基于GPS 的航標(biāo)遙測(cè)系統(tǒng)數(shù)值優(yōu)化方法

1、    基于GPS 的航標(biāo)遙測(cè)系統(tǒng)數(shù)值優(yōu)化方法        王 義 陳 新1 孫炳達(dá)2 時(shí)間:2008年08月26日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        ? 摘 要： 介紹了利用GPS OEM板對(duì)航標(biāo)燈進(jìn)行位置測(cè)量與監(jiān)控的情況，并根據(jù)GPS OE

2、M板誤差源對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的數(shù)值分析處理，同時(shí)根據(jù)GPS OEM板測(cè)量讀數(shù)的特征采取了相應(yīng)的控制策略，取得了良好的實(shí)際應(yīng)用效果，為航道的數(shù)字化、自動(dòng)化建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。? 關(guān)鍵詞： GPS? 數(shù)字化航道? 監(jiān)控?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)品種類多、性價(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米以內(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就是一款性價(jià)比很高的產(chǎn)品。1.2 航道監(jiān)測(cè)? 航

3、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)。以前航道部門專門在航道的堤岸、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)頻率來確定自己的航向。至于航標(biāo)的維護(hù)，則是航道部門每隔一定時(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)

4、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

5、）。?2 誤差分析、數(shù)值處理及控制流程2.1 誤差分析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n，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

6、-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：? ? 其中，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。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，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：? ? 其中,Xsum_i表示第i次數(shù)據(jù)和，Xsum_i-1表示第i-1次

7、數(shù)據(jù)和，表示第i-1次數(shù)據(jù)算術(shù)平均值，xi表示第i次所讀得的數(shù)據(jù)。? 限幅濾波法：在測(cè)量過程中，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，而不能當(dāng)粗大誤差全部舍掉。所以在控制程序中專門設(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)。? 圖2、圖3、圖4分別是對(duì)利用Visual Basic6.0開發(fā)的數(shù)據(jù)采集與處理程序采集的10小時(shí)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行幾種數(shù)據(jù)處理后的坐標(biāo)示意圖（其中，橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)分別表示經(jīng)、緯度）。從這三個(gè)圖中可以看出，從圖2到圖4，數(shù)據(jù)收斂性依次增強(qiáng)，可見綜合幾種濾波法于數(shù)據(jù)處理中，將大大減少誤差，提高系統(tǒng)精度。?2.3? 控制流程? 系統(tǒng)控制流程圖如圖5所示。? 本文通過大量的實(shí)驗(yàn)與測(cè)量觀察，深究了GPS OEM板的誤差來源及規(guī)律,并采取了相