GPS技術(shù)在海上航標(biāo)監(jiān)控中的作用

1、GPS技術(shù)在海上航標(biāo)監(jiān)控中的作用gps技術(shù)在海上航標(biāo)監(jiān)控中的作用摘要：簡(jiǎn)單介紹應(yīng)用gps及無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)的海上航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)的組成。著重論述利用gps進(jìn)行浮標(biāo)位置監(jiān)測(cè)，研究了利用dgps改善定位精度的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。 要害詞：gps(dgps)；浮標(biāo)監(jiān)控；位置監(jiān)測(cè)；撞擊無(wú)線通信技術(shù) 。 當(dāng)前，為了適應(yīng)海上交通流量大、安全通航的要求高，使航標(biāo)治理部門（海事局航標(biāo)處）及時(shí)把握航標(biāo)的工作狀態(tài)與相關(guān)信息，做到及時(shí)、有針對(duì)性地對(duì)航標(biāo)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)與檢修，降低維護(hù)成本，提高治理效率，研究開(kāi)發(fā)航標(biāo)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)具有重要意義。 航標(biāo)是為海上船舶提供導(dǎo)航信號(hào)的助航設(shè)備。航標(biāo)設(shè)備運(yùn)行狀況，航標(biāo)位置，將直接影響船舶的安全航行

2、。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(biāo)會(huì)發(fā)生位置偏離、標(biāo)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(shí)把握航標(biāo)工作狀態(tài)信息，快速排除故障，確保船舶航行安全 1 航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)的組成 航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)由控制中心、無(wú)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(jī)、服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)、gis客戶端平臺(tái)組成。其中，前置機(jī)由微控制器、通信模塊、gps接收機(jī)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(guò)專網(wǎng)或者internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)命令和數(shù)據(jù)傳送；服務(wù)器包括通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)治理服務(wù)器和信息服務(wù)器，其中通信服務(wù)器完成短消息或者gprs通信方式的命令和數(shù)據(jù)

3、傳送；數(shù)據(jù)治理服務(wù)器主要完成數(shù)據(jù)解析、存儲(chǔ)、處理等功能，通過(guò)數(shù)據(jù)解析自動(dòng)生成各種報(bào)表，通過(guò)處理完成數(shù)據(jù)分析、處理、判定、報(bào)警等功能；信息服務(wù)器主要用于為各個(gè)治理用戶提供數(shù)據(jù)。loCAlHOSTgis客戶端平臺(tái)為一客戶端軟件，以s57電子海圖為基礎(chǔ)，在其上疊加航標(biāo)信息實(shí)現(xiàn)可視化實(shí)時(shí)的航標(biāo)信息顯示、查詢、報(bào)表等功能。 無(wú)線通信系統(tǒng)采用gsm無(wú)線通信系統(tǒng)，可提供sms和gprs兩種數(shù)據(jù)通信服務(wù)。 終端設(shè)備由以下幾個(gè)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(gè)uart，32kflash，1024+256ram winbond w77e58。gps-o

4、em板選用了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(shí)間(utc)、gps衛(wèi)星工作狀態(tài)等信息。通信模塊采用benq m22模塊，它具有g(shù)sm900/dcs1800/pcs1900三頻工作模式；短消息業(yè)務(wù)；gprs數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；電源、電壓范圍：3.3v3.8vdc。數(shù)據(jù)采集模塊包括：l個(gè)rs-232口、1個(gè)rs-485口(預(yù)留5個(gè)接線端子口)和1個(gè)多路12位高精度a/d通道，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多種具有modbus通信協(xié)議接口的航標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并可進(jìn)行航標(biāo)的工作電壓、工作電流等測(cè)量。系統(tǒng)還可通過(guò)增加傳感器，實(shí)現(xiàn)其他信息，如：溫度、濕度、霧、風(fēng)向、風(fēng)速等信息的采集與傳輸。電

5、源部分采用太陽(yáng)能電源并配備較大容量的蓄電池，能夠在符合航標(biāo)規(guī)范下保持連續(xù)供電。 在航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)中，如何準(zhǔn)確地判定航標(biāo)是否漂移和撞擊是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的要害技術(shù)，本文針對(duì)gps在解決航標(biāo)位置偏移、航標(biāo)受撞擊判定等要害問(wèn)題中的應(yīng)用進(jìn)行初步的探討。 2 航標(biāo)位置漂移分析 航標(biāo)位置是否漂移，只要準(zhǔn)確的確定航標(biāo)的位置，就可判定它。我們采用的定位方法是gps定位技術(shù)。 2.1 gps定位誤差 采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)錢便宜的gps-oem板，是實(shí)現(xiàn)航標(biāo)位置的實(shí)時(shí)和定時(shí)監(jiān)測(cè)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(huì)產(chǎn)生：電離層和對(duì)流層延遲誤差、多路徑效應(yīng)；接收設(shè)備有也存在不可消除的一些誤差；

6、因此，gps定位存在誤差。根據(jù)我們對(duì)garmin-15l gps oem板進(jìn)行的定點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果表明它的定位精度可達(dá)1015m(95%)。雖然精度比較高，但是還會(huì)存在一些誤差超過(guò)20m以上。因此，假如直接采用gps輸出的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行位置漂移判定，誤報(bào)警率將很高，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。 2.2 數(shù)據(jù)處理 通過(guò)大量的測(cè)量試驗(yàn)與觀察分析發(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所測(cè)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(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。我們根據(jù)gps定位誤差和海上浮標(biāo)低

7、動(dòng)態(tài)性能的特點(diǎn)，采用簡(jiǎn)化的卡爾曼濾波數(shù)據(jù)處理方案進(jìn)行處理。 經(jīng)過(guò)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(bào)警。 2.3 位置漂移量分析 先假設(shè)gps無(wú)測(cè)量誤差，由于水上浮標(biāo)受潮沙、風(fēng)力、水流等的驅(qū)動(dòng)，鏈條的長(zhǎng)短隨時(shí)變化使浮標(biāo)的位置在以沉石位置為基點(diǎn)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(zhǎng)，h為設(shè)置航標(biāo)處海圖水深；0.8為鏈條懸弧系數(shù)【2】。 gps接收機(jī)安裝在浮標(biāo)上，由于浮標(biāo)具有一定高度，在有風(fēng)的情況下會(huì)產(chǎn)生搖擺，如圖3所示。假設(shè)浮標(biāo)高度為h1，傾角為，則gps的位置將偏離航標(biāo)r2： 考慮gps的測(cè)量誤差r3和基準(zhǔn)點(diǎn)的位置誤差r4，則在極限情況下浮

8、標(biāo)位置數(shù)據(jù)偏離基準(zhǔn)點(diǎn)的誤差為： 假設(shè)某航道浮標(biāo)設(shè)置位置的水深為78m，根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置浮標(biāo)的鏈長(zhǎng)為15m；浮標(biāo)高度5m，最大傾角30°，采用dgps定位進(jìn)行設(shè)標(biāo)，精度在5m以內(nèi)，gps的c/a碼定位精度15m(絕對(duì)精度)，根據(jù)式(3)計(jì)算得：r=32.5m。 必須注重，這里我們計(jì)算時(shí)采用的是絕對(duì)精度，而gps標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)提供的精度是2drms，假如轉(zhuǎn)換成絕對(duì)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(guò)差分 【1】【2】的方法來(lái)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(tái)高精度的gps接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上進(jìn)行觀測(cè)。根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo)，計(jì)

9、算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)將這一數(shù)據(jù)發(fā)送出去。用戶接收機(jī)在進(jìn)行g(shù)ps觀測(cè)的同時(shí)，也接收到基準(zhǔn)站發(fā)出的改正數(shù)，并對(duì)其定位結(jié)果進(jìn)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(biāo)應(yīng)用對(duì)實(shí)時(shí)要求不高，并且不是所有浮標(biāo)都需要差分處理的特點(diǎn)，采用事后差分處理。具體方法如下： 在基準(zhǔn)站上，觀測(cè)所有衛(wèi)星，根據(jù)基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)和各衛(wèi)星的坐標(biāo)，求出每顆衛(wèi)星每一時(shí)刻到基準(zhǔn)站的真實(shí)距離。再與測(cè)得的偽距比較，得出偽距改正數(shù)。 通過(guò)控制中心發(fā)出控制命令，設(shè)置浮標(biāo)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gp

10、rs無(wú)線通信平臺(tái)。 控制中心根據(jù)各顆衛(wèi)星的星歷、歷書(shū)、偽距、偽距改正數(shù)進(jìn)行定位計(jì)算，獲得浮標(biāo)的位置信息。 這種差分，能得到米級(jí)定位精度，但是存在以下缺陷：通信容量的限制；增加通信費(fèi)用；時(shí)間同步要求很高。為此，根據(jù)航標(biāo)定位應(yīng)用的要求，我們?cè)谝话闱闆r下，采用gps定位，而只有在終端發(fā)出位置偏移報(bào)警，要確認(rèn)有無(wú)誤報(bào)時(shí)，才采用上述差分定位進(jìn)行位置驗(yàn)證。 3 浮標(biāo)被撞擊分析 在通常情況下，浮標(biāo)受到潮汐、風(fēng)力、水流等驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，但由于船舶有時(shí)會(huì)撞擊到它，造成位置偏移和損壞，因此，必須能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)浮標(biāo)受撞擊的事件。下面對(duì)浮標(biāo)受撞擊所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究。 當(dāng)浮標(biāo)受到撞擊時(shí)，由于受到某個(gè)方向的作用力其

11、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將發(fā)生變化，產(chǎn)生該方向的速度和加速度。要嚴(yán)格的分析浮標(biāo)受撞擊的情況相當(dāng)困難，理論上可采用船舶撞擊力的動(dòng)能分析方法來(lái)近似分析和研究浮標(biāo)受船舶撞擊問(wèn)題。 船舶撞擊浮標(biāo)時(shí)產(chǎn)生的有效撞擊能量，通過(guò)水阻力、浮標(biāo)和船舶的變形全部轉(zhuǎn)化為外力做功。對(duì)于浮標(biāo)來(lái)說(shuō)，船舶有效撞擊能量主要靠浮標(biāo)的變形、沉石系鏈的拉力、水阻力來(lái)吸收。船舶有效撞擊能量eo【3】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(jìn)行計(jì)算，即： 例如3500t級(jí)船舶滿載排水量(f)為： v為船舶靠碼頭時(shí)的法向速度，m/s； 為有效動(dòng)能系數(shù)，取0.7

12、0.8。 根據(jù)中國(guó)鐵路規(guī)范進(jìn)行撞擊力計(jì)算： 式中：r為動(dòng)能折減系數(shù)，當(dāng)船只正向撞擊時(shí)可采用0.3，一般船舶與浮標(biāo)正面撞擊的可能性非常小，加上考慮它們都是在水中，動(dòng)能損耗比較大，一般取0.1； v為船只撞擊浮標(biāo)時(shí)的速度m/s，按船舶進(jìn)出港情況，取值=5m/s； 為船只與浮標(biāo)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(biāo)的彈性變形系數(shù)(m/t)。 假設(shè)浮標(biāo)的重量為2t，并按剛性碰撞來(lái)計(jì)算，則浮標(biāo)因撞擊產(chǎn)生的加速度為： 可見(jiàn)，浮標(biāo)受撞擊時(shí)將產(chǎn)生很大的加速度。 浮標(biāo)受撞擊時(shí)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(yīng)考慮系鏈、海水的阻力、浮標(biāo)變形，同時(shí)浮標(biāo)系有沉石，都會(huì)改變浮標(biāo)被撞擊后的運(yùn)動(dòng)?？梢?jiàn)，浮標(biāo)受撞擊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是比較難以準(zhǔn)確地用模型來(lái)描述的。因此，采用以gps測(cè)量的浮標(biāo)的速度和用一個(gè)加速度傳感器測(cè)量的浮標(biāo)加速度來(lái)聯(lián)合判定是一種比較理想的方法。如圖4所示，通過(guò)設(shè)計(jì)兩個(gè)滑窗來(lái)對(duì)測(cè)量的速度和加速度進(jìn)行濾波處理，當(dāng)浮標(biāo)的