基于北斗的航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

第1章緒論1.1選題背景港口航標(biāo)是幫助引導(dǎo)船舶航行、定位及標(biāo)示港區(qū)內(nèi)礙航物的主要港口設(shè)施。航標(biāo)能否正常運(yùn)行，關(guān)系著船舶的平安航行乃至船員的人身平安。隨著海上運(yùn)輸?shù)娜找娣睒s以及導(dǎo)航、無線電通信等技術(shù)的更新，也使得各大港口對航標(biāo)功能的要求也在提高，然而，目前我國大局部港口的航標(biāo)管理與維護(hù)依然是傳統(tǒng)的人工模式，也就是小型航標(biāo)定期檢測〔如浮標(biāo)〕、大型航標(biāo)派專人職守〔如燈塔〕、航標(biāo)管理人員定期地人工記錄航標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)的方式，這種較為落后的管理與維護(hù)方式，無法做到隨時精確地掌握航標(biāo)的運(yùn)行信息，給航標(biāo)管理的難度和管理增加了難度，影響了航標(biāo)運(yùn)行水平的進(jìn)一步提高，無法滿足航運(yùn)業(yè)對航標(biāo)功能的新要求。目前，國際上很多大國紛紛建成了以衛(wèi)星定位系統(tǒng)為根底的航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)，然而其中絕大局部系統(tǒng)是基于美國軍方開發(fā)的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)而研發(fā)的。但是，美國的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，對于其他國家的商業(yè)用途是進(jìn)行了一定的功能和精度限制；而且當(dāng)今國際局勢動亂不定，不排除美國在不遠(yuǎn)的未來會進(jìn)一步限制乃至取消GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在其他國家商業(yè)中的使用，也勢必會對相應(yīng)的航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)造成沉重打擊。因此，研發(fā)一套以本國自主設(shè)計(jì)制造的衛(wèi)星定位系統(tǒng)為根底的航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)，成為了很多國家現(xiàn)今亟待解決的課題。而今，我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)〔BDS〕也已成形，并且新一代的北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)〔BD2〕也已初具規(guī)模，較于其它常見的衛(wèi)星系統(tǒng)來說，北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擁有多個優(yōu)勢：〔1〕支持大批量用戶大規(guī)模監(jiān)測、收集數(shù)據(jù)以及傳輸數(shù)據(jù)；〔2〕在具有定位功能的同時，還支持雙向通信功能，且不需其它通訊系統(tǒng)輔助；〔3〕擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，加密程度高、平安、穩(wěn)定，可支持重要部門使用。本論文也基于這樣的一個背景，提出了一套基于北斗二代衛(wèi)星系統(tǒng)的港口航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的研究方案。1.2北斗二代衛(wèi)星定位系統(tǒng)概述1.2.1北斗一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)北斗系統(tǒng)是我國自主開發(fā)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。我國最早于1983年就首次提出了“雙星定位〞這個北斗一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)的早期根本理論，2000年底，隨著前兩顆北斗一代定位衛(wèi)星相繼發(fā)射升空，北斗一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)〔BD1〕也正式投入運(yùn)營。由于北斗一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)屬于我國衛(wèi)星導(dǎo)航的試驗(yàn)系統(tǒng)，利用少量衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的有源定位，精度可到達(dá)100m，利用地面站進(jìn)行校準(zhǔn)后為精度可以進(jìn)一步提升到20m，與當(dāng)時美國的GPS系統(tǒng)民用版根本一致。該系統(tǒng)用戶除了可實(shí)現(xiàn)自身定位，還可向外界報(bào)告自身地理坐標(biāo)和發(fā)送短消息。但是由于該系統(tǒng)使用的是主動式定位，即用戶需要向北斗衛(wèi)星發(fā)送請求信號，然后由地面中心站對用戶的地理坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算得出結(jié)果，再通過衛(wèi)星將運(yùn)算結(jié)果發(fā)送回用戶端。這種定位方式要求用戶所在位置最少可以觀測到2顆地球同步軌道衛(wèi)星，并且用戶高度數(shù)據(jù)，所以系統(tǒng)用戶數(shù)有一定上限。因此，雖然該系統(tǒng)本錢較低，但因?yàn)槠湓诙ㄎ痪?、用戶容量、定位的頻率次數(shù)、隱蔽性等方面均受到限制，而且北斗一代不能測速，無法支持船舶計(jì)程等功能，所以北斗一代系統(tǒng)沒有在國內(nèi)外市場上引起較大反響。1.2.2北斗二代衛(wèi)星定位系統(tǒng)基于北斗一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合新時期我國經(jīng)濟(jì)社會和科技水平開展的需求，構(gòu)建一個類似GPS功能的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)開始提上日程，最初被稱為北斗二代導(dǎo)航定位系統(tǒng)。2007年起，正式確立為北斗二代〔BD2〕為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)〔BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS〕，它也成為繼美國GPS衛(wèi)星系統(tǒng)和俄羅斯GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)之后第3個成型的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗與美國GPS、俄羅斯GLONASS和歐盟GALILEO均為聯(lián)合國衛(wèi)星導(dǎo)航委員會已認(rèn)定的供給商。北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)在大局部功能上類似GPS系統(tǒng)，采用被動式定位原理，用戶只要能接收到4顆衛(wèi)星即可進(jìn)行自主定位，系統(tǒng)用戶數(shù)量無限；同時還繼承了北斗一代系統(tǒng)的短消息收發(fā)等功能，在功能上超越了GPS系統(tǒng)。截至2023年3月31日，北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)已完成17顆衛(wèi)星的發(fā)射，完成了對亞太地區(qū)的覆蓋，預(yù)計(jì)2023年可以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。1.3目前航標(biāo)管理的現(xiàn)狀1.3.1國內(nèi)現(xiàn)狀航標(biāo)，是幾乎所有港口都需要配備的根底港口設(shè)施。然而在我國，多年以來，很多港口航標(biāo)的監(jiān)測、管理和維護(hù)多是靠人工完成的，效率不高、誤差較大的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，僅有局部大型港口對一些重要航標(biāo)進(jìn)行了智能化航標(biāo)的建設(shè)。我國處于航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的初期階段，面臨到很多技術(shù)問題尚待解決。目前我國大局部港口使用或方案開發(fā)的航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)，多是使用GPS系統(tǒng)與航標(biāo)AIS等模塊進(jìn)行融合以完成監(jiān)測任務(wù)。1.3.2國外現(xiàn)狀在國外，尤其是航運(yùn)開展水平較高的國家，已經(jīng)開始陸續(xù)有規(guī)劃地對航標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行自動化升級，同時組建航標(biāo)的信息庫，建立航標(biāo)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)航標(biāo)的自動化管理。很多航運(yùn)大國，如美、日、英等國，從上世紀(jì)90年代起就開始借助衛(wèi)星定位和通信科技的開展，逐漸摸索并構(gòu)建了航標(biāo)的監(jiān)測系統(tǒng)，為港口的平安運(yùn)行提供了有力保障，該系統(tǒng)目前主要功能包括了監(jiān)測航標(biāo)燈工作狀態(tài)、遠(yuǎn)程控制電源設(shè)備、故障報(bào)警等。對于各類不同功能的航標(biāo)，各國也使用了不同的技術(shù)以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測，目前用來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測和遙控功能的設(shè)備包括了：遙控終端、可編程控制器等，用來進(jìn)行通信的設(shè)備包括了：無線電臺、蜂窩、衛(wèi)星通信、無線通信、有線等，計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更是被充分的應(yīng)用于航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)。通過這些系統(tǒng)的開發(fā)，很大程度上提升了當(dāng)?shù)馗劭诠芾硇剩瑫r還節(jié)約了資源。特別是目前在美國和歐洲等國利用GPS系統(tǒng)構(gòu)建的航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了航標(biāo)管理的高精度和高智能。然而，由于現(xiàn)在還沒有相關(guān)國際組織提出航標(biāo)監(jiān)測的行業(yè)性的標(biāo)準(zhǔn)，而且不同國家所選取的方案和設(shè)備各不相同，精度和效果也是良莠不齊，所以并無能夠參考的系統(tǒng)、完善的成型方案。1.4本文研究目的及主要內(nèi)容1.4.1研究的目的〔l〕實(shí)現(xiàn)港口航標(biāo)的自動化管理，進(jìn)一步提升港口的航行平安水平?！?〕設(shè)計(jì)一個以北斗二代衛(wèi)星系統(tǒng)為根底的航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的方案1.4.2研究的主要內(nèi)容論文的主要研究內(nèi)容是設(shè)計(jì)基于北斗二代的港口航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)，論文各章節(jié)的主要內(nèi)容如下：第一章：緒論。本章首先對港口航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)重要作用進(jìn)行了簡要分析，并對我國自主研發(fā)的北斗一代和北斗二代衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行了簡要介紹，最后對當(dāng)前國內(nèi)外港口的航標(biāo)管理現(xiàn)狀進(jìn)行了說明。第二章：基于北斗的航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。本章首先說明了航標(biāo)的作用以及目前傳統(tǒng)的視覺航標(biāo)的管理模式，針對其缺乏提出了航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的各類功能，然后依次對系統(tǒng)的定位方案、通訊方案以及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳細(xì)分析。第三章：基于北斗的航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)。以系統(tǒng)硬件與軟件作為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于北斗二代衛(wèi)星的航標(biāo)系統(tǒng)的終端，包括了天氣和海況信息采集模塊、北斗通訊定位模塊、航標(biāo)信息采集與設(shè)置模塊以及嵌入式軟件等的設(shè)計(jì)方案。第四章：航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)中的定位精度優(yōu)化。設(shè)計(jì)了基于B/S架構(gòu)的數(shù)據(jù)處理中心管理軟件。軟件包括北斗通信單元、數(shù)據(jù)存儲倉庫、業(yè)務(wù)邏輯單元和外部接口，實(shí)現(xiàn)水文氣象信息預(yù)測、存儲、推送和航標(biāo)智能化管理。第五章：總結(jié)與展望。對全文進(jìn)行了總結(jié)，并對本文的缺乏以及未來的研究方向進(jìn)行了展望。第2章基于北斗的航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)概述2.1.1航標(biāo)的功能航標(biāo)，是人工設(shè)置的助航標(biāo)志的簡稱，是設(shè)置在沿岸、狹窄水域、重要航段或危險(xiǎn)水域附近，以特定的標(biāo)志、燈光、音響或無線電信號等，提供船舶定位、避離危險(xiǎn)、引導(dǎo)船舶平安航行的重要設(shè)施。其主要功能包括：〔1〕指示航道。在重要航道附近的岸上或淺水區(qū)，用燈樁、立標(biāo)、燈塔等設(shè)置導(dǎo)標(biāo)、疊標(biāo)等引導(dǎo)標(biāo)志，以引導(dǎo)船舶航行在其導(dǎo)航線上?；蛴脽舾?、立標(biāo)、燈船等設(shè)置可航道的界線，以引導(dǎo)船舶航行在其標(biāo)示的航道內(nèi)；〔2〕供船舶定位。供船舶定位用的航標(biāo)一般為確知位置的固定航標(biāo)，如燈塔、燈樁等；〔3〕標(biāo)示危險(xiǎn)區(qū)。用燈浮、燈樁、立標(biāo)等標(biāo)示可航水域附近的危險(xiǎn)物或危險(xiǎn)區(qū)域的地點(diǎn)或范圍，如沉船、暗礁、淺灘等，以指示船舶避離危險(xiǎn)水域；〔4〕其它特殊用途。如標(biāo)示特定水域或特征，標(biāo)示錨地、檢疫地、施工區(qū)、禁區(qū)、船舶性能測定場，羅經(jīng)差測定場、通航分道等。2.1.2視覺航標(biāo)的管理模式目前，我國很多港口航道的航標(biāo)還是視覺航標(biāo)。所謂視覺航標(biāo)，是指觀測者可以通過視覺直接觀測到的助航設(shè)施，具有易分辨的顏色以及外形，并配有燈光和其它相關(guān)裝置。在白天，可以利用標(biāo)志的外形、顏色或頂標(biāo)供船員觀察；而夜晚，那么利用燈光的顏色、閃爍頻率和周期作為分辨特征。所以，港口的航標(biāo)監(jiān)測人員在檢查航標(biāo)時，需要檢查航標(biāo)的位置、形狀及燈器及其電源各部件的技術(shù)性能。大多數(shù)視覺航標(biāo)的監(jiān)測多數(shù)采取的是人工定期巡檢、定期檢修的模式。各地方的航標(biāo)管理機(jī)構(gòu)會設(shè)置專門的航標(biāo)管理船隊(duì)，定期派出日航船和夜航船，靠船員目測來檢查航標(biāo)燈的工作情況是否正常以及地理位置是否偏移；還要定期對標(biāo)志的燈和電源的各種指標(biāo)進(jìn)行全方位檢查。這種傳統(tǒng)的航標(biāo)管理方式有很多缺乏：〔1〕效率不高：港口航標(biāo)種類較多，且分布較廣，需要檢查的位置也較多，出航船舶往往需要消耗很多時間才能完成巡檢任務(wù)?！?〕可靠性差：巡檢主要以人工目測來檢查航標(biāo)燈的工作情況是否正常以及地理位置是否偏移的方式為主，單純依靠工作人員的巡檢經(jīng)驗(yàn)，精確度較差。〔3〕無法保證實(shí)時監(jiān)測：定期巡檢，對于在兩次巡查之間出現(xiàn)航標(biāo)的工作異常，主管機(jī)構(gòu)往往無法及時發(fā)覺和維護(hù)修理，這對日漸繁榮國內(nèi)的港口的航行平安造成了一定影響?！?〕易產(chǎn)生平安隱患：有些港口的水文情況復(fù)雜，船舶巡查具有一定的航行危險(xiǎn)，尤其是在夜間巡查以及惡劣天氣的條件下，危險(xiǎn)性愈創(chuàng)造顯?！?〕本錢較高：定期派出船舶及船員對港口內(nèi)所有航標(biāo)進(jìn)行檢查，消耗的人力和燃油本錢較高，再加上船舶的保養(yǎng)支出以及船員的工資支出，總本錢很高。綜上，視覺航標(biāo)的管理模式具有較多弊端，已經(jīng)很難適應(yīng)日漸繁榮的航運(yùn)業(yè)所提出的平安、高效航行的要求。因此，航標(biāo)主管機(jī)構(gòu)需要一個精確、及時且智能化的航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)。2.1.3航標(biāo)的智能化監(jiān)測航標(biāo)監(jiān)測及管理的重點(diǎn)是快速獲得航標(biāo)的各種性能指標(biāo)，了解航標(biāo)的工作狀態(tài)并對其做針對性保養(yǎng)，及時維修故障，確保航標(biāo)的正常運(yùn)行，這就需要通訊技術(shù)和監(jiān)測技術(shù)的保證，對航標(biāo)進(jìn)行遙測和遙控。最近幾十年來，通訊科技開展迅速，國內(nèi)的通訊網(wǎng)絡(luò)也日趨成熟，無論是海上船舶的VHF通訊還是陸地上的藍(lán)牙或GSM等通訊科技也都獲得了迅猛開展，其平安性也獲得了大幅度提高。同時，微電子和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的開展，美國GPS等衛(wèi)星系統(tǒng)提供的愈發(fā)便捷的定位，使人們獲得了更平安和更多元化的監(jiān)測方式。在航標(biāo)監(jiān)測中充分運(yùn)用這些前沿的科技，并與現(xiàn)代的管理模式加以融合，形成了航標(biāo)的智能化監(jiān)測系統(tǒng)。航標(biāo)智能化監(jiān)測系統(tǒng)憑借先進(jìn)的通訊技術(shù)和監(jiān)測技術(shù)，可以全智能、不間斷地監(jiān)測航標(biāo)的工作狀態(tài)。利用此系統(tǒng)，航標(biāo)主管機(jī)構(gòu)可以便捷地掌握航標(biāo)的工作狀態(tài)和其他信息，使航標(biāo)裝置的維修和保養(yǎng)變得及時和有針對性。航標(biāo)智能化監(jiān)測系統(tǒng)，一般包含控制中心和監(jiān)測終端兩個局部。監(jiān)控終端負(fù)責(zé)監(jiān)測航標(biāo)的地理坐標(biāo)和燈光狀態(tài)，智能監(jiān)控電源的電壓、電流等指標(biāo)，并將航標(biāo)的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)報(bào)告到控制中心。控制中心在收取到監(jiān)測終端發(fā)送的監(jiān)測報(bào)告并進(jìn)行解析后，可掌握航標(biāo)的活動軌跡和實(shí)時坐標(biāo)，自動發(fā)送出現(xiàn)故障的航標(biāo)信息，并通過統(tǒng)計(jì)航標(biāo)的各項(xiàng)指標(biāo)，自動提交各類系統(tǒng)報(bào)告。航標(biāo)的智能化監(jiān)測，提升了航標(biāo)主管機(jī)構(gòu)的工作效率，提高了港口水域的航行平安水平，有助于航標(biāo)的信息管理系統(tǒng)的建立，共享航標(biāo)信息的，成為未來航道管理的開展方向。2.2系統(tǒng)的總體功能航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的功能主要是監(jiān)控標(biāo)志燈器的狀態(tài)指標(biāo)和地理坐標(biāo)，使航標(biāo)主管機(jī)構(gòu)能夠?qū)崟r了解航標(biāo)的運(yùn)行狀態(tài)；而且，還能對航標(biāo)的各種指標(biāo)進(jìn)行匯總和解析，為工作人員提供參考信息，同時，工作人員還可遠(yuǎn)程變更航標(biāo)燈的工作狀態(tài)。整個系統(tǒng)的具體功能如下〔1〕自主查詢。工作人員可根據(jù)不同需求，利用控制中心自主查詢標(biāo)志燈器的各項(xiàng)狀態(tài)指標(biāo)和地理坐標(biāo)，實(shí)時監(jiān)測航標(biāo)的運(yùn)行情況。〔2〕信息匯總與檢索。將航標(biāo)的各類信息進(jìn)行匯總，并得出各類報(bào)告，支持工作人員檢索和打印。〔3〕狀態(tài)信息獲取。定期獲取航標(biāo)燈器的工作電流、燈質(zhì)、電池電壓等工作指標(biāo)，與航標(biāo)地理坐標(biāo)一起發(fā)回控制中心，再通過分類整理，組成航標(biāo)工作指標(biāo)的動態(tài)數(shù)據(jù)庫?！?〕系統(tǒng)工作記錄。自動詳細(xì)地匯總?cè)藛T的操作記錄以及系統(tǒng)內(nèi)通訊系統(tǒng)的故障信息等工作情況，方便人員對其進(jìn)行檢索?！?〕自動報(bào)警。在監(jiān)控中，如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)航標(biāo)發(fā)生位置變動、電池電壓減弱、燈光狀態(tài)異?；蛳缫约捌渌到y(tǒng)錯誤時，能夠自動發(fā)出各類報(bào)警，并報(bào)告系統(tǒng)錯誤的類型，提醒工作人員采取相關(guān)解決措施，并通過短消息將系統(tǒng)的錯誤狀態(tài)信息發(fā)到相應(yīng)管理者的上?！?〕設(shè)定工作指標(biāo)。利用控制中心設(shè)定監(jiān)測終端的開機(jī)時間、發(fā)送消息的間隔時間和頻率等系統(tǒng)指標(biāo)?！?〕航標(biāo)管理。記錄航標(biāo)的主要工作指標(biāo)和保養(yǎng)日志，并參考航標(biāo)的工作信息數(shù)據(jù)庫，組成航標(biāo)的詳細(xì)信息數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)一對航標(biāo)進(jìn)行維護(hù)和監(jiān)測?！?〕遙控。工作人員能夠根據(jù)實(shí)際情況需要，關(guān)閉航標(biāo)的自開工作模式，以強(qiáng)制關(guān)閉或開啟燈光?！?〕權(quán)限及名單管理。根據(jù)工作人員的不同分工，設(shè)置人員各自的操作權(quán)限，變更人員名單，更新人員的信息和密碼，確保系統(tǒng)的可靠?！?0〕顯示航標(biāo)的坐標(biāo)和軌跡。利用電子海圖顯示主要航標(biāo)的位置分布，使用航標(biāo)對應(yīng)的圖形將航標(biāo)的偏移路線及坐標(biāo)點(diǎn)的具體參數(shù)顯示出來，并不間斷更新，輔助工作人員預(yù)測航標(biāo)的移動方向，更準(zhǔn)確地作出相關(guān)決策。2.3系統(tǒng)定位方案的設(shè)計(jì)作為助航設(shè)施，航標(biāo)利用其地理位置信息來實(shí)現(xiàn)指示航路點(diǎn)、航道、礁石、淺水區(qū)、禁航區(qū)和沉船等區(qū)域的功能。為了保證船舶的正常航行，應(yīng)確保航標(biāo)的坐標(biāo)信息準(zhǔn)確。監(jiān)測航標(biāo)的地理位置，是航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)一個重要的功能，隨著無線電定位水平的日漸提高，對航標(biāo)地理位置的監(jiān)測也愈發(fā)精確。由于無線電定位技術(shù)測量便捷，而且各種天氣現(xiàn)象對無線電定位技術(shù)的影響甚微，加上新的無線電定位技術(shù)不斷更新和準(zhǔn)確度的不斷提高，使其在現(xiàn)有的導(dǎo)航和定位系統(tǒng)之中得到了廣泛應(yīng)用。在目前的應(yīng)用中，常見的定位方式包括：蜂窩網(wǎng)無線電定位、陸基無線電導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2.3.1移動通訊網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)移動通訊科技的不斷更新，使得定位精度不斷提高，也得到了大量用戶的實(shí)際應(yīng)用。在蜂窩網(wǎng)內(nèi)，用戶能夠利用自身確定自己所處的地理未知，并搜索周邊的相關(guān)資料。目前，國內(nèi)的主要移動運(yùn)營商都已提供了各自的定位效勞。中國移動利用GSM網(wǎng)絡(luò)提供的定位業(yè)務(wù)〔LBS〕，是通過其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)基站的地理坐標(biāo)，來獲取用戶的地理坐標(biāo)，再依據(jù)用戶提交的請求提供對應(yīng)的定位相關(guān)業(yè)務(wù)。其定位的準(zhǔn)確度與基站分布的疏密程度有關(guān)，在國內(nèi)重要的城市市區(qū)內(nèi)，其準(zhǔn)確度可縮小到100m，而在一些小規(guī)模城市的市區(qū)，定位準(zhǔn)確度能到達(dá)200m，而在郊縣的準(zhǔn)確度更能到達(dá)500m以上。不過，中國移動還能提供STK與GPS結(jié)合的定位效勞，準(zhǔn)確度能縮小到不到10m，并且能覆蓋到很多GPS等衛(wèi)星系統(tǒng)無法提供效勞的位置。中國聯(lián)通的定位之星效勞，那么利用其CDMA網(wǎng)絡(luò)的gpsOne定位方式，實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度的定位。利用定位之星方式，定位準(zhǔn)確度可縮小到50m，而且具有受環(huán)境影響小、耗時短、可實(shí)現(xiàn)國內(nèi)漫游的特點(diǎn)。人們使用蜂窩網(wǎng)無線電定位，利用自己就可以實(shí)現(xiàn)地理定位，而不需其他額外的裝置，是一種非常便捷的選擇。然而，由于現(xiàn)在移動的LBS的定位準(zhǔn)確度在大局部情況下不夠理想，聯(lián)通的gpsOne開通的地區(qū)相對較少，而且人們利用進(jìn)行定位時還要先向通訊管理中心發(fā)送請求，才可以獲取到地理位置參數(shù)，屬于被動定位，再加上定期還要給運(yùn)營商繳納效勞費(fèi)用，因此蜂窩網(wǎng)無線電定位系統(tǒng)并不完全適合成為航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的定位方式。2.3.2地面無線電定位系統(tǒng)基于陸地的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，往往主要針對快速移動的用戶，比方飛機(jī)或汽車的導(dǎo)航與定位，并可測量用戶的坐標(biāo)、運(yùn)動方向、速度大小等參數(shù)。常見的基于陸地的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)包括：羅蘭C和奧米加系統(tǒng)。羅蘭C系統(tǒng)由3個陸地導(dǎo)航基站組成，工作頻率為10萬赫茲，工作范圍可以到達(dá)2000公里。其定位準(zhǔn)確度多數(shù)可到達(dá)200到300米，但是用戶距離陸地基站越遠(yuǎn)，其準(zhǔn)確度越差，而且不支持在城市中使用。奧米加系統(tǒng)只需要建立八個陸地基站就能夠?qū)崿F(xiàn)全球定位，但是它的導(dǎo)航準(zhǔn)確度很低，誤差往往可以達(dá)數(shù)千米。綜上，由于基于陸地的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的工作區(qū)域較小，其信號傳播受天氣影響較大，定位準(zhǔn)確度較差，并且需要使用專門的裝置進(jìn)行接受，本錢較高，也不適合成為航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的定位方式。2.3.3衛(wèi)星定位系統(tǒng)〔1〕GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS是通過定位衛(wèi)星，能夠在全世界實(shí)現(xiàn)定位、導(dǎo)航功能的系統(tǒng)，由美國國防部研發(fā)制成，具有全方位、全天候、全時段、高精度的特點(diǎn)，可以為全球用戶提供低本錢、高精度的三維定位、測速和精確對時等效勞。GPS系統(tǒng)由三大局部組成：①GPS信號接收機(jī)：負(fù)責(zé)接收衛(wèi)星發(fā)送的信號，從而獲取的導(dǎo)航與定位信息，再經(jīng)過解析，完成導(dǎo)航與定位工作。接收機(jī)硬件一般由主機(jī)、天線和電源組成。②地面控制系統(tǒng)：包括注入站、主控站和監(jiān)測站，主要負(fù)責(zé)匯總衛(wèi)星傳送回地面的各類信息，并完成相對距離、大氣校正和衛(wèi)星星歷等數(shù)據(jù)的結(jié)算。③空間局部：包括21顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星。GPS系統(tǒng)使用碼分多址技術(shù)CDMA，依據(jù)調(diào)制碼來分辨衛(wèi)星，載波頻率相同，均為L1波段1575.42MHz和L2波段1227.6MHz。GPS衛(wèi)星系統(tǒng)采用二進(jìn)制碼組成的偽碼來完成導(dǎo)航電文的發(fā)射，其偽碼一共有兩種，包括開放民用的C/A碼和軍用的P碼。由于考慮到自身的國防軍事部署，美國開放民用的C/A碼定位精度是100米，而軍用的P碼定位精度那么可降低到10米以內(nèi)。由于GPS對民用開放的C/A碼定位精確度不高，對于港內(nèi)的很多狹窄航道而言，具有一定的潛在風(fēng)險(xiǎn)，因此，港口航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)如果選取GPS系統(tǒng)將出現(xiàn)較大的定位誤差?！?〕北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)北斗是我國自主研發(fā)的，擁有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的定位系統(tǒng)。它只需要借助兩個地球同步衛(wèi)星的位置和待測站的大地高程就開完成定位，與美國的GPS或俄羅斯的GLONASS相比，北斗本錢較低：利用率高達(dá)100%；衛(wèi)星測軌精度對于導(dǎo)航定位精度沒有顯著影響，而且即便是國內(nèi)經(jīng)濟(jì)不興旺地區(qū)也可以對其進(jìn)行開發(fā)和利用。北斗具有和GPS系統(tǒng)類似的模式和結(jié)構(gòu)，即包括北斗用戶接收機(jī)、地面控制系統(tǒng)以及空間局部三大局部。北斗與美國的GPS系統(tǒng)的顯著不同是衛(wèi)星星座的空間分布，它所采用的偽隨機(jī)噪聲碼序列和捕獲方式、載波頻率和碼頻率、導(dǎo)航電文的調(diào)制及編碼、用戶的定位解算也不同。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)可為效勞區(qū)域內(nèi)用戶提供全天候、高精度、快速實(shí)時的定位效勞，其定位精度優(yōu)于20米，定位可在一秒內(nèi)完成。并且北斗用戶終端具有雙向數(shù)字報(bào)文通信功能，用戶一次可以傳送120個漢字的信息。且該系統(tǒng)能夠完成單向和雙向兩種授時任務(wù)，能夠提供loons單向授時和20ns雙向授時的時間精度。國際上對導(dǎo)航的策略觀點(diǎn)綜合起來有三個方面：一是盡可能采用星基導(dǎo)航系統(tǒng)取代陸基導(dǎo)航系統(tǒng)，以到達(dá)最大的效益本錢比；二是不能依靠由他國軍方控制的衛(wèi)星系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)本國的導(dǎo)航；三是要穩(wěn)妥切實(shí)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)用戶終端與控制中心具有雙向通訊功能，無需其他通訊系統(tǒng)支持，可以完成港口的航標(biāo)遠(yuǎn)程監(jiān)控，而GPS系統(tǒng)本身不具備通信能力，需要和其他通訊系統(tǒng)結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)全長江段的遠(yuǎn)程定位與監(jiān)控功能。所以，綜合以上分析，采用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)完成對航標(biāo)的坐標(biāo)等信息的監(jiān)測，無論是對提升定位精度還是對提升我國國防水平，都有著較為深遠(yuǎn)的意義。2.4系統(tǒng)通訊方案的設(shè)計(jì)隨著航運(yùn)業(yè)的日益繁榮，國內(nèi)港口也向著大型化、深水化、多功能化的方向不斷開展，港口航道的拓寬和開發(fā)也使航標(biāo)的分布位置也變得越發(fā)分散。這導(dǎo)致了港口航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)需要滿足通訊距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍大的要求，而常見的有線通信模式難以實(shí)現(xiàn)這一要求，因此只能采取無線通訊。當(dāng)前，無線通訊的技術(shù)已經(jīng)很成熟，各類通信設(shè)施不斷開展，也不斷深入人們的生活，這也為港口航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)提供了很大的選擇空間。在能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測的根底上，可供選擇的解決方案包括三種：現(xiàn)有移動通訊網(wǎng)絡(luò)、自建無線網(wǎng)絡(luò)、和北斗二代系統(tǒng)自帶的無線通訊功能。2.4.1現(xiàn)有移動通訊網(wǎng)絡(luò)使用現(xiàn)有的移動通訊網(wǎng)絡(luò)，只需要在航標(biāo)終端安裝移動裝置，而不需投入太多本錢去建設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)和基站，也不需要對無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)。航標(biāo)在配備移動裝置后，只需向相關(guān)運(yùn)營商開通短信息業(yè)務(wù)，并定期支付該工程業(yè)務(wù)費(fèi)用，通過使用該業(yè)務(wù)來完成自身的通訊任務(wù)。目前，移動通訊網(wǎng)絡(luò)在我國各地開展迅猛，移動通訊的普及率也不斷刷新新高，其穩(wěn)定性、平安性水平也不斷得到提升。截至2023年，移動通訊網(wǎng)絡(luò)在我國的普及率已到達(dá)97%以上，在東部的港口城市幾乎可以到達(dá)100%，無線網(wǎng)絡(luò)的接通率為99.72%，文字短消息接通率為96.37%，已經(jīng)能夠完成各類不同形式的通訊系統(tǒng)要求。與此同時，各大運(yùn)營商還進(jìn)一步推廣文字短消息、語音以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)葻o線網(wǎng)絡(luò)效勞，各類效勞的價(jià)格也不斷降低，使人們能夠根據(jù)自身的不同需求選擇適宜的效勞工程，也使系統(tǒng)管理和維護(hù)的本錢不斷減少。目前在國內(nèi)市場上有三大常見的無線通訊網(wǎng)：GPRS，CDMA以及GSM，這三種無線通訊網(wǎng)絡(luò)都擁有很高的普及率，除了提供語音通話的效勞之外，以上三種網(wǎng)絡(luò)還均提供文字短消息傳送等數(shù)據(jù)通訊效勞，不需要成立專門的傳輸通道，僅利用網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的短消息效勞中心就可以完成中繼、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)文字信息等功能，可以完成雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)。應(yīng)該成認(rèn)，移動通訊網(wǎng)絡(luò)為航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)提供了一種經(jīng)濟(jì)而快捷的通信模式。國內(nèi)的很多港口在建或者已經(jīng)建成的航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)，就選擇了現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)〔例如GSM〕為系統(tǒng)提供通訊支持。2.4.2自建無線網(wǎng)絡(luò)自建的無線通訊網(wǎng)絡(luò)，多數(shù)是選取VHF無線電臺作為通信方式，需要配備陸地基站，并且需要在用戶端配備無線電臺。然而，由于VHF信號的最大發(fā)送范圍有限，而且容易受到周圍環(huán)境的干擾，發(fā)射距離太遠(yuǎn)的話，還需配備中繼站。在無線通訊網(wǎng)絡(luò)建成后，要向所在地的無線電委員會申請固定頻率方能使用。雖然，使用自建的無線通訊網(wǎng)絡(luò)，用戶對通訊信道具有完整支配權(quán)以及自主處理權(quán)，不需向任何部門繳納租用費(fèi)用，因而系統(tǒng)的運(yùn)行較為自由便捷而且可靠性較高，但自建的無線網(wǎng)絡(luò)，除需配備用戶端的電臺外，還需要建無線基站，建設(shè)本錢很高，而且未來的運(yùn)營本錢也不菲。而對航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)而言，由于航標(biāo)分布較分散，自建無線網(wǎng)絡(luò)勢必要配備許多基站，這會使系統(tǒng)本錢大幅度增加，未來的保養(yǎng)維修工作量也相應(yīng)增大，性價(jià)比擬差。2.4.3北斗二代的通訊功能北斗一代系統(tǒng)中就具有的短消息通訊功能，是包括美國GPS在內(nèi)的其他主流衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都無法實(shí)現(xiàn)的特殊功能，也使北斗世界上第一個既能夠定位、授時又能夠進(jìn)行短消息通訊的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，北斗二代衛(wèi)星系統(tǒng)也保存了這一功能。北斗二代系統(tǒng)的短消息通訊能夠完成用戶機(jī)與用戶機(jī)、用戶機(jī)與地面控制中心間雙向數(shù)據(jù)報(bào)文通訊，普通的用戶機(jī)一次能發(fā)送36個漢字，而經(jīng)申請批準(zhǔn)后一次能夠發(fā)送120個漢字或240個代碼。該功能不只能進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)雙向通訊，其提供的指揮機(jī)還能夠完成一對多的數(shù)據(jù)發(fā)送，為各類效勞都提供了很大便利。指揮機(jī)在獲取北斗用戶機(jī)發(fā)送的短消息后，通過串口和效勞器相連，使用以JAVA等編程語言編寫的通訊程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行解析，再利用短信網(wǎng)關(guān)將其轉(zhuǎn)發(fā)到其他，使用通訊程序還能夠?qū)崿F(xiàn)其他往北斗用戶機(jī)傳送短信。北斗的短消息通訊與其它的衛(wèi)星通訊相比，具備如下特點(diǎn)：通訊字?jǐn)?shù)和通訊頻率的分級。按照北斗用戶的級別，其用戶卡的短消息通訊分成兩個級別：非審核用戶的通訊字?jǐn)?shù)上限是每次36個漢字；經(jīng)審核批準(zhǔn)后的用戶卡發(fā)送短信的時間頻率是1分鐘一次。北斗系統(tǒng)沒有通訊盲區(qū)。由于北斗的通訊過程是通過向北斗衛(wèi)星發(fā)射申請信號，進(jìn)而完成后續(xù)通訊任務(wù)，所以在北斗衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)，幾乎沒有通訊盲區(qū)。支持兩類數(shù)據(jù)通訊編碼。用戶能夠按照自身需求，選擇北斗短消息通訊的兩類數(shù)據(jù)編碼，一類是國際上較為通用的BCD碼方式，另一類是很多漢字通訊使用的ASCII碼的方式。綜合考慮以上因素，選擇北斗自帶的通訊功能作為本系統(tǒng)的通訊方案具有較明顯的可靠性和適用性。2.5系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)地面監(jiān)測中心自檢模塊GSM模塊GPS模塊航標(biāo)終端GPS衛(wèi)星狀態(tài)信息定位信息目前國內(nèi)大局部港口的航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)多數(shù)使用的是GPS地面監(jiān)測中心自檢模塊GSM模塊GPS模塊航標(biāo)終端GPS衛(wèi)星狀態(tài)信息定位信息圖2.1基于GPS+GSM的航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)造圖如下圖，航標(biāo)內(nèi)安裝有GSM模塊、GPS模塊以及航標(biāo)自檢模塊。航標(biāo)的GPS模塊從衛(wèi)星獲取到地理位置參數(shù)后，連同航標(biāo)自檢模塊獲取的航標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)一起，利用GSM模塊以文字短信形式傳送給地面監(jiān)測中心，從而使監(jiān)測中心完成對航標(biāo)的實(shí)時監(jiān)測。然而，由于在以上系統(tǒng)中使用的GPS系統(tǒng)的通訊模式是單方向的，因此還需要通過GSM模塊的雙向通訊功能來完成信息的發(fā)送與接收。這種系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但考慮到港口航標(biāo)分布的區(qū)域較為廣泛，而且進(jìn)出港航道的水文情況也較為復(fù)雜，個別港區(qū)尚未實(shí)現(xiàn)GSM信號的完全覆蓋，所以在這類信號盲區(qū)內(nèi)的航標(biāo)的運(yùn)行狀態(tài)就無法得到監(jiān)測。針對以上基于GPS的航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的缺乏，并結(jié)合我國研發(fā)建設(shè)的北斗系統(tǒng)支持雙向通信的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一套基于北斗二代的航標(biāo)無線監(jiān)測系統(tǒng)，以完成對港區(qū)所有航標(biāo)的實(shí)時監(jiān)測的任務(wù)。信息處理中心航標(biāo)信息收集終端航運(yùn)公司海事主管機(jī)關(guān)衛(wèi)星管理中心船舶互聯(lián)網(wǎng)北斗衛(wèi)星效勞器端互聯(lián)網(wǎng)信息處理中心航標(biāo)信息收集終端航運(yùn)公司海事主管機(jī)關(guān)衛(wèi)星管理中心船舶互聯(lián)網(wǎng)北斗衛(wèi)星效勞器端互聯(lián)網(wǎng)圖2.2航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)框架圖如下圖，作為一個綜合性功能平臺，基于北斗二代系統(tǒng)的航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的功能包括了信息收集、信息管理、雙向通訊和互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)等，其結(jié)構(gòu)包括信息收集終端、信息處理中心、雙向通訊鏈路和用戶終端。信息收集終端的功能是收集港區(qū)及周邊水域的天氣及海況信息，如氣溫、水溫、大氣濕度、大氣能見度、流速、流向、風(fēng)力和風(fēng)速等，并把天氣及海況信息連同終端的地理坐標(biāo)參數(shù)、終端運(yùn)行狀態(tài)信息傳送到信息處理中心。信息處理中心相當(dāng)于航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的管理中心，同時給用戶終端和信息收集終端提供效勞，它主要完成以下四項(xiàng)功能：獲取信息收集終端傳送的數(shù)據(jù)包，對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，分辨出不同功能的信息內(nèi)容再分類存儲；收集大量天氣和海況信息，并依此組建數(shù)據(jù)評估和預(yù)測模型，對港口及周邊水域的天氣和海況進(jìn)行預(yù)報(bào)；按照不同用戶的要求以及相應(yīng)的權(quán)限，向海事主管機(jī)關(guān)、航運(yùn)相關(guān)企事業(yè)單位等用戶發(fā)布天氣和海況信息和航標(biāo)運(yùn)行信息?！?〕收取用戶終端傳送的航標(biāo)狀態(tài)變更命令，并轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的信息收集終端。雙向通訊鏈路是信息處理中心與信息收集終端之間的信息傳送渠道，它依靠北斗二代定位系統(tǒng)組成，與其他通訊方式需要建設(shè)陸地基站相比，其通訊模式具有明顯的便捷性。用戶終端是系統(tǒng)和用戶進(jìn)行互聯(lián)的端口，通過該端口可實(shí)現(xiàn)航標(biāo)狀態(tài)監(jiān)測、海事監(jiān)管以及天氣和海況信息發(fā)布等功能。信息收集終端、用戶終端與效勞器端相互協(xié)調(diào)工作，確保系統(tǒng)平安穩(wěn)定運(yùn)營。2.5.1信息收集終端設(shè)計(jì)天氣海況信息采集模塊天氣海況信息采集模塊北斗定位通訊模塊電源模塊航標(biāo)參數(shù)采集與配置模塊浮標(biāo)航標(biāo)燈圖2.3信息收集終端設(shè)計(jì)方案信息收集終端由天氣和海況采集模塊、浮標(biāo)、航標(biāo)參數(shù)信息采集與配置模塊、北斗定位通訊模塊組成，其核心為北斗定位通訊模塊和航標(biāo)參數(shù)采集與配置模塊組成的功能板。信息收集終端的設(shè)計(jì)方案如圖2.2所示?！?〕天氣海況信息采集模塊天氣海況信息采集模塊由水文狀態(tài)采集裝置、天氣狀態(tài)采集裝置和信息收集中心構(gòu)成，用于收集港口及周邊水域的天氣和海況信息，并對信息進(jìn)行整流轉(zhuǎn)換。天氣和海況信息采集模塊能夠?qū)鉁?、水溫、水深、風(fēng)向、風(fēng)速、大氣濕度、氣象能見度、流向、流速等多個參賽進(jìn)行收集與分析。〔2〕北斗定位通訊模塊迄今為止，國際上都還沒有出現(xiàn)能夠同時擁有精準(zhǔn)定位功能與通訊功能的裝置，因此北斗定位通訊模塊使用了“RDS通訊模塊+GNSS定位芯片〞的模式。RDSS〔RadioDeterminationSatelliteSystem〕的信息收發(fā)模塊可以進(jìn)行衛(wèi)星定位與短消息通訊，每次能夠發(fā)送120個漢字或420個BCD碼，用戶還能夠利用本地接口對模塊進(jìn)行設(shè)置。但是由于該模塊是“有源定位〞，定位誤差能到達(dá)100米，因此不能完全滿足系統(tǒng)的精確定位要求。而GNSS〔GlobalNavigationSatelliteSystem〕芯片的體積較小，雖然無法進(jìn)行短消息通訊，但由于其定位原理是“無源定位〞，所以定位誤差可以降低到3米，能夠彌補(bǔ)RDSS模塊定位誤差較大的缺陷。北斗定位通訊模塊主要具有以下三項(xiàng)功能：①獲得航標(biāo)的精準(zhǔn)地理位置，并傳送坐標(biāo)到信息處理中心；②將天氣和海況信息、航標(biāo)的狀態(tài)參數(shù)匯總設(shè)置成特殊格式的數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包傳送到信息處理中心；③收取信息處理中心傳送的設(shè)置命令信息，并將設(shè)置命令轉(zhuǎn)發(fā)到航標(biāo)參數(shù)采集與配置模塊。〔3〕電源模塊電源模塊主要包括了電源轉(zhuǎn)換電路與太陽能供電裝置兩大局部。太陽能供電裝置包括蓄電池、電池控制器和太陽能光伏電池組。其核心為控制器和光伏電池組。電池控制器能夠?qū)μ柲芄╇娧b置的工作過程進(jìn)行控制；光伏電池主要負(fù)責(zé)將光能轉(zhuǎn)換為電能，它由兩塊60W的太陽能電池板和兩塊30W的太陽能電池構(gòu)成；蓄電池負(fù)責(zé)儲藏光伏電池傳送來的電能；電源轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)為航標(biāo)各個模塊供電，確保航標(biāo)平安穩(wěn)定工作。航標(biāo)參數(shù)采集與配置模塊和北斗定位通訊模塊的CPU芯片以及北斗RDSS模塊全都只支持5伏直流電壓，北斗GNSS芯片和整流轉(zhuǎn)換芯片電壓分別為3.3伏、3伏直流，因此需要靠穩(wěn)壓裝置以及相關(guān)的電源開關(guān)轉(zhuǎn)換芯片對電壓進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)換，從而獲取適宜的輸出電壓?！?〕航標(biāo)參數(shù)采集與配置模塊該模塊的電路主要由驅(qū)動控制電路、參數(shù)采集電路、航標(biāo)燈電路和監(jiān)控CPU等構(gòu)成。參數(shù)采集電路負(fù)責(zé)收集航標(biāo)燈的電壓狀態(tài)、電流大小和燈器的工作狀態(tài)等狀態(tài)，再把模擬信號整流為數(shù)字信息，最終把信息傳送給監(jiān)控CPU。監(jiān)控CPU對參數(shù)采集電路收集的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行編碼，并傳送到北斗定位通訊模塊。同時，它還負(fù)責(zé)接收北斗定位通訊模塊發(fā)來的設(shè)置指令，并采取相應(yīng)指令動作，完成對燈光的閃光頻率、報(bào)警參數(shù)等信息的變更?！?〕浮標(biāo)浮標(biāo)是信息收集終端的根底，是監(jiān)測遙控模塊和天氣和海況采集裝置的載體?？紤]到系統(tǒng)的硬件配置需求，浮標(biāo)需具備安裝便捷、防碰撞、靈活、無磁、防腐、支持大面積安裝的特性。2.5.2雙向通訊鏈路設(shè)計(jì)雙向通訊鏈路是地面的信息處理中心和信息收集終端之間的信息傳輸路徑。以北斗二代的通訊功能為根底建立航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的雙向通訊鏈路，北斗系統(tǒng)不需要在地面建立通訊基站，通訊方式簡捷，即使在遠(yuǎn)離陸地地區(qū)也能實(shí)現(xiàn)信息處理中心和信息收集終端之間的一對多和多對一的雙向通訊。信息收集終端〔航標(biāo)〕信息收集終端〔航標(biāo)〕衛(wèi)星管理中心信息處理中心衛(wèi)星通訊互聯(lián)網(wǎng)圖2.4雙向通訊鏈路示意圖如圖2.5，雙向通訊鏈路由衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)兩個傳輸媒介和信息收集終端、衛(wèi)星管理中心和信息處理中心三局部構(gòu)成。衛(wèi)星管理中心是信息收集終端與信息存儲中心的信息中轉(zhuǎn)站，具有以下兩個特點(diǎn)：①接收和緩存信息收集終端發(fā)來的固定格式信息包，并向信息處理中心推送信息包；②接收信息處理中心發(fā)送的信息，并推送到信息收集終端或其他接收終端。2.5.2信息處理中心設(shè)計(jì)信息處理中心主要由信息處理中心軟件、互聯(lián)網(wǎng)通迅平臺、機(jī)房設(shè)備和效勞器組等構(gòu)成，能夠完成信息接收、信息預(yù)處理、信息解析、信息儲存和信息轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)。信息處理中心軟件設(shè)計(jì)信息處理中心管理軟件外部端口信息處理中心管理軟件外部端口業(yè)務(wù)員邏輯模塊多源融合信息儲存?zhèn)}庫北斗二代通訊模塊海況信息分析天氣信息分析航標(biāo)信息管理信息發(fā)送信息接收信息分析圖2.5信息處理中心管理軟件框架圖軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2.4。信息處理中心軟件主要有以下四局部：外部端口、業(yè)務(wù)邏輯模塊、信息儲存?zhèn)}庫和北斗二代通訊模塊，其中業(yè)務(wù)邏輯模塊是本軟件的核心。北斗二代通訊模塊是依照《北斗導(dǎo)航民用分理級效勞平臺和外接系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議〔V1.2〕》，基于面向多線程以及用戶編程思想的設(shè)計(jì)方式。通訊模塊包括信息發(fā)送模塊、信息解析模塊與信息接收模塊，能夠完成北斗二代衛(wèi)星管理中心與信息處理中心之間的實(shí)時信息互聯(lián)。多元融合信息儲存?zhèn)}庫是一個包括了航標(biāo)狀態(tài)信息以及港口周邊水域天氣和海況信息的資料庫。該信息庫將信息獲取、分揀、凈化和匯總等多種功能聚集于一身，并支持存儲記錄空間位置，具備穩(wěn)定、實(shí)時、高度集成等很多優(yōu)點(diǎn)。獲取信息方式主要以信息收集技術(shù)為主，并用表單的方式進(jìn)行存儲和管理。多元融合信息倉庫不只能夠記錄和存儲實(shí)時的天氣和海況信息，還能保存已處理信息和歷史記錄。航標(biāo)信息管理單元主要具備以下兩個功能：①給各港區(qū)的監(jiān)測系統(tǒng)提供航標(biāo)狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)功能與通訊端口，完成對航標(biāo)狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測。②獲取各港區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)來的控制信息，再根據(jù)設(shè)定格式對信息重新組裝，最后將組裝好的信息打包并將其依次傳送至北斗通訊模塊。〔2〕信息處理中心通訊平臺設(shè)計(jì)信息處理中心通訊平臺是由效勞器、防火墻、局部路由器和交換器依照特殊設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)造而成。通訊平臺的主要功能包括：①為KVM遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)提供接口，進(jìn)行遠(yuǎn)程管理；②為各港口的監(jiān)測系統(tǒng)中的監(jiān)測站提供網(wǎng)絡(luò)通訊接口，確保各分監(jiān)測中能夠獲取準(zhǔn)確、實(shí)時的數(shù)據(jù)；③在效勞器上運(yùn)行的管理軟件可以利用互聯(lián)網(wǎng)從衛(wèi)星的運(yùn)營效勞中心采集到匯總的數(shù)據(jù)。2.5.4用戶終端設(shè)計(jì)海事監(jiān)測與信息發(fā)布平臺海事監(jiān)測與信息發(fā)布平臺天氣與海況信息監(jiān)測子系統(tǒng)天氣與海況信息預(yù)測子系統(tǒng)海事信息發(fā)布子系統(tǒng)航標(biāo)工作管理子系統(tǒng)水流數(shù)據(jù)監(jiān)測海水溫度監(jiān)測氣溫監(jiān)測大氣濕度監(jiān)測能見度監(jiān)測潮汐預(yù)測水溫預(yù)測氣溫預(yù)測能見度預(yù)測海況信息發(fā)布天氣信息發(fā)布海上天氣預(yù)報(bào)航標(biāo)位置信息航標(biāo)參數(shù)顯示航標(biāo)位置顯示航標(biāo)狀態(tài)設(shè)置航標(biāo)預(yù)警處理圖2.6海事監(jiān)控與信息發(fā)布平臺用戶終端是各用戶與航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行交互的接口，由天氣和海況監(jiān)測子系統(tǒng)，天氣和海況預(yù)測子系統(tǒng)、航標(biāo)工作管理子系統(tǒng)和海事信息發(fā)布子系統(tǒng)組成海事監(jiān)測與信息發(fā)布平臺。平臺的整體結(jié)構(gòu)如圖2.6，海事監(jiān)測及信息發(fā)布平臺是基于模塊化思想設(shè)計(jì)，每個子系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，為各自的用戶提供效勞。天氣和海況監(jiān)測子系統(tǒng)為海事監(jiān)管部門提供航標(biāo)周邊水域的水深、水溫、氣溫、濕度、能見度等水溫氣象信息的實(shí)時監(jiān)測效勞。天氣和海況預(yù)測子系統(tǒng)為用戶提供流信息、能見度等天氣和海況信息的預(yù)測效勞，預(yù)測周期為周和月。航標(biāo)工作管理子系統(tǒng)為海事監(jiān)管部門提供各海域航標(biāo)的位置信息、電氣參數(shù)信息和航標(biāo)參數(shù)的配置效勞。這三個子系統(tǒng)全部為海事監(jiān)管部門提供效勞。海事信息發(fā)布子系統(tǒng)為漁船、海事企業(yè)等普通用戶提供實(shí)時的天氣和海況實(shí)時信息、天氣海況的預(yù)測信息和航道附近的航標(biāo)坐標(biāo)信息等。2.6本章小結(jié)本章首先對航標(biāo)的功能和傳統(tǒng)視覺航標(biāo)的管理模式進(jìn)行了簡要介紹，在分析了智能化航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求后，分別對系統(tǒng)的定位方案以及通訊方案進(jìn)行了分析和選擇，并依次對信息收集終端、信息處理中心、雙向通訊鏈路和用戶終端等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。第3章基于北斗的航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)3.1天氣和海況信息采集模塊北斗通訊定位模塊北斗通訊定位模塊海況信息采集設(shè)備信息收集平臺天氣信息采集設(shè)備流向流速水位水溫濕度溫度風(fēng)向風(fēng)速能見度衛(wèi)星通訊圖3.1天氣和海況信息采集模塊設(shè)計(jì)圖天氣和海況信息采集模塊的功能主要是收集港區(qū)及周邊水域的天氣和海況信息，并把這些數(shù)據(jù)由模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后傳送到北斗通信模塊。天氣和海況信息采集模塊的設(shè)計(jì)如下圖。它由信息收集平臺、天氣信息采集設(shè)備和海況信息采集設(shè)備構(gòu)成，能夠測量海水的深度、水溫、流向、流速以及空氣濕度、氣溫等參數(shù)。目前，國際上大局部海洋環(huán)境監(jiān)管機(jī)構(gòu)主要使用多普勒海流波浪探測儀作為采集海況信息的主要設(shè)備，該設(shè)備能夠自由選擇多個不同的測流層，還能測量和記錄水位、水溫、流向、流速等多種海況參數(shù)，精確度也較為理想。天氣信息的采集需要由多個傳感器組成一個傳感器組群來完成，包括了能見度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、溫濕度傳感器，能夠測量能見度、風(fēng)速、風(fēng)向、濕度、溫度等天氣信息。信息收集平臺負(fù)責(zé)對天氣信息采集設(shè)備所收集的信息進(jìn)行分析處理，再將其轉(zhuǎn)為數(shù)字信號格式，最后進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。3.2北斗通訊定位模塊MCUMCUSTC12C5A60S2時鐘電路北斗一代電路北斗二代電路程序升級電路存儲器電路復(fù)位電路電源電路對外接口電路圖3.2北斗通訊定位模塊硬件設(shè)計(jì)北斗通訊定位模塊選取“GNSS定位芯片+RDSS通信模塊〞的組合方式，能夠完成信息的接收、轉(zhuǎn)發(fā)以及信息收集終端的精準(zhǔn)定位。該模塊由RDSS電路、復(fù)位電路、GNSS芯片電路、時鐘電路、存儲器電路、對外接口電路、電源電路以及程序升級電路組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。主要元件選擇〔1〕處理器芯片由于功能需要，本方案中的處理器芯片選取的是STC12C5A32S2型號的單片機(jī)。該型號單片機(jī)為單時鐘/機(jī)器周期〔1T〕的新一代8051單片機(jī)，具有低能耗、高速、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。其指令代碼能夠兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，但速度是傳統(tǒng)單片機(jī)的9到11倍。其內(nèi)部包括了2路PWM、8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換、MAX810專用復(fù)位電路，能夠在強(qiáng)干擾環(huán)境下保持正常工作。STC12C5A32S2單片機(jī)共有4個16位定時器，包括兩個與傳統(tǒng)8051兼容的16位定時器/計(jì)數(shù)器T0和T1，和獨(dú)立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器與2路PCA模塊實(shí)現(xiàn)的2個16位定時器。單片機(jī)具有2個通用全雙工異步串行口，可通過程序設(shè)置串口通信的波特率，支持通用的串行通信協(xié)議。單片機(jī)中包括了UART串口、中央處理器〔CPU〕、串口2、看門狗、程序存儲器〔Flash〕、定時/計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)存儲器〔存儲器〕、SPI接口、I/O接口、PCA、A/D轉(zhuǎn)換器、晶體振蕩電路以及R/C振蕩器等信息收集和管理中需要的所有模塊。其工作溫度為-40到+85℃，能夠在極端惡劣的環(huán)境下運(yùn)行?！?〕RDSS模塊為了保證遠(yuǎn)離海岸線的航標(biāo)的信息能夠正常發(fā)送，本方案選取TYMD052型號RDSS模塊作為北斗通訊定位模塊的信息收發(fā)模塊。本模塊包括了北斗RDSS射頻前端的L波段功率放大器、S波段低噪聲放大器、L波段上變頻和S波段下變頻以及RDSS需要的時鐘和基帶處理局部，能夠支持RDSS〔RadioDeterminationSatelliteSystem〕的基帶與射頻的設(shè)計(jì)。本模塊還能夠產(chǎn)生高穩(wěn)定的頻率源并綜合產(chǎn)生50MHz時鐘以及所需頻點(diǎn)，具有操作方便、體積小、功耗低的特性。本模塊選取了收發(fā)射頻芯片，它集成了接收發(fā)射頻率綜合器、發(fā)射通道以及接收通道，利用片機(jī)外的少量配件就能完成射頻信號的發(fā)射與接收。發(fā)射通道選取直接調(diào)制的構(gòu)造，能夠直接解析TTL電平輸入信號，調(diào)制到其所需的載波頻率處，完成發(fā)射。接收通道選取兩次變頻的結(jié)構(gòu)，先將射頻信號下變頻至第一中頻，再利用正交混頻器產(chǎn)生最后的正交中頻信號。模塊的儲存溫度為-45℃～+85℃，工作溫度為-20℃～+55℃，能夠連續(xù)工作兩萬多小時，能夠在海上的極端環(huán)境下完成工作。在亞太地區(qū)運(yùn)行時，該模塊具有短信息通訊、定位以及授時等功能，定位誤差為100米，授時誤差小于100納秒，每次通訊最多能傳輸80字節(jié)BCD碼或大小的漢字，通訊和定位的成功率都在95%以上，并且支持本地串口進(jìn)行狀態(tài)設(shè)置。商用北斗SIM卡和SIM卡類似，也具有全球唯一編號，其編號由3字節(jié)的ASCII碼組成。目前，商用北斗的通訊時間間隔為60秒，軍用北斗的通訊時間間隔為1秒?！?〕GNSS芯片為了盡量減小定位誤差，本方案選取UM220型號的GNSS〔GlobalNavigationSatelliteSystem〕芯片作為系統(tǒng)的定位模塊。UM220是我國擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的一款具備高性能的雙定位系統(tǒng)的芯片，可以同時在BD2B1、GPSL1兩個頻點(diǎn)工作。UM220外形和GPS芯片根本一致，選取SMT焊盤，能夠完成全自動化集成回流焊接和標(biāo)準(zhǔn)取放，特別符合低功耗、低本錢的要求。其結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。2.85V2.85VSAWFilterLDORF前端TCXOFLASH基帶處理器SRAMCPUROM接口RTCRF輸入RF輸入匹配UARTSP1ResetEventVCCUBATUM220圖3.3UM220結(jié)構(gòu)框圖UM220芯片有3個支持變更設(shè)置的串口，其默認(rèn)波特率是9600bps，最高能夠設(shè)置到230400bps，輸入/輸出信號類型為3.3V的TTL電平。該芯片的測速誤差為0.1m/s，定位誤差為3m，導(dǎo)航信息為NMEA0183格式，能夠在-40℃~+85℃的環(huán)境中維持正常運(yùn)行。芯片還能利用串口輸出GSV、GSA、GGA、RMC、GLL等8種定位數(shù)據(jù)，使用者能夠通過串口對模塊的工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，完成定位數(shù)據(jù)的組合輸出。3.2.2硬件電路的設(shè)計(jì)〔1〕RDSS模塊工作電路圖3.4RDSS模塊工作電路圖本電路是由商用北斗SIM卡和RDSS模塊構(gòu)成。RDSS模塊電源設(shè)置為5V，并與商用SIM卡的數(shù)據(jù)IO端口、復(fù)位和時鐘相連，但時鐘線不能太長。模塊的29和30引腳與CPU的P3.1和P3.0相連，并選取串行通信協(xié)議完成信息交互。電路原理如圖3.4所示。SIM卡電源為3.3V直流電，與通訊模塊組合運(yùn)行。其中，C3、C4、C5全部是紋波電容，用來消除信號內(nèi)的噪聲。SIM卡擁有唯一的全球編號，與通訊模塊共用身份參數(shù)。RDSS模塊能夠?yàn)椴捎貌煌愋偷腟IM卡的用戶提供不同的效勞頻度。例如，商用北斗SIM卡的效勞頻度為1分鐘，而軍用北斗SIM卡的效勞頻度為1秒。UM220工作電路圖3.5北斗二代電路圖如圖3.5所示，UM220芯片的電源電壓為3.3V直流電，通過串口3〔第39、40管腳〕與CPU進(jìn)行信息交互。模塊的第57管腳為VBAT端口，應(yīng)與3.0V電池電源的正極連接。模塊的第49管腳為復(fù)位引腳，與MAX811芯片第2管腳連接，組成GNSS模塊的復(fù)位電路。假設(shè)模塊RST管腳的電平被降低大于5ms，那么模塊能夠自動復(fù)位。芯片的第2管腳為天線信號的輸入端口，能夠提供+2.85V的天線反應(yīng)電壓。采用+2.85V供電的有源天線能夠直接連接到GNSS_ANT端口。由于本方案選取的并非+2.85V有源供電天線，所以要外接3.3V直流電源。程序下載電路圖3.6程序下載電路圖如圖3.6所示，該電路的功能是對計(jì)算機(jī)端口與CPU芯片的電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換。MAX232是符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的單電源轉(zhuǎn)換芯片，具有高集成、低能耗和低本錢等特性。該電路的第11和12管腳和CPU的P3.0和P3.1連接，第13和14管腳和串口連接器的管腳3與2連接。需要留意的是，芯片的第2管腳應(yīng)接5V直流電源，串口連接器的第5管腳需要接地?！?〕復(fù)位電路圖3.7復(fù)位電路圖如圖3.7所示，CPU的P4.6管腳與復(fù)位電路連接。P4.6是CPU的第二復(fù)位引腳，它的門檻電壓大概是1.33V。當(dāng)P4.6引腳低于門檻電壓時，CPU會處于復(fù)位狀態(tài)。7805芯片的管腳1與5V電源相接，管腳2的電壓大概會在4V左右，管腳3接地。電阻R1的大小為10K，R2大小為20K，通過分壓會使P4.6處的電壓值大概是1.33V。因此當(dāng)7805的管腳2處電壓大于4V時，CPU正常運(yùn)行，否那么，CPU處于復(fù)位狀態(tài)?！?〕電源電路圖3.8電源電路圖RS232芯片、STC12C5A60S2單片機(jī)、UM220芯片和TYMD052模塊都需要接入北斗通訊定位模塊的電源。其配套UM220芯片和SIM卡電壓的均為3.3V，TYMD052模塊電壓為5V，其VBAT引腳需要3.0V電池電源。由蓄電池與太陽能板構(gòu)成的太陽能供電系統(tǒng)能夠給航標(biāo)監(jiān)測模塊功能板提供穩(wěn)定、持續(xù)的8V直流電壓電源。LM338K穩(wěn)壓芯片的輸入端電壓在7~12V范圍內(nèi)，輸出端電壓是5V，最大電流為5A。TYMD052模塊的射頻發(fā)射電流為3A，工作電流能夠超過3.5A，采用LM338K穩(wěn)壓芯片可以保證電流要求?？紤]到設(shè)計(jì)需求與本錢原因，選取LM1117電源穩(wěn)壓芯片給UM220芯片供電。LM1117是一種低壓差電壓調(diào)節(jié)器，能夠把5V電壓變換為3.3V，并且能夠利用電阻調(diào)整變換比例。UM220芯片的備用電源輸入端為VBAT引腳，能夠支持系統(tǒng)暫時的低能耗供電。嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)否否否否否否開始程序初始化接收串口指令完成天氣信息采集完成海況信息采集完成電氣數(shù)據(jù)采集完成位置信息采集完成解析數(shù)據(jù)組裝數(shù)據(jù)包組裝數(shù)據(jù)包組裝數(shù)據(jù)包組裝數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)包發(fā)送數(shù)據(jù)包發(fā)送數(shù)據(jù)包發(fā)送數(shù)據(jù)包是是是是是圖3.9嵌入式軟件流程圖為了滿足北斗通訊模塊的信息接收、信息轉(zhuǎn)發(fā)以及位置數(shù)據(jù)獲取的需要，嵌入式軟件需要具備以下功能：接收串口1發(fā)送的參數(shù)設(shè)置命令，然后做出對應(yīng)操作；采集天氣和海況信息、電氣數(shù)據(jù)和位置信息等參數(shù)，組裝成數(shù)據(jù)包，隨后發(fā)送。該軟件使用前后臺程序構(gòu)造，也就是在各外部中斷中采集天氣與海況數(shù)據(jù)以及航標(biāo)參數(shù)數(shù)據(jù)，并在主程序中對信息進(jìn)行組裝和發(fā)送。具體來說，嵌入式軟件利用定時器中斷采集天氣與海況數(shù)據(jù)、電氣數(shù)據(jù)信息和位置信息，并在主程序中對數(shù)據(jù)包分別進(jìn)行組裝和發(fā)送工作；在串口1中斷中接收航標(biāo)設(shè)置命令，并在主程序中對命令進(jìn)行解析和轉(zhuǎn)發(fā)。這里，串口中斷擁有最高的優(yōu)先級。嵌入式軟件流程如圖3.9所示。解析數(shù)據(jù)包和組裝數(shù)據(jù)包是嵌入式軟件的兩個重要子程序。〔1〕組裝數(shù)據(jù)包的流程如下：①采集數(shù)據(jù)內(nèi)容的長度，并將長度轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制ASCII碼；②填寫對應(yīng)的信息種類字段的字符數(shù)組；③填寫信息內(nèi)容字段，信息內(nèi)容字段的各項(xiàng)用逗號分隔；④依次把代表各字段的字符數(shù)組拼接到一起，并填充0X00，補(bǔ)夠70字節(jié)，組成發(fā)送字符數(shù)組；⑤按照北斗通訊模塊通訊申請命令的報(bào)文格式，將發(fā)送字符數(shù)組作為內(nèi)容字段與其他字段拼接；求校驗(yàn)和，并將結(jié)果填充到校驗(yàn)和為，形成通訊申請命令。〔2〕解析數(shù)據(jù)包的工作流程如下：①按照北斗通訊模塊通訊命令的格式，獲取通訊內(nèi)容長度；②從內(nèi)容字段的第一個字節(jié)開始，獲取相應(yīng)長度的參數(shù)；③按照約定的內(nèi)容格式，將內(nèi)容依次復(fù)制到對應(yīng)字符數(shù)組中；通訊報(bào)文設(shè)計(jì)由于RDSS模塊的通訊申請命令具有固定的報(bào)文格式，因此本文只對報(bào)文的內(nèi)容字段進(jìn)行了設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了固定的格式要求。待發(fā)送信息主要有5類，包括海況信息、天氣信息、報(bào)警信息、位置信息和航標(biāo)狀態(tài)信息，其中報(bào)警信息報(bào)文具有最高的優(yōu)先級。RDSS模塊通訊申請命令內(nèi)容字段的長度固定為70字節(jié)，全都用ASCII碼編寫。內(nèi)容字段的格式為：信息種類信息長度信息內(nèi)容填充信息〔1〕“信息種類〞字段：代表要發(fā)送的報(bào)文類型，其長度是1字節(jié)。其中，0x31代表海況信息，0x32代表天氣信息，0x33代表位置信息，0x34代表航標(biāo)狀態(tài)信息，0x35代表報(bào)警信息?！?〕“信息長度〞字段：代表“信息內(nèi)容〞字段的長度，其單位是字節(jié)，字段的長度為8bit，用16進(jìn)制ASCII碼編寫?！?〕“填充信息〞字段：如果以上三個字段的總長度低于80字節(jié)，那么用0x00進(jìn)行填充，以確保報(bào)文的總長度固定為80字節(jié)。“信息內(nèi)容〞字段：代表真正要發(fā)送的信息內(nèi)容，字段的總長不固定。具體如下：①海況信息海況信息內(nèi)容字段包括流向、水位、流速、水溫，相鄰工程之間用逗號隔開，全用ASCII碼編寫，規(guī)定格式是：$rate，direction，temperature，level，總長度是21字節(jié)。具體參數(shù)如表3.1所示。表3.1海況信息字段參數(shù)描述參數(shù)標(biāo)識$起始符direction代表流向，單位為°，數(shù)據(jù)格式為AAAlevel代表水位，單位為m，數(shù)據(jù)格式為AAA.Arate代表流速，其單位為m/s，數(shù)據(jù)格式為AAA.AAtemperature代表水溫，單位為°C，數(shù)據(jù)格式為AAA.A，第1個A是符號位，全1代表負(fù)，全0代表正。②天氣信息內(nèi)容字段天氣信息內(nèi)容字段包括風(fēng)向、空氣濕度、風(fēng)速、空氣溫度和能見度，相鄰工程之間用逗號隔開，規(guī)定格式是：$temperature，humidity，rate，direction，visibility，總長度是23字節(jié)。具體參數(shù)如表3.2所示。表3.2氣象信息字段參數(shù)描述參數(shù)標(biāo)識$起始符direction代表風(fēng)向，單位為°，數(shù)據(jù)格式為BBBhumidity代表空氣濕度，單位為%，數(shù)據(jù)格式為BBBrate代表風(fēng)速，其單位為m/s，數(shù)據(jù)格式為BBB.BBtemperature代表空氣溫度，其單位為°C，數(shù)據(jù)格式為BBB.B，第1個B是符號位，全1代表負(fù)，全0代表正。visibility代表能見度，單位為m，數(shù)據(jù)格式為BBBBB③定位信息字段定位信息字段完全采用Unicore通信協(xié)議中的BDGLL消息格式，包含經(jīng)度、緯度、定位時間、有效位和校驗(yàn)和等。其格式為$BDGLL，Lat，N，Lon，E，time，Valid，Mode*cs，總長度為49字節(jié)。具體的參數(shù)描述如表3.3所示。表3.3定位消息字段參數(shù)描述參數(shù)標(biāo)識BDGLL定位系統(tǒng)標(biāo)識E東經(jīng)或西經(jīng)指示；E-東經(jīng)；W-西經(jīng)cs校驗(yàn)和N北緯或南緯指示；N-北緯；S-南緯time代表UTC時間，時間格式為hhmmss.ssshh-小時；mm-分鐘；ss.sss-秒Lon代表經(jīng)度字段，格式為dddmm.mmmm；其中dd代表度；mm.mmmm代表分Lat代表緯度字段，格式為ddmm.mmmm；其中dd代表度；mm.mmmm代表分Valid位置有效標(biāo)識；V-無效；A-有效Mode定位模式；V-無效；A-有效④航標(biāo)參數(shù)信息字段航標(biāo)參數(shù)信息字段包括航標(biāo)燈的航標(biāo)燈亮滅狀態(tài)、工作電流、工作電壓、蓄電池電流、蓄電池的電壓，每個代表項(xiàng)用逗號隔開，其格式為：$Voltage1，Current1，Voltage2，Current2，flag，總長度為22字節(jié)。具體的參數(shù)描述如表3.4所示。表3.4航標(biāo)參數(shù)信息字段參數(shù)描述參數(shù)標(biāo)識$起始符flag代表燈器兩滅狀態(tài)，全1代表亮，全0代表滅Current1代表工作電流，單位為A，數(shù)據(jù)格式為D.DDDVoltage1代表工作電壓，其單位為V，數(shù)據(jù)格式為DD.DDCurrent2代表蓄電池電流，單位為A，數(shù)據(jù)格式為D.DDDVoltage2代表蓄電池電壓，其單位為V，數(shù)據(jù)格式為DD.DD⑤預(yù)警信息字段預(yù)警功能是指，如果電流電壓大于設(shè)置值時，模塊將發(fā)出預(yù)警信息，其格式為：WARING。隨后，北斗通訊定位模塊發(fā)出warning預(yù)警信息，并發(fā)送當(dāng)時的航標(biāo)狀態(tài)信息。3.3航標(biāo)信息采集與設(shè)置模塊程序下載電路程序下載電路參數(shù)采集電路驅(qū)動控制電路燈器電路復(fù)位電路時鐘電路電源電路對外接口電路MCUSTC12C5A32S2圖3.10航標(biāo)信息采集與配置模塊構(gòu)造圖航標(biāo)信息采集與設(shè)置模塊擁有獨(dú)立的CPU，能夠與其他模塊同時工作。它利用串口與北斗通訊定位模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。該模塊包括了參數(shù)采集電路、程序下載電路、復(fù)位電路、對外接口電路、電源電路、燈器電路和驅(qū)動控制電路，具體硬件構(gòu)造如圖3.10所示。3.3.1硬件電路實(shí)現(xiàn)〔1〕電壓電流采集電路RRSENSE負(fù)載電路MAX4372A/D轉(zhuǎn)換電路CPU電壓輸入SIGNVoutRG1RG2圖3.11電壓電流檢測電路設(shè)計(jì)圖電壓電流采集電路的功能主要為收集航標(biāo)燈器的電壓、電流、蓄電池電壓、蓄電池電流、燈光閃光狀態(tài)，再把以上虛擬信號變成數(shù)字信號，該電路一共需獲取并記錄一個狀態(tài)值、兩個電流值和兩個電壓值。電壓與電流的獲取是通過MAX4372監(jiān)測芯片組成的電路實(shí)現(xiàn)的。電壓電流采集電路的原理如圖3.11所示。MAX4372芯片具有本錢低、測量誤差小等優(yōu)點(diǎn)，而且芯片在測量輸出電壓時并不會影響蓄電池的接地線路，可在電池供電系統(tǒng)中使用。其中，Vout是電壓輸出端，代表期望的輸出電壓，通過A/D轉(zhuǎn)換電路處理，將其轉(zhuǎn)為數(shù)字值再傳輸?shù)紺PU內(nèi)。SIGN代表Rsense電阻中電流Isense的方向，從RG2到RG1代表負(fù)，反之代表正。電流的數(shù)值可以通過運(yùn)算獲取，其運(yùn)算公式為：Isense=Vout/Rsense〔3.1〕這一過程通過監(jiān)測CPU內(nèi)編程實(shí)現(xiàn)。監(jiān)測CPU利用P2.2端口監(jiān)測航標(biāo)燈實(shí)時的閃光情況。當(dāng)燈亮?xí)r，P2.2引腳的電平為3.3~5V，取邏輯狀態(tài)值為1；當(dāng)燈滅時，P2.2引腳電平為0~0.5V，取邏輯狀態(tài)值為0。電路原理如圖3.12所示。航標(biāo)燈電路2N2907三極管P2.2CPUP2.1航標(biāo)燈電路2N2907三極管P2.2CPUP2.1VCCVCC5321圖3.12驅(qū)動控制電路原理圖驅(qū)動控制電路相當(dāng)于航標(biāo)燈器電路的邏輯開關(guān)，能夠控制燈器閃光周期和閃光狀態(tài)。當(dāng)三極管的管腳3是低電平時，1和2之間成為高阻態(tài)，航標(biāo)燈為熄滅狀態(tài)；反之，管腳1和2之間為通路，航標(biāo)燈亮。單片機(jī)利用程序?qū)2.1端口的上下電平進(jìn)行設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)對航標(biāo)燈的閃光周期和閃光狀態(tài)的控制。其中，2N2907是小功率PNP三極管，其工作溫度為-50℃~150℃，能夠在惡劣的環(huán)境下正常運(yùn)行。存儲器電路A2A1A0GNDA2A1A0GNDAT24C64WPsdaVCCsclCPUP2.4P2.5VCCVCC圖3.13存儲器電路原理圖AT24C64為可擦除存儲器ROM，能夠提供8K*8bit的存儲空間，時鐘頻率為1MHZ，能夠兼容400KHZ的ⅡC總線。CPU與存儲器之間的通訊協(xié)議為ⅡC協(xié)議。存儲器電路原理如圖3.13所示。ⅡC作為一種多向控制總線，能夠把不同種類的外設(shè)連接到一個總線上，使不同設(shè)備之間的讀寫速度能夠得到同步?？偩€包括了時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA，其中SCL用來同步時鐘信號，SDA用來接收和發(fā)送數(shù)字信號。總線上的各種外圍設(shè)備利用SDA發(fā)送的地址信號進(jìn)行尋址。如圖3.13所示，單片機(jī)CPU上的P2.5與P2.4端口分別同存儲器的SDL和SDA端口相連，組成ⅡC總線。因?yàn)榭偩€上僅有一個AT24C64存儲芯片，所以存儲器的地址端口A0、A1和A2全部接地，此三個端口全都表示為0。嵌入式軟件模擬ⅡC總線的通訊模式，實(shí)現(xiàn)CPU對AT24C64的字節(jié)寫、字節(jié)讀。嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)否否否否是開始系統(tǒng)初始化串口是否接到命令電氣信息采集完成閃光周期采集完畢航標(biāo)燈工作正常模數(shù)轉(zhuǎn)換發(fā)送數(shù)據(jù)到串口故障處理執(zhí)行相應(yīng)操作發(fā)送信息到串口發(fā)送報(bào)警信息到串口是是是否圖3.14嵌入式軟件流程圖嵌入式軟件主要實(shí)現(xiàn)3個作用：〔1〕定期獲取蓄電池電流、蓄電池電壓、工作電流、工作電壓和閃光狀態(tài)，對信息進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再傳送到數(shù)據(jù)處理模塊的航標(biāo)信息緩沖區(qū)；〔2〕獲取并解算北斗通訊定位模塊發(fā)送的控制指令，對數(shù)據(jù)采集終端的電氣參數(shù)等信息進(jìn)行設(shè)置?！?〕當(dāng)監(jiān)測到航標(biāo)的電流、電壓狀態(tài)不正常時，產(chǎn)生報(bào)警信息，并向數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送報(bào)警中斷信號；嵌入式軟件選取前后臺程序構(gòu)造，即在各外部中斷中采集電壓電流數(shù)據(jù)、閃光周期和工作參數(shù)數(shù)據(jù)，并在主程序中完成對以上數(shù)據(jù)的發(fā)送。嵌入式軟件通過定時器中斷獲取電壓電流數(shù)據(jù)、閃光周期和工作參數(shù)數(shù)據(jù)，并在主程序中分別發(fā)送數(shù)據(jù)；在串口1中斷中接收航標(biāo)配置指令，并在主程序中完成命令的解算和相關(guān)操作。其中，串口中斷具有最高的優(yōu)先級。嵌入式軟件流程如圖3.14所示。3.4本章小結(jié)本章主要對航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的信息收集終端的軟、硬件電路系統(tǒng)進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)，并分別對天氣和海況信息采集設(shè)備的進(jìn)行了選取與功能設(shè)計(jì)，還對北斗定位通訊模塊、航標(biāo)信息采集與設(shè)置單元的硬件電路設(shè)計(jì)和嵌入式程序設(shè)計(jì)以及通訊報(bào)文的格式進(jìn)行了設(shè)計(jì)。第4章航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)中的定位精度優(yōu)化4.1北斗系統(tǒng)工作原理及系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國擁有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星系統(tǒng)，具備衛(wèi)星數(shù)量少、雙向通信等優(yōu)點(diǎn)，目前已能夠在整個亞太地區(qū)完成定位、導(dǎo)航、通信等任務(wù)；根據(jù)北斗二代系統(tǒng)的規(guī)劃，到2023年左右，我國還將建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗系統(tǒng)的成功開發(fā)，使我國打破了長期以來美國、俄羅斯等國在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的壟斷，實(shí)現(xiàn)了中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的跨越。北斗一代系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)〔1〕北斗一代系統(tǒng)的工作原理北斗一代衛(wèi)星系統(tǒng)是由一顆在軌備用衛(wèi)星〔110.50E〕、兩顆地球靜止衛(wèi)星〔800E和1400E〕、標(biāo)校系統(tǒng)、用戶接收和中控系統(tǒng)等模塊構(gòu)成。其工作模式為：①由中控系統(tǒng)同時向兩顆靜止衛(wèi)星發(fā)送詢問信息，并通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器向覆蓋區(qū)域內(nèi)的所有用戶轉(zhuǎn)發(fā)；②用戶收發(fā)機(jī)回應(yīng)其中一顆衛(wèi)星的詢問信息，但向兩顆衛(wèi)星同時發(fā)送響應(yīng)信息，再通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中控系統(tǒng)；③中控系統(tǒng)接收并解析用戶發(fā)送的信息，再按照用戶的請求內(nèi)容進(jìn)行對應(yīng)的信息處理；④通過解析用戶請求內(nèi)容，中控系統(tǒng)運(yùn)算能夠得到兩個時間延遲：一是從中控系統(tǒng)發(fā)送詢問信息，通過某靜止衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至用戶收發(fā)機(jī)，收發(fā)機(jī)發(fā)送定位響應(yīng)信息后再經(jīng)同一衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中控系統(tǒng)的延遲時間；二是自中控系統(tǒng)發(fā)出詢問信息，經(jīng)上述同一衛(wèi)星到達(dá)用戶收發(fā)機(jī)，收發(fā)機(jī)發(fā)送響應(yīng)信息，經(jīng)另一顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中控系統(tǒng)的延遲時間。因?yàn)閮深w衛(wèi)星與中控系統(tǒng)的空間位置均為的，所以根據(jù)以上兩個延遲時間就能夠計(jì)算出用戶收發(fā)機(jī)到第一顆衛(wèi)星的距離，以及收發(fā)機(jī)到兩顆衛(wèi)星距離的總和。同時，中控系統(tǒng)通過查詢計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)字化地形圖獲得用戶的高程值，進(jìn)而得到用戶位于某一與地球基準(zhǔn)橢球面平行的橢球面上。然后，以第一顆衛(wèi)星為球心得到一個球面，再以兩顆衛(wèi)星的位置為焦點(diǎn)得到一個橢球面，即可解析得到用戶位置的三維坐標(biāo)，最后對這個坐標(biāo)信息進(jìn)行加密再通過出站信息將其發(fā)到用戶收發(fā)機(jī)?！?〕北斗一代系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)北斗一代系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如以下圖：空間衛(wèi)星地面中控系統(tǒng)用戶收發(fā)機(jī)空間衛(wèi)星地面中控系統(tǒng)用戶收發(fā)機(jī)圖4.1北斗一代系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖北斗一代系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要分為三局部：①用戶收發(fā)機(jī)用戶收發(fā)機(jī)的功能包括接收中控系統(tǒng)經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的測距詢問信息，經(jīng)混頻和放大后注入相關(guān)內(nèi)容，并由發(fā)射器向1-2顆衛(wèi)星發(fā)射響應(yīng)信息。其結(jié)構(gòu)主要由顯示器、放大和混頻器、信息錄入鍵盤、發(fā)射器和收發(fā)天線等構(gòu)成。②地面中控系統(tǒng)地面中控系統(tǒng)是北斗一代系統(tǒng)的管理和控制中心，主要負(fù)責(zé)對整個系統(tǒng)內(nèi)信息進(jìn)行搜集、處理與并對各模塊狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控等，其結(jié)構(gòu)主要包括信息處理分系統(tǒng)〔定軌子系統(tǒng)和加密子系統(tǒng)〕、時間分系統(tǒng)、信息收發(fā)分系統(tǒng)、信道監(jiān)控分系統(tǒng)和監(jiān)控分系統(tǒng)等。它的主要功能包括：Ⅰ.發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)時間信息和詢問信息〔也稱出站信息〕，接收用戶響應(yīng)信息〔也稱入站信息〕；Ⅱ.獲取衛(wèi)星的準(zhǔn)確坐標(biāo)，并利用出站信息為用戶提供衛(wèi)星坐標(biāo)信息；Ⅲ.為用戶提供精確授時與定位效勞，同時記錄用戶的相關(guān)參數(shù)；Ⅳ.轉(zhuǎn)發(fā)用戶間通訊信息或和用戶通過報(bào)文通訊；Ⅴ.控制并監(jiān)測地面設(shè)備的狀態(tài)和衛(wèi)星有效載荷；Ⅵ.為新用戶的收發(fā)機(jī)進(jìn)行入網(wǎng)注冊登記和性能參數(shù)檢測；Ⅶ.能夠根據(jù)實(shí)際情況臨時控制局部用戶收發(fā)機(jī)的工作甚至關(guān)閉局部收發(fā)機(jī)；Ⅷ.能夠根據(jù)實(shí)際情況對標(biāo)校機(jī)相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制等，中控系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的中心，承當(dāng)了系統(tǒng)內(nèi)的全部運(yùn)算和處理。③空間衛(wèi)星空間衛(wèi)星局部由三顆地球同步衛(wèi)星構(gòu)成，包括一顆備用衛(wèi)星以及兩顆工作衛(wèi)星，主要負(fù)責(zé)完成用戶收發(fā)機(jī)和中控系統(tǒng)之間的雙向信息轉(zhuǎn)發(fā)。衛(wèi)星的主要載荷包括L天線與S天線〔各兩個波束〕、變頻轉(zhuǎn)發(fā)器。工作衛(wèi)星可以接收和完成地面中控系統(tǒng)發(fā)出的控制指令并完成子系統(tǒng)發(fā)送的測量衛(wèi)星狀態(tài)的指令。在工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時，備用衛(wèi)星能夠隨時代替任一顆衛(wèi)星工作。北斗二代系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)北斗二代系統(tǒng)是在衛(wèi)星在每一時刻的位置和速度的根底上，以衛(wèi)星作為空間基準(zhǔn)點(diǎn)，通過用戶接收設(shè)備，測定用戶至衛(wèi)星的距離或多普勒頻移等觀測量來確定用戶的位置和速度。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要由空間局部、地面控制局部和用戶接收局部組成。空間局部主要是衛(wèi)星所組成的導(dǎo)航星座。導(dǎo)航衛(wèi)星沿著一定的軌道運(yùn)行，衛(wèi)星上除了電源和收發(fā)天線之外還有專用的導(dǎo)航系統(tǒng)，其中包括導(dǎo)航電文的存儲、高穩(wěn)定頻標(biāo)、雙頻發(fā)射機(jī)等。地面控制局部的主要任務(wù)和功能是跟蹤和觀測空間局部衛(wèi)星地運(yùn)行狀況，計(jì)算和編制衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星時鐘差等參數(shù)，并將其注入到衛(wèi)星的存儲器中。用戶接收局部也常常被稱之為北斗終端，其能夠接收衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航電文和無線電信號，由無線電信號測量出終端到衛(wèi)星的距離或者是多普勒頻移；根據(jù)導(dǎo)航電文計(jì)算出觀測時刻衛(wèi)星的位置和速度，結(jié)合距離和多普勒頻移解算出用戶的位置和速度。4.2差分GPS定位技術(shù)由于美國的GPS系統(tǒng)在對商業(yè)用途提供的定位效勞存在較大的定位誤差，我國以及其他很多地區(qū)都在直接獲取其信號的根底上利用差分定位的方法對定位精度進(jìn)行了提高，并收獲了很好的效果，所以在這里首先分析GPS系統(tǒng)的差分定位方案。差分GPS定位的根本方案是：在一個經(jīng)提前測量過“精確地理坐標(biāo)〞信息的位置〔基站〕，用GPS的C/A碼接收機(jī)收取GPS衛(wèi)星的定位參數(shù)信息而獲取該基站的“GPS定位坐標(biāo)〞，將其和“精確地理坐標(biāo)〞進(jìn)行比擬，就可以得到該基站的“GPS定位誤差修正量〞。再通過無線電信號將“誤差修正量〞發(fā)送到該基站周圍所有C/A碼GPS接收機(jī)，修正其接收機(jī)的定位信息。通過“差分GPS定位〞，能夠使C/A碼接收機(jī)的定位誤差降低約10倍之多。GPS定位存在三類誤差。一是每一個用戶收發(fā)機(jī)都具有的衛(wèi)星自身誤差，例如星歷誤差、衛(wèi)星鐘誤差等；二是不能被用戶測量或被校正模型來計(jì)算的傳播延遲誤差，例如對流層誤差、電離層誤差等；三是各用戶收發(fā)機(jī)自身的誤差，例如內(nèi)部噪聲、通道延遲、多徑效應(yīng)等。利用差分GPS定位，能夠完全消除第一類誤差，也可降低大局部第二類誤差，不過這主要取決于基站和用戶收發(fā)機(jī)之間的距離，第三類誤差那么無法消除。差分GPS定位系統(tǒng)能夠在一定的程度上來提升定位精度，只需一個GPS基站和一個用戶收發(fā)機(jī)，采取實(shí)時或事后處理方法，就能夠消除用戶收發(fā)機(jī)上的公共誤差〔電離層和對流層誤差等〕。按照差分GPS基站發(fā)送信息的不同，可以把差分GPS定位分為三種，即：偽距差分、位置差分和相位差分。這三種差分定位方法的原理是根本相同的，均是基站發(fā)送修正量，用戶收發(fā)機(jī)接收修正量信息，再對自身測量結(jié)果進(jìn)行修正，從而得到精確的位置信息。所不同的是，三種方法發(fā)送修正量的具體內(nèi)容不一樣，導(dǎo)致其差分定位誤差也不同。偽距差分GPS根本原理偽距差分GPS是現(xiàn)在應(yīng)用最多的差分定位方法，絕大多數(shù)民用差分GPS都采取該方法。首先，根據(jù)的GPS基站精確坐標(biāo)與GPS衛(wèi)星星歷求出衛(wèi)星到基站的距離，然后將此值與基站收發(fā)機(jī)用C/A碼測量的偽距觀測值進(jìn)行比照，求差得出測距誤差〔也稱偽距誤差〕。然后，基站把衛(wèi)星的測距誤差發(fā)送給周邊地區(qū)的所有用戶收發(fā)機(jī)，用戶利用此測距誤差來校正自身測量的偽距。最后，用戶利用改正后的偽距解算出自身地理坐標(biāo)，從而消除掉大局部公共誤差。偽距差分GPS方法可以根本消除衛(wèi)星誤差和信號傳播誤差，但隨著用戶到基站距離的增加又出現(xiàn)了系統(tǒng)誤差，這種誤差用任何差分方法都是不能消除的。因此，用戶和基站之間的距離很大程度上決定了誤差大小。位置差分GPS根本原理位置差分GPS是一種最根本的差分定位方法，幾乎所有GPS收發(fā)機(jī)都能使用此類差分方法?；旧系腉PS收發(fā)機(jī)通過對4顆衛(wèi)星進(jìn)行觀測，就能夠進(jìn)行三維定位，并測算出基站的位置信息。但是因?yàn)樾l(wèi)星誤差、衛(wèi)星傳播誤差以及收發(fā)機(jī)自身誤差等影響，測算出的位置與基站的位置是有誤差的。基站將兩者比照后的誤差修正量發(fā)送到周邊所有用戶的收發(fā)機(jī)，使用戶能夠?qū)ζ渥陨淼淖鴺?biāo)進(jìn)行修正。通過位置差分方法，用戶修正后得到的位置信息已經(jīng)消除了基站和用戶之間的公共誤差，例如大氣影響、SA影響和衛(wèi)星軌道誤差等，降低了定位誤差。然而，采用這一方法的根底條件是基站和用戶要觀測的是同樣的4顆衛(wèi)