有不同曲線(xiàn)方向的飄移，但是其分布狀態(tài)接近于正態(tài)分布，所以采用一些濾波方法對數據進(jìn)行處理對整個(gè)測量系統精度的提高至關(guān)重要。以下是系統中所用到的幾種濾波方法。

中值濾波法：即對所測三個(gè)數據進(jìn)行排序，去掉最大和最小的一個(gè)，取中間值作為測量值?；谶@種思想，本文在終端控制器上電初始化的時(shí)候連續測量n(可調)次經(jīng)緯度數據并將它們從小到大進(jìn)行排隊，去掉最大的m次數據和最小的m次數據，以中間的n-2m次數據作為基準，并存于一個(gè)存儲單元。由于航道遙測系統對實(shí)時(shí)性要求并不高，所以把n盡量取得大些。設n次所讀數據和為Xn，經(jīng)排序后最小m次數據和為XmMIN，最大m次數據和為XmMAX，則：

Xsum=Xn-XmMIN-XmMAX

把Xsum存于存儲單元作為后續處理方法的和基準。 算術(shù)平均濾波法：即采樣一定量的數據，然后對其求平均值作為測量估計值，這樣可以使得偏離真值的正負誤差相消，從而使測量值更接近真實(shí)值。本課題將前面所取得的n-2m次測量數據作算術(shù)平均，且存于固定的算術(shù)平均值存儲單元，并根據以后所讀數據進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。這樣有：

X=(Xswn)/(n-2m);Xi=(Xsumi)/(n-2m).

其中，X是初始化時(shí)所求平均值，作為一個(gè)平均基準存于存儲單元。Xi是每讀一次數據所求平均值，作為位置評估值應用于位置飄移判斷控制中。

進(jìn)退遞推濾波法：前面兩者都是讀取一定數據以后再作后處理，而測量過(guò)程中必須對所測數據進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。所以，所測量經(jīng)緯度的變化趨勢必須反應出來(lái)，以便航標因為意外而漂出所給定范圍時(shí)能實(shí)時(shí)向監控中心發(fā)送警報信息，從而進(jìn)行修正。本文根據實(shí)驗與觀(guān)察的結果，采取進(jìn)一新數退一平均數的進(jìn)退遞推濾波方法，即：

Xswni=Xsum_i-1+Xi-1+xi

限幅濾波法：在測量過(guò)程中，常常會(huì )碰到偏離中值較遠的粗大誤差。這對經(jīng)過(guò)前面幾種濾波法處理后的數據基準會(huì )產(chǎn)生較大的沖擊，限幅濾波法就是針對這一思想的。設定一個(gè)閾值，當所測數據與基準數據比較后，差值超過(guò)閾值就認為是粗大誤差并舍掉。但是本課題中如果航標燈因意外而漂出很遠，就必須能識別出來(lái)，而不能當粗大誤差全部舍掉。所以在控制程序中專(zhuān)門(mén)設計了一計數器對舍掉比率進(jìn)行計數，如果舍掉比率大于某一值則重新初始化，即重新讀取n-2m次的和基準及其算術(shù)平均基準。