基于GPS 的航标遥测系统数值优化方法

1、    基于GPS 的航标遥测系统数值优化方法        王 义 陈 新1 孙炳达2 时间:2008年08月26日     字 体: 大 中 小        关键词:        ? 摘 要： 介绍了利用GPS OEM板对航标灯进行位置测量与监控的情况，并根据GPS OE

2、M板误差源对测量数据进行有效的数值分析处理，同时根据GPS OEM板测量读数的特征采取了相应的控制策略，取得了良好的实际应用效果，为航道的数字化、自动化建设奠定了基础。? 关键词： GPS? 数字化航道? 监控?1 GPS OEM板与航道GPS遥测网1.1 GPS OEM板? GPS OEM板是GPS接收机中一个重要的组成部分，它具有成本低、体积小、重量轻、产品种类多、性价比高等很多优点，因此被广泛应用于定位及导航领域中。它的定位精度已经能达到几十米，甚至可以达到10米以内的精度。本课题所用到的Thales集团导航定位公司的GPS OEM B12就是一款性价比很高的产品。1.2 航道监测? 航

3、道是交通网络中一个重要组成部分，其安全质量直接影响着整个交通系统。以前航道部门专门在航道的堤岸、桥头、故障物旁边安装各种航标灯作为警戒导航装置，各种船只可以根据航标灯光及其闪动频率来确定自己的航向。至于航标的维护，则是航道部门每隔一定时间派巡航船只对各航标灯进行目测和实测。因为航道中航标灯比较多，这就使得这种巡航航道的维护方式操作繁琐，运作维护成本高，安全质量低。1.3 航道GPS遥测网? 航道中航标遥测网主要是对水标（抛锚在水中的航标）进行遥测以便对其位置进行实时监控（其系统原理图如图1所示）；而岸标（固定在堤岸上的航标）由于其位置不变所以无需GPS遥测。GPS在航标遥测网中的实际任务就是实

4、时测量航标灯所在位置，并与预先划定的位置范围进行比较，如果漂离出所标定的范围，即通过GSM网发送警报信息给监控中心，以便于监控中心采取相应措施。这将就可以排除航标灯因船只碰撞、水流冲击等原因而漂离引起事故。而每个航道管理区域内有成百个水标，因此在提高安全质量的同时也需考虑成本投入。根据航道的具体要求，其精度并不需要精确到米级以下，因此不需要价格昂贵的高精度GPS接收机及测量仪。同时将GPS OEM板与水标进行捆绑，可以以相对较低的成本取得高质量的管理效果。本系统使用的是法国Thales公司生产的B12 GPS OEM板模块，它具有并行的12个接收通道（即同时可以接收12颗定位卫星传送的星历信息

5、）。?2 误差分析、数值处理及控制流程2.1 误差分析1，但是它总是有一定的规律可循的，所以采取一定的措施进行处理对整个系统的可靠性都是非常重要的。由于水面多路径效应比较严重，所以使用精密相位中心、具厄流圈的测量天线是消除由于水面环境所引起误差的一个重要方法。2.2? 数值处理n，经排序后最小m次数据和为XmMIN，最大m次数据和为XmMAX，则:? Xsum=Xn-XmMIN-XmMAX? 把Xsum存于存储单元作为后续处理方法的和基准。? 算术平均滤波法：即采样一定量的数据，然后对其求平均值作为测量估计值，这样可以使得偏离真值的正负误差相消，从而使测量值更接近真实值。本课题将前面所取得的n

6、-2m次测量数据作算术平均，且存于固定的算术平均值存储单元，并根据以后所读数据进行实时修正。这样有：? ? 其中，是初始化时所求平均值，作为一个平均基准存于存储单元。是每读一次数据所求平均值，作为位置评估值应用于位置飘移判断控制中。? 进退递推滤波法: 前面两者都是读取一定数据以后再作后处理，而测量过程中必须对所测数据进行实时处理。所以，所测量经纬度的变化趋势必须反应出来，以便航标因为意外而漂出所给定范围时能实时向监控中心发送警报信息，从而进行修正。本文根据实验与观察的结果，采取进一新数退一平均数的进退递推滤波方法，即：? ? 其中,Xsum_i表示第i次数据和，Xsum_i-1表示第i-1次

7、数据和，表示第i-1次数据算术平均值，xi表示第i次所读得的数据。? 限幅滤波法：在测量过程中，常常会碰到偏离中值较远的粗大误差。这对经过前面几种滤波法处理后的数据基准会产生较大的冲击，限幅滤波法就是针对这一思想的。设定一个阈值，当所测数据与基准数据比较后，差值超过阈值就认为是粗大误差并舍掉。但是本课题中如果航标灯因意外而漂出很远，就必须能识别出来，而不能当粗大误差全部舍掉。所以在控制程序中专门设计了一计数器对舍掉比率进行计数，如果舍掉比率大于某一值则重新初始化，即重新读取n-2m次的和基准及其算术平均基准。? 图2、图3、图4分别是对利用Visual Basic6.0开发的数据采集与处理程序采集的10小时GPS数据进行几种数据处理后的坐标示意图（其中，横坐标、纵坐标分别表示经、纬度）。从这三个图中可以看出，从图2到图4，数据收敛性依次增强，可见综合几种滤波法于数据处理中，将大大减少误差，提高系统精度。?2.3? 控制流程? 系统控制流程图如图5所示。? 本文通过大量的实验与测量观察，深究了GPS OEM板的误差来源及规律,并采取了相