GPS技術(shù)在海上航標監(jiān)控中的作用

1、GPS技術(shù)在海上航標監(jiān)控中的作用    摘要：簡單介紹應用gps及無線通信技術(shù)設(shè)計的海上航標監(jiān)控系統(tǒng)的組成。著重論述利用gps進行浮標位置監(jiān)測，研究了利用dgps改善定位精度的實現(xiàn)技術(shù)。 關(guān)鍵詞：gps(dgps)；浮標監(jiān)控；位置監(jiān)測；撞擊無線通信技術(shù) 。 當前，為了適應海上交通流量大、安全通航的要求高，使航標管理部門（海事局航標處）及時掌握航標的工作狀態(tài)與相關(guān)信息，做到及時、有針對性地對航標設(shè)備進行維護與檢修，降低維護成本，提高管理效率，研究開發(fā)航標自動監(jiān)控系統(tǒng)具有重要意義。 航標是為海上船舶提供導航信號的助航設(shè)備。航標設(shè)備運行狀況，航標位置，將直接影

2、響船舶的安全航行。在受輪船沖撞、潮流漲落、燈器故障等人為和自然因素的影響下，航標會發(fā)生位置偏離、標志損壞、電池老化、燈器狀態(tài)不正常等。因此，必須能夠?qū)崟r掌握航標工作狀態(tài)信息，快速排除故障，確保船舶航行安全 1航標監(jiān)控系統(tǒng)的組成 航標監(jiān)控系統(tǒng)由控制中心、無線通信系統(tǒng)、終端設(shè)備三部分組成， 控制中心主要由前置機、服務器和數(shù)據(jù)庫、gis客戶端平臺組成。其中，前置機由微控制器、通信模塊、gps接收機組成；在微控制器的控制下，通信模塊以短消息或者gprs通信方式通過專網(wǎng)或者internet網(wǎng)絡實現(xiàn)命令和數(shù)據(jù)傳送；服務器包括通信服務器、數(shù)據(jù)管理服務器和信息服務器，其中通信服務器完成短消息或者gprs通信方

3、式的命令和數(shù)據(jù)傳送；數(shù)據(jù)管理服務器主要完成數(shù)據(jù)解析、存儲、處理等功能，通過數(shù)據(jù)解析自動生成各種報表，通過處理完成數(shù)據(jù)分析、處理、判斷、報警等功能；信息服務器主要用于為各個管理用戶提供數(shù)據(jù)。gis客戶端平臺為一客戶端軟件，以s57電子海圖為基礎(chǔ)，在其上疊加航標信息實現(xiàn)可視化實時的航標信息顯示、查詢、報表等功能。 無線通信系統(tǒng)采用gsm無線通信系統(tǒng)，可提供sms和gprs兩種數(shù)據(jù)通信服務。 終端設(shè)備由以下幾個功能部分：微控制器、gps-oem板、通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電源。微控制器采用低功耗、片上2個uart，32kflash，1024+256ramwinbondw77e58。gps-oem板選

4、用了garmin-15l模塊，它可以提供經(jīng)度、緯度、速度、高度、日期、世界協(xié)調(diào)時間(utc)、gps衛(wèi)星工作狀態(tài)等信息。通信模塊采用benqm22模塊，它具有g(shù)sm900/dcs1800/pcs1900三頻工作模式；短消息業(yè)務；gprs數(shù)據(jù)業(yè)務；電源、電壓范圍：3.3v3.8vdc。數(shù)據(jù)采集模塊包括：l個rs-232口、1個rs-485口(預留5個接線端子口)和1個多路12位高精度a/d通道，可實現(xiàn)同時對多種具有modbus通信協(xié)議接口的航標進行數(shù)據(jù)采集，并可進行航標的工作電壓、工作電流等測量。系統(tǒng)還可通過增加傳感器，實現(xiàn)其他信息，如：溫度、濕度、霧、風向、風速等信息的采集與傳輸。電源部分采用

5、太陽能電源并配備較大容量的蓄電池，能夠在符合航標規(guī)范下保持連續(xù)供電。 在航標監(jiān)控系統(tǒng)中，如何準確地判斷航標是否漂移和撞擊是系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，本文針對gps在解決航標位置偏移、航標受撞擊判斷等關(guān)鍵問題中的應用進行初步的探討。 2航標位置漂移分析 航標位置是否漂移，只要準確的確定航標的位置，就可判斷它。我們采用的定位方法是gps定位技術(shù)。 2.1gps定位誤差 采用結(jié)構(gòu)簡單、價錢便宜的gps-oem板，是實現(xiàn)航標位置的實時和定時監(jiān)測的理想方案。但是，由于gps系統(tǒng)中，空間衛(wèi)星存在多種誤差；電波傳播途徑中會產(chǎn)生：電離層和對流層延遲誤差、多路徑效應；接收設(shè)備有也存在不可消除的一些誤差；因此，gps定

6、位存在誤差。根據(jù)我們對garmin-15lgpsoem板進行的定點測量，測量結(jié)果表明它的定位精度可達1015m(95%)。雖然精度比較高，但是還會存在一些誤差超過20m以上。因此，如果直接采用gps輸出的數(shù)據(jù)來進行位置漂移判斷，誤報警率將很高，所以采取一定的措施進行處理對整個系統(tǒng)的可靠性都是非常重要的。 2.2數(shù)據(jù)處理 通過大量的測量試驗與觀察分析發(fā)現(xiàn)，隨著時間的不同、衛(wèi)星分布狀態(tài)的改變以及天氣的變化，gps所測得的數(shù)據(jù)都有不同曲線方向的漂移，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(shù)據(jù)進行處理對整個測量系統(tǒng)精度的提高至關(guān)重要。我們根據(jù)gps定位誤差和海上浮標低動態(tài)性能的特點，采用

7、簡化的卡爾曼濾波數(shù)據(jù)處理方案進行處理。 經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，大大減少了誤差，定位精度提高到510m以內(nèi)，大大減少誤報警。 2.3位置漂移量分析 先      假設(shè)gps無測量誤差，由于水上浮標受潮沙、風力、水流等的驅(qū)動，鏈條的長短隨時變化使浮標的位置在以沉石位置為基點的回旋半徑r1范圍內(nèi)變化，r1由下式確定： 式中：h為鏈條全長，h為設(shè)置航標處海圖水深；0.8為鏈條懸弧系數(shù)2。 gps接收機安裝在浮標上，由于浮標具有一定高度，在有風的情況下會產(chǎn)生搖擺，如圖3所示。假設(shè)浮標高度為h1，傾角為，則gps的位置將偏離航標r2：  

8、60; 考慮gps的測量誤差r3和基準點的位置誤差r4，則在極限情況下浮標位置數(shù)據(jù)偏離基準點的誤差為： 假設(shè)某航道浮標設(shè)置位置的水深為78m，根據(jù)技術(shù)標準設(shè)置浮標的鏈長為15m；浮標高度5m，最大傾角30°，采用dgps定位進行設(shè)標，精度在5m以內(nèi)，gps的c/a碼定位精度15m(絕對精度)，根據(jù)式(3)計算得：r=32.5m。 必須注意，這里我們計算時采用的是絕對精度，而gps標準定位服務提供的精度是2drms，如果轉(zhuǎn)換成絕對精度，誤差將比較大，這在狹水道、小船航道將不能滿足要求；因此，必須通過差分的方法來提高定位精度。 2.4差分定位技術(shù) 差分gps定位原理是將一臺高精

9、度的gps接收機安置在基準站上進行觀測。根據(jù)基準站已知精密坐標，計算出基準站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準站實時將這一數(shù)據(jù)發(fā)送出去。用戶接收機在進行g(shù)ps觀測的同時，也接收到基準站發(fā)出的改正數(shù)，并對其定位結(jié)果進行改正，從而提高定位精度。常用的差分gps分為兩大類：偽距差分和載波相位差分。由于載波相位差分成本比較高，因此，采用偽距差分。根據(jù)浮標應用對實時要求不高，并且不是所有浮標都需要差分處理的特點，采用事后差分處理。具體方法如下： 在基準站上，觀測所有衛(wèi)星，根據(jù)基準站已知坐標和各衛(wèi)星的坐標，求出每顆衛(wèi)星每一時刻到基準站的真實距離。再與測得的偽距比較，得出偽距改正數(shù)。 通過控制中心發(fā)出控制命令，設(shè)

10、置浮標終端將其采集到每顆衛(wèi)星的偽距傳輸至控制中心。數(shù)據(jù)傳輸采用gprs無線通信平臺。 控制中心根據(jù)各顆衛(wèi)星的星歷、歷書、偽距、偽距改正數(shù)進行定位計算，獲得浮標的位置信息。 這種差分，能得到米級定位精度，但是存在以下缺陷：通信容量的限制；增加通信費用；時間同步要求很高。為此，根據(jù)航標定位應用的要求，我們在一般情況下，采用gps定位，而只有在終端發(fā)出位置偏移報警，要確認有無誤報時，才采用上述差分定位進行位置驗證。 3浮標被撞擊分析 在通常情況下，浮標受到潮汐、風力、水流等驅(qū)動，產(chǎn)生不規(guī)則運動，但由于船舶有時會撞擊到它，造成位置偏移和損壞，因此，必須能夠及時發(fā)現(xiàn)浮標受撞擊的事件。下面對浮標受撞擊所產(chǎn)

11、生的運動進行研究。 當浮標受到撞擊時，由于受到某個方向的作用力其運動狀態(tài)將發(fā)生變化，產(chǎn)生該方向的速度和加速度。要嚴格的分析浮標受撞擊的情況相當困難，理論上可采用船舶撞擊力的動能分析方法來近似分析和研究浮標受船舶撞擊問題。 船舶撞擊浮標時產(chǎn)生的有效撞擊能量，通過水阻力、浮標和船舶的變形全部轉(zhuǎn)化為外力做功。對于浮標來說，船舶有效撞擊能量主要靠浮標的變形、沉石系鏈的拉力、水阻力來吸收。船舶有效撞擊能量eo3為： 式中：eo為有效撞擊能量。 m為船舶質(zhì)量，單位t；船舶的質(zhì)量是指船舶的總質(zhì)量，可用滿載排水量與載重量換算。按港口工程規(guī)范使用的公式進行計算，即： 例如3500t級船舶滿載排水量(f)為： v

12、為船舶靠碼頭時的法向速度，m/s； 為有效動能系數(shù)，取0.70.8。 根據(jù)中國鐵路規(guī)范進行撞擊力計算： 式中：r為動能折減系數(shù)，當船只正向撞擊時可采用0.3，一般船舶與浮標正面撞擊的可能性非常小，加上考慮它們都是在水中，動能損耗比較大，一般取0.1； v為船只撞擊浮標時的速度m/s，按船舶進出港情況，取值=5m/s； 為船只與浮標撞擊面的夾角，取30°； w為船只的重量(滿載排水量)； c1、c2分別為船只、浮標的彈性變形系數(shù)(m/t)。 假設(shè)浮標的重量為2t，并按剛性碰撞來計算，則浮標因撞擊產(chǎn)生的加速度為： 可見，浮標受撞擊時將產(chǎn)生很大的加速度。 浮標受撞擊時產(chǎn)生的速度和加速度的大小和方向除了與撞擊的作用力的大小、方向有關(guān)之外，還應考慮系鏈、海水的阻力、浮標變形，同時浮標系有沉石，都會改變浮標被撞擊后的運動?？梢?，浮標受撞擊的運動狀態(tài)是比較難以準確地用模型來描述的。因此，采用以gps測量的浮標的速度和用一個加速度傳感器測量的浮標加速度來聯(lián)合判斷是一種比較理想的方法。如圖4所示，通過設(shè)計兩個滑窗來對測量的速度和加速度進行濾波處理，當浮