航標(biāo)遙測(cè)系統(tǒng)研究

隨著電子技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)通信以及遙測(cè)遙控系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空、航海等各個(gè)領(lǐng)域中。出?？诩皟?nèi)陸河道作為航海航運(yùn)重要的一部分，其管理維護(hù)方法及管理質(zhì)量對(duì)我國(guó)航運(yùn)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(hù)自動(dòng)化、數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)成為可能。GPS(全球定位系統(tǒng))是美國(guó)國(guó)防部于1973年開(kāi)始研制的衛(wèi)星全球?qū)Ш蕉ㄎ?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/系統(tǒng)">系統(tǒng)，主要為其海陸空三軍服務(wù)。近幾年來(lái)已逐步應(yīng)用于民用設(shè)施及測(cè)繪技術(shù)中，同時(shí)美國(guó)軍方逐步放松對(duì)民用GPS設(shè)備的限制，使得民用GPS達(dá)到了比較高的定位精度。利用GPS對(duì)航道航標(biāo)等設(shè)備進(jìn)行位置遙測(cè)與監(jiān)控是一種比較理想的方法。本文以航標(biāo)監(jiān)控的具體要求為標(biāo)準(zhǔn)，把整個(gè)航道管理區(qū)域內(nèi)需監(jiān)控的目標(biāo)物組成一個(gè)GPS遙測(cè)網(wǎng)，并利用各種濾波方法消除相應(yīng)的誤差，提高了遙測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1 GPS OEM板與航道GPS遙測(cè)網(wǎng)

1.1 GPS OEM板

GPS OEM板是GPS接收機(jī)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(yīng)用于定位及導(dǎo)航領(lǐng)域中。它的定位精度已經(jīng)能達(dá)到幾十米，甚至可以達(dá)到10米以?xún)?nèi)的精度。本課題所用到的Thales集團(tuán)導(dǎo)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(jiān)測(cè)

航道是交通網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)重要組成部分，其安全質(zhì)量直接影響著整個(gè)交通系統(tǒng)。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(biāo)燈作為警戒導(dǎo)航裝置，各種船只可以根據(jù)航標(biāo)燈光及其閃動(dòng)頻率來(lái)確定自己的航向。至于航標(biāo)的維護(hù)，則是航道部門(mén)每隔一定時(shí)間派巡航船只對(duì)各航標(biāo)燈進(jìn)行目測(cè)和實(shí)測(cè)。因?yàn)楹降乐泻綐?biāo)燈比較多，這就使得這種巡航航道的維護(hù)方式操作繁瑣，運(yùn)作維護(hù)成本高，安全質(zhì)量低。

1.3 航道GPS遙測(cè)網(wǎng)

航道中航標(biāo)遙測(cè)網(wǎng)主要是對(duì)水標(biāo)(拋錨在水中的航標(biāo))進(jìn)行遙測(cè)以便對(duì)其位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控(其系統(tǒng)原理圖如圖1所示);

而岸標(biāo)(固定在堤岸上的航標(biāo))由于其位置不變所以無(wú)需GPS遙測(cè)。GPS在航標(biāo)遙測(cè)網(wǎng)中的實(shí)際任務(wù)就是實(shí)時(shí)測(cè)量航標(biāo)燈所在位置，并與預(yù)先劃定的位置范圍進(jìn)行比較，如果漂離出所標(biāo)定的范圍，即通過(guò)GSM網(wǎng)發(fā)送警報(bào)信息給監(jiān)控中心，以便于監(jiān)控中心采取相應(yīng)措施。這將就可以排除航標(biāo)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(qū)域內(nèi)有成百個(gè)水標(biāo)，因此在提高安全質(zhì)量的同時(shí)也需考慮成本投入。根據(jù)航道的具體要求，其精度并不需要精確到米級(jí)以下，因此不需要價(jià)格昂貴的高精度GPS接收機(jī)及測(cè)量?jī)x。同時(shí)將GPS OEM板與水標(biāo)進(jìn)行捆綁，可以以相對(duì)較低的成本取得高質(zhì)量的管理效果。本系統(tǒng)使用的是法國(guó)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(wèi)星傳送的星歷信息)。

2 誤差分析、數(shù)值處理及控制流程

2.1 誤差分析

GPS測(cè)量的誤差主要包括衛(wèi)星部分、信號(hào)傳播、信號(hào)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(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩部分。其中系統(tǒng)誤差主要包括衛(wèi)星的星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差以及大氣折射的誤差等。隨機(jī)誤差主要包括信號(hào)的多路徑效應(yīng)等。雖然系統(tǒng)誤差比隨機(jī)誤差要大些，其消除主要靠接收機(jī)本身[1]，但是它總是有一定的規(guī)律可循的，所以采取一定的措施進(jìn)行處理對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性都是非常重要的。由于水面多路徑效應(yīng)比較嚴(yán)重，所以使用精密相位中心、具厄流圈的測(cè)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(shù)值處理

針對(duì)各種誤差，測(cè)量技術(shù)中已應(yīng)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(cè)量試驗(yàn)與觀(guān)察分析發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的不同、衛(wèi)星分布狀態(tài)的改變以及天氣的變化，GPS所讀數(shù)據(jù)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)精度的提高至關(guān)重要。以下是系統(tǒng)中所用到的幾種濾波方法。

中值濾波法：即對(duì)所測(cè)三個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，去掉最大和最小的一個(gè)，取中間值作為測(cè)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(xù)測(cè)量n(可調(diào))次經(jīng)緯度數(shù)據(jù)并將它們從小到大進(jìn)行排隊(duì)，去掉最大的m次數(shù)據(jù)和最小的m次數(shù)據(jù)，以中間的n-2m次數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，并存于一個(gè)存儲(chǔ)單元。由于航道遙測(cè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求并不高，所以把n盡量取得大些。設(shè)n次所讀數(shù)據(jù)和為Xn，經(jīng)排序后最小m次數(shù)據(jù)和為XmMIN，最大m次數(shù)據(jù)和為XmMAX，則：

Xsum=Xn-XmMIN-XmMAX

把Xsum存于存儲(chǔ)單元作為后續(xù)處理方法的和基準(zhǔn)。 算術(shù)平均濾波法：即采樣一定量的數(shù)據(jù)，然后對(duì)其求平均值作為測(cè)量估計(jì)值，這樣可以使得偏離真值的正負(fù)誤差相消，從而使測(cè)量值更接近真實(shí)值。本課題將前面所取得的n-2m次測(cè)量數(shù)據(jù)作算術(shù)平均，且存于固定的算術(shù)平均值存儲(chǔ)單元，并根據(jù)以后所讀數(shù)據(jù)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(zhǔn)存于存儲(chǔ)單元。Xi是每讀一次數(shù)據(jù)所求平均值，作為位置評(píng)估值應(yīng)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(shù)據(jù)以后再作后處理，而測(cè)量過(guò)程中必須對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。所以，所測(cè)量經(jīng)緯度的變化趨勢(shì)必須反應(yīng)出來(lái)，以便航標(biāo)因?yàn)橐馔舛鏊o定范圍時(shí)能實(shí)時(shí)向監(jiān)控中心發(fā)送警報(bào)信息，從而進(jìn)行修正。本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)與觀(guān)察的結(jié)果，采取進(jìn)一新數(shù)退一平均數(shù)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(cè)量過(guò)程中，常常會(huì)碰到偏離中值較遠(yuǎn)的粗大誤差。這對(duì)經(jīng)過(guò)前面幾種濾波法處理后的數(shù)據(jù)基準(zhǔn)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊，限幅濾波法就是針對(duì)這一思想的。設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)所測(cè)數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較后，差值超過(guò)閾值就認(rèn)為是粗大誤差并舍掉。但是本課題中如果航標(biāo)燈因意外而漂出很遠(yuǎn)，就必須能識(shí)別出來(lái)，而不能當(dāng)粗大誤差全部舍掉。所以在控制程序中專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一計(jì)數(shù)器對(duì)舍掉比率進(jìn)行計(jì)數(shù)，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(zhǔn)及其算術(shù)平均基準(zhǔn)。