gps技术在海上航标监控中的作用
摘要：简单介绍应用gps及无线通信技术设计的海上航标监控系统的组成。着重论述利用gps进行浮标位置监测，研究了利用dgps改善定位精度的实现技术。

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。loCAlHOSTgis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+256ram winbond w77e58。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benq m22模块，它具有gsm900/dcs1800/pcs1900三频工作模式；短消息业务；gprs数据业务；电源、电压范围：3.3v~3.8vdc。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-15l gps oem板进行的定点测量，测量结果表明它的定位精度可达10~15m(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5~10m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、水流等的驱动，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r1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[2]。

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h1，倾角为θ，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7~8m，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(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

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