《電子技術應用》
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基于GPS 的航標遙測系統(tǒng)數值優(yōu)化方法

2008-08-26
作者:王 義 陳 新1 孫炳達2

??? 摘 要: 介紹了利用GPS OEM板對航標燈進行位置測量與監(jiān)控的情況,,并根據GPS OEM板誤差源對測量數據進行有效的數值分析處理,,同時根據GPS OEM板測量讀數的特征采取了相應的控制策略,,取得了良好的實際應用效果,為航道的數字化,、自動化建設奠定了基礎,。
??? 關鍵詞: GPS? 數字化航道? 監(jiān)控

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??? 隨著電子技術和通信技術的發(fā)展,,無線通信以及遙測遙控系統(tǒng)被廣泛應用于工業(yè),、農業(yè),、航空、航海等各個領域中,。出??诩皟汝懞拥雷鳛楹胶:竭\重要的一部分,其管理維護方法及管理質量對我國航運業(yè)的影響至關重要,。發(fā)展至今,,電子通信產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、數字化的實現成為可能,。GPS(全球定位系統(tǒng))是美國國防部于1973年開始研制的衛(wèi)星全球導航定位系統(tǒng),,主要為其海陸空三軍服務。近幾年來已逐步應用于民用設施及測繪技術中,,同時美國軍方逐步放松對民用GPS設備的限制,,使得民用GPS達到了比較高的定位精度。利用GPS對航道航標等設備進行位置遙測與監(jiān)控是一種比較理想的方法,。本文以航標監(jiān)控的具體要求為標準,,把整個航道管理區(qū)域內需監(jiān)控的目標物組成一個GPS遙測網,并利用各種濾波方法" title="濾波方法">濾波方法消除相應的誤差,提高了遙測數據的準確性,。
1 GPS OEM板與航道GPS遙測網
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,、產品種類多、性價比高等很多優(yōu)點,,因此被廣泛應用于定位及導航領域中,。它的定位精度已經能達到幾十米,甚至可以達到10米以內的精度,。本課題所用到的Thales集團導航定位公司的GPS OEM B12就是一款性價比很高的產品,。
1.2 航道監(jiān)測
??? 航道是交通網絡中一個重要組成部分,其安全質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燈作為警戒導航裝置,各種船只可以根據航標燈光及其閃動頻率來確定自己的航向,。至于航標的維護,,則是航道部門每隔一定時間派巡航船只對各航標燈進行目測和實測。因為航道中航標燈比較多,,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,安全質量低,。
1.3 航道GPS遙測網
??? 航道中航標遙測網主要是對水標(拋錨在水中的航標)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(固定在堤岸上的航標)由于其位置不變所以無需GPS遙測。GPS在航標遙測網中的實際任務就是實時測量航標燈所在位置,,并與預先劃定的位置范圍進行比較,,如果漂離出所標定的范圍,即通過GSM網發(fā)送警報信息給監(jiān)控中心,,以便于監(jiān)控中心采取相應措施,。這將就可以排除航標燈因船只碰撞、水流沖擊等原因而漂離引起事故,。而每個航道管理區(qū)域內有成百個水標,,因此在提高安全質量的同時也需考慮成本投入。根據航道的具體要求,,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板與水標進行捆綁,,可以以相對較低的成本取得高質量的管理效果,。本系統(tǒng)使用的是法國Thales公司生產的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),。

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2 誤差分析,、數值處理及控制流程
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,,但從性質上來講可以歸納為系統(tǒng)誤差" title="系統(tǒng)誤差">系統(tǒng)誤差和隨機誤差" title="隨機誤差">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? 數值處理
??? 針對各種誤差,,測量技術中已應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,,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所讀數據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據進行處理對整個測量系統(tǒng)精度的提高至關重要。以下是系統(tǒng)中所用到的幾種濾波方法,。
??? 中值濾波法:即對所測三個數據進行排序,,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)次經緯度數據并將它們從小到大進行排隊,,去掉最大的m次數據和最小的m次數據,以中間的n-2m" title="2m">2m次數據作為基準,,并存于一個存儲單元" title="存儲單元">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n次所讀數據和為Xn,,經排序后最小m次數據和為XmMIN,最大m次數據和為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,。
??? 算術平均濾波法:即采樣一定量的數據,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次測量數據作算術平均,,且存于固定的算術平均值存儲單元,,并根據以后所讀數據進行實時修正。這樣有:
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??? 其中,是初始化時所求平均值,,作為一個平均基準存于存儲單元,。是每讀一次數據所求平均值,作為位置評估值應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據以后再作后處理,,而測量過程中必須對所測數據進行實時處理。所以,,所測量經緯度的變化趨勢必須反應出來,,以便航標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,。本文根據實驗與觀察的結果,,采取進一新數退一平均數的進退遞推濾波方法,即:
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??? 其中,Xsum_i表示第i次數據和,,Xsum_i-1表示第i-1次數據和,,表示第i-1次數據算術平均值,xi表示第i次所讀得的數據,。
??? 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。這對經過前面幾種濾波法處理后的數據基準會產生較大的沖擊,,限幅濾波法就是針對這一思想的,。設定一個閾值,當所測數據與基準數據比較后,,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燈因意外而漂出很遠,就必須能識別出來,,而不能當粗大誤差全部舍掉,。所以在控制程序中專門設計了一計數器對舍掉比率進行計數,如果舍掉比率大于某一值則重新初始化,,即重新讀取n-2m次的和基準及其算術平均基準,。
??? 圖2、圖3,、圖4分別是對利用Visual Basic6.0開發(fā)的數據采集與處理程序采集的10小時GPS數據進行幾種數據處理后的坐標示意圖(其中,,橫坐標、縱坐標分別表示經,、緯度),。從這三個圖中可以看出,從圖2到圖4,,數據收斂性依次增強,,可見綜合幾種濾波法于數據處理中,,將大大減少誤差,提高系統(tǒng)精度,。

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2.3? 控制流程
??? 系統(tǒng)控制流程圖如圖5所示,。

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??? 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,并采取了相應的數值處理方法及控制策略,,大大提高了GPS OEM板在遙測系統(tǒng)中的應用價值和可靠性,,保證了航道維護中標燈的位置遙測監(jiān)控的準確性與安全性,是GPS? OEM板一個很有意義的應用實例,。
參考文獻
1 徐紹銓,,張華海.GPS測量原理及應用.武漢:武漢大學出版社,2003.1
2 倪遠平,,羅毅平.計算機控制技術.重慶:重慶大學出版社,,1997.6

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