GPS技术在海上航标监控中的作用

1、GPS技术在海上航标监控中的作用要害词：gps(dgps)；浮标监控；位置监测；撞击无线通信技术。当前，为了适应海上交通流量大、安全通航的要求高，使航标治理部门(海事局航标处)及时把握航标的工作状态与相关信息，做到及时、有针对性地对航标设备进行维护与检修，降低维护成本，提高治理效率，研究开发航标自动监控系统具有重要意义。航标是为海上船舶提供导航信号的助航设备。航标设备运行状况，航标位置，将直接影响船舶的安全航行。在受轮船冲撞、潮流涨落、灯器故障等人为和自然因素的影响下，航标会发生位置偏离、标志损坏、电池老化、灯器状态不正常等。因此，必须能够实时把握航标工作状态信息，快速排除故障，确保船舶航行安

2、全1航标监控系统的组成航标监控系统由控制中心、无线通信系统、终端设备三部分组成，控制中心主要由前置机、服务器和数据库、gis客户端平台组成。其中，前置机由微控制器、通信模块、gps接收机组成；在微控制器的控制下，通信模块以短消息或者gprs通信方式通过专网或者internet网络实现命令和数据传送；服务器包括通信服务器、数据治理服务器和信息服务器，其中通信服务器完成短消息或者gprs通信方式的命令和数据传送；数据治理服务器主要完成数据解析、存储、处理等功能，通过数据解析自动生成各种报表，通过处理完成数据分析、处理、判定、报警等功能；信息服务器主要用于为各个治理用户提供数据。loCAlHOSTg

3、is客户端平台为一客户端软件，以s57电子海图为基础，在其上叠加航标信息实现可视化实时的航标信息显示、查询、报表等功能。无线通信系统采用gsm无线通信系统，可提供sms和gprs两种数据通信服务。终端设备由以下几个功能部分：微控制器、gps-oem板、通信模块、数据采集模块、电源。微控制器采用低功耗、片上2个uart，32kflash，1024+256ramwinbondw77e58。gps-oem板选用了garmin-15l模块，它可以提供经度、纬度、速度、高度、日期、世界协调时间(utc)、gps卫星工作状态等信息。通信模块采用benqm22模块，它具有gsm900/dcs1800/pcs

4、1900三频工作模式；短消息业务；gprs数据业务；电源、电压范围：3.3v3.8vdc。数据采集模块包括：l个rs-232口、1个rs-485口(预留5个接线端子口)和1个多路12位高精度a/d通道，可实现同时对多种具有modbus通信协议接口的航标进行数据采集，并可进行航标的工作电压、工作电流等测量。系统还可通过增加传感器，实现其他信息，如：温度、湿度、雾、风向、风速等信息的采集与传输。电源部分采用太阳能电源并配备较大容量的蓄电池，能够在符合航标规范下保持连续供电。在航标监控系统中，如何准确地判定航标是否漂移和撞击是系统实现的要害技术，本文针对gps在解决航标位置偏移、航标受撞击判定等要害

5、问题中的应用进行初步的探讨。2 航标位置漂移分析航标位置是否漂移，只要准确的确定航标的位置，就可判定它。我们采用的定位方法是gps定位技术。2.1 gps定位误差采用结构简单、价钱便宜的gps-oem板，是实现航标位置的实时和定时监测的理想方案。但是，由于gps系统中，空间卫星存在多种误差；电波传播途径中会产生：电离层和对流层延迟误差、多路径效应；接收设备有也存在不可消除的一些误差；因此，gps定位存在误差。根据我们对garmin-15lgpsoem板进行的定点测量，测量结果表明它的定位精度可达1075m(95%)。虽然精度比较高，但是还会存在一些误差超过20m以上。因此，假如直接采用gps输

6、出的数据来进行位置漂移判定，误报警率将很高，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。2.2 数据处理通过大量的测量试验与观察分析发现，随着时间的不同、卫星分布状态的改变以及天气的变化，gps所测得的数据都有不同曲线方向的漂移，但是其分布状态接近于正态分布，所以采用一些滤波方法对数据进行处理对整个测量系统精度的提高至关重要。我们根据gps定位误差和海上浮标低动态性能的特点，采用简化的卡尔曼滤波数据处理方案进行处理。经过数据处理，大大减少了误差，定位精度提高到510m以内，大大减少误报警。2.3 位置漂移量分析先假设gps无测量误差，由于水上浮标受潮沙、风力、水流等的驱r1动，

7、链条的长短随时变化使浮标的位置在以沉石位置为基点的回旋半径范围内变化，r1由下式确定：式中：h为链条全长，h为设置航标处海图水深；0.8为链条悬弧系数。gps接收机安装在浮标上，由于浮标具有一定高度，在有风的情况下会产生摇摆，如图3所示。假设浮标高度为hl,倾角为8,则gps的位置将偏离航标r2：考虑gps的测量误差r3和基准点的位置误差r4，则在极限情况下浮标位置数据偏离基准点的误差为：假设某航道浮标设置位置的水深为78m，根据技术标准设置浮标的链长为15m；浮标高度5m，最大倾角30°，采用dgps定位进行设标，精度在5m以内，gps的c/a码定位精度15m（绝对精度），根据式（

8、3）计算得：r=32.5m。必须注重，这里我们计算时采用的是绝对精度，而gps标准定位服务提供的精度是2drms，假如转换成绝对精度，误差将比较大，这在狭水道、小船航道将不能满足要求；因此，必须通过差分的方法来提高定位精度。2.4 差分定位技术差分gps定位原理是将一台高精度的gps接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行gps观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。常用的差分gps分为两大类：伪距差分和载波相位差分。由于载波相位差分成本比较高，因此，采用伪

9、距差分。根据浮标应用对实时要求不高，并且不是所有浮标都需要差分处理的特点，采用事后差分处理。具体方法如下：在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数。通过控制中心发出控制命令，设置浮标终端将其采集到每颗卫星的伪距传输至控制中心。数据传输采用gprs无线通信平台。控制中心根据各颗卫星的星历、历书、伪距、伪距改正数进行定位计算，获得浮标的位置信息。这种差分，能得到米级定位精度，但是存在以下缺陷：通信容量的限制；增加通信费用；时间同步要求很高。为此，根据航标定位应用的要求，我们在一般情况下，采用gps定位，而

10、只有在终端发出位置偏移报警，要确认有无误报时，才采用上述差分定位进行位置验证。3 浮标被撞击分析在通常情况下，浮标受到潮汐、风力、水流等驱动，产生不规则运动，但由于船舶有时会撞击到它，造成位置偏移和损坏，因此，必须能够及时发现浮标受撞击的事件。下面对浮标受撞击所产生的运动进行研究。当浮标受到撞击时，由于受到某个方向的作用力其运动状态将发生变化，产生该方向的速度和加速度。要严格的分析浮标受撞击的情况相当困难，理论上可采用船舶撞击力的动能分析方法来近似分析和研究浮标受船舶撞击问题。船舶撞击浮标时产生的有效撞击能量，通过水阻力、浮标和船舶的变形全部转化为外力做功。对于浮标来说，船舶有效撞击能量主要靠

11、浮标的变形、沉石系链的拉力、水阻力来吸收。船舶有效撞击能量eo为：式中：eo为有效撞击能量。m为船舶质量，单位t；船舶的质量是指船舶的总质量，可用满载排水量与载重量换算。按港口工程规范使用的公式进行计算，即：例如3500t级船舶满载排水量（8切：v为船舶靠码头时的法向速度，m/s；P为有效动能系数，取0.70.8。根据中国铁路规范进行撞击力计算：式中：r为动能折减系数，当船只正向撞击时可采用0.3，一般船舶与浮标正面撞击的可能性非常小，加上考虑它们都是在水中，动能损耗比较大，一般取0.1；v为船只撞击浮标时的速度m/s，按船舶进出港情况，取值=5m/s；h为船只与浮标撞击面的夹角，a取30°w为船只的重量（满载排水量）；c1、c2分别为船只、浮标的弹性变形系数（m/t）。假设浮标的重量为2t，并按刚性碰撞来计算，则浮标因撞击产生的加速度a为：可见，浮标受撞击时将产生很大的加速度。浮标受撞击时产生的速度和加速度的大小和方向除了与撞击的作用力的大小、方向有关之外，还应考虑系链、海水的阻力、浮标变形，同时浮标系有沉石，都会改变浮标被撞击后的运动。可见，浮标受撞击的运动状态是比较难以准确地用模型来描述的。因此，采用以gps测量的浮标的速度和用一个加速度传感器测量的浮标加速度来联合判定是一种比较理想的方法。如图4所示，通过设计两个滑窗来对测量的速度和加速度进行滤波处理，当浮标