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

    摘要：介紹了利用GPS OEM板對航標(biāo)燈進行位置測量與監(jiān)控的情況，并根據(jù)GPS OEM板誤差源對測量數(shù)據(jù)進行有效的數(shù)值分析處理， 同時根據(jù)CPS OEM板測量讀數(shù)的特征采取了相應(yīng)的控制策略，取得了良好的實際應(yīng)用效果，為航道的數(shù)字化、自動化建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

隨著電子技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，無線通信以及遙測遙控系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空、航海等各個領(lǐng)域中。出?？诩皟?nèi)陸河道作為航海航運重要的一部分，其管理維護方法及管理質(zhì)量對我國航運業(yè)的影響至關(guān)重要。發(fā)展至今，電子通信產(chǎn)品的可靠性越來越高，成本越來越低，這使得航道管理維護自動化、數(shù)字化的實現(xiàn)成為可能。GPS(全球定位系統(tǒng))是美國國防部于1973年開始研制的衛(wèi)星全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，主要為其海陸空三軍服務(wù)。近幾年來已逐步應(yīng)用于民用設(shè)施及測繪技術(shù)中，同時美國軍方逐步放松對民用GPS設(shè)備的限制，使得民用GPS達到了比較高的定位精度。利用GPS對航道航標(biāo)等設(shè)備進行位置遙測與監(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)，把整個航道管理區(qū)域內(nèi)需監(jiān)控的目標(biāo)物組成一個GPS遙測網(wǎng)，并利用各種濾波方法消除相應(yīng)的誤差，提高了遙測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1 GPS OEM板與航道GPS遙測網(wǎng)

1.1 GPS OEM板

GPS OEM板是GPS接收機中一個重要的組成部分，它具有成本低、體積小、重量輕、產(chǎn)品種類多、性價比高等很多優(yōu)點，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)能達到幾十米，甚至可以達到10米以內(nèi)的精度。本課題所用到的Thales集團導(dǎo)航定位公司的GPS OEM B12就是一款性價比很高的產(chǎn)品。

1.2 航道監(jiān)測

航道是交通網(wǎng)絡(luò)中一個重要組成部分，其安全質(zhì)量直接影響著整個交通系統(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)燈光及其閃動頻率來確定自己的航向。至于航標(biāo)的維護，則是航道部門每隔一定時間派巡航船只對各航標(biāo)燈進行目測和實測。因為航道中航標(biāo)燈比較多，這就使得這種巡航航道的維護方式操作繁瑣，運作維護成本高，安全質(zhì)量低。

1.3 航道GPS遙測網(wǎng)

航道中航標(biāo)遙測網(wǎng)主要是對水標(biāo)(拋錨在水中的航標(biāo))進行遙測以便對其位置進行實時監(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。GPS在航標(biāo)遙測網(wǎng)中的實際任務(wù)就是實時測量航標(biāo)燈所在位置，并與預(yù)先劃定的位置范圍進行比較，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。而每個航道管理區(qū)域內(nèi)有成百個水標(biāo)，因此在提高安全質(zhì)量的同時也需考慮成本投入。根據(jù)航道的具體要求，其精度并不需要精確到米級以下，因此不需要價格昂貴的高精度GPS接收機及測量儀。同時將GPS OEM板與水標(biāo)進行捆綁，可以以相對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個接收通道(即同時可以接收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測量的誤差主要包括衛(wèi)星部分、信號傳播、信號接收等各個方面帶來的誤差，但從性質(zhì)上來講可以歸納為系統(tǒng)誤差和隨機誤差兩部分。其中系統(tǒng)誤差主要包括衛(wèi)星的星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差以及大氣折射的誤差等。隨機誤差主要包括信號的多路徑效應(yīng)等。雖然系統(tǒng)誤差比隨機誤差要大些，其消除主要靠接收機本身[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行處理對整個系統(tǒng)的可靠性都是非常重要的。由于水面多路徑效應(yīng)比較嚴重，所以使用精密相位中心、具厄流圈的測量天線是消除由于水面環(huán)境所引起誤差的一個重要方法。

2.2 數(shù)值處理

針對各種誤差，測量技術(shù)中已應(yīng)用了各種濾波方法來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、進退遞推濾波法等。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所讀數(shù)據(jù)都有不同曲線方向的飄移，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。以下是系統(tǒng)中所用到的幾種濾波方法。

    中值濾波法：即對所測三個數(shù)據(jù)進行排序，去掉最大和最小的一個，取中間值作為測量值?；谶@種思想，本文在終端控制器上電初始化的時候連續(xù)測量n(可調(diào))次經(jīng)緯度數(shù)據(jù)并將它們從小到大進行排隊，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)，并存于一個存儲單元。由于航道遙測系統(tǒng)對實時性要求并不高，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)，然后對其求平均值作為測量估計值，這樣可以使得偏離真值的正負誤差相消，從而使測量值更接近真實值。本課題將前面所取得的n-2m次測量數(shù)據(jù)作算術(shù)平均，且存于固定的算術(shù)平均值存儲單元，并根據(jù)以后所讀數(shù)據(jù)進行實時修正。這樣有：

X=(Xswn)/(n-2m);Xi=(Xsumi)/(n-2m).

其中，X是初始化時所求平均值，作為一個平均基準(zhǔn)存于存儲單元。Xi是每讀一次數(shù)據(jù)所求平均值，作為位置評估值應(yīng)用于位置飄移判斷控制中。

    進退遞推濾波法：前面兩者都是讀取一定數(shù)據(jù)以后再作后處理，而測量過程中必須對所測數(shù)據(jù)進行實時處理。所以，所測量經(jīng)緯度的變化趨勢必須反應(yīng)出來，以便航標(biāo)因為意外而漂出所給定范圍時能實時向監(jiān)控中心發(fā)送警報信息，從而進行修正。本文根據(jù)實驗與觀察的結(jié)果，采取進一新數(shù)退一平均數(shù)的進退遞推濾波方法，即：

Xswni=Xsum_i-1+Xi-1+xi

限幅濾波法：在測量過程中，常常會碰到偏離中值較遠的粗大誤差。這對經(jīng)過前面幾種濾波法處理后的數(shù)據(jù)基準(zhǔn)會產(chǎn)生較大的沖擊，限幅濾波法就是針對這一思想的。設(shè)定一個閾值，當(dāng)所測數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較后，差值超過閾值就認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，就必須能識別出來，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)計了一計數(shù)器對舍掉比率進行計數(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GPS數(shù)據(jù)進行幾種數(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)。從這三個圖中可以看出，從圖2到圖4，數(shù)據(jù)收斂性依次增強，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。

本文通過大量的實驗與測量觀察，深究了GPS OEM板的誤差來源及規(guī)律，并采取了相應(yīng)的數(shù)值處理方法及控制策略，大大提高了GPS OEM板在遙測系統(tǒng)中的應(yīng)用價值和可靠性，保證了航道維護中標(biāo)燈的位置遙測監(jiān)控的準(zhǔn)確性與安全性，是GPS OEM板—個很有意義的應(yīng)用實例。