關於GPS的航標遙測系統數值的處理

隨著電子技術和通信技術的發展，無線通信以及遙測遙控系統被廣泛應用於工業、農業、航空、航海等各個領域中。出海口及內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量對我國航運業的影響至關重要。發展至今，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、數位化的實現成為可能。GPS(全球定位系統)是美國國防部於1973年開始研製的衛星全球導航定位系統，主要為其海陸空三軍服務。近幾年來已逐步應用於民用設施及測繪技術中，同時美國軍方逐步放鬆對民用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控是一種比較理想的方法。本文以航標監控的具體要求為標準，把整個航道管理區域內需監控的目標物組成一個GPS遙測網，並利用各種濾波方法消除相應的誤差，提高了遙測數據的準確性。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/194381.htm

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、性價比高等很多優點，因此被廣泛應用於定位及導航領域中。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。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，各種船隻可以根據航標燈光及其閃動頻率來確定自己的航向。至於航標的維護，則是航道部門每隔一定時間派巡航船隻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控(其系統原理圖如圖1所示)；

而岸標(固定在堤岸上的航標)由於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，並與預先劃定的位置範圍進行比較，如果漂離出所標定的範圍，即通過GSM網發送警報信息給監控中心，以便於監控中心採取相應措施。這將就可以排除航標燈因船隻碰撞、水流衝擊等原因而漂離引起事故。而每個航道管理區域內有成百個水標，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，其精度並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。本系統使用的是法國Thales公司生產的B12 GPS OEM板模塊，它具有並行的12個接收通道(即同時可以接收12顆定位衛星傳送的星曆信息)。

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誤差和隨機誤差兩部分。其中系統誤差主要包括衛星的星曆誤差、衛星鐘差、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律可循的，所以採取一定的措施進行處理對整個系統的可靠性都是非常重要的。由於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於水面環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現，隨著時間的不同、衛星分布狀態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，但是其分布狀態接近於正態分布，所以採用一些濾波方法對數據進行處理對整個測量系統精度的提高至關重要。以下是系統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。基於這種思想，本文在終端控制器上電初始化的時候連續測量n(可調)次經緯度數據並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次數據作為基準，並存於一個存儲單元。由於航道遙測系統對實時性要求並不高，所以把n儘量取得大些。設n次所讀數據和為Xn，經排序後最小m次數據和為XmMIN，最大m次數據和為XmMAX，則：

Xsum=Xn-XmMIN-XmMAX

把Xsum存於存儲單元作為後續處理方法的和基準。算術平均濾波法：即採樣一定量的數據，然後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，且存於固定的算術平均值存儲單元，並根據以後所讀數據進行實時修正。這樣有：

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

其中，X是初始化時所求平均值，作為一個平均基準存於存儲單元。Xi是每讀一次數據所求平均值，作為位置評估值應用於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後再作後處理，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範圍時能實時向監控中心發送警報信息，從而進行修正。本文根據實驗與觀察的結果，採取進一新數退一平均數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。這對經過前面幾種濾波法處理後的數據基準會產生較大的衝擊，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後，差值超過閾值就認為是粗大誤差並舍掉。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，如果舍掉比率大於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開發的數據採集與處理程序採集的10小時GPS數據進行幾種數據處理後的坐標示意圖(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於數據處理中，將大大減少誤差，提高系統精度。

2.3 控制流程

系統控制流程圖如圖5所示。

本文通過大量的實驗與測量觀察，深究了GPS OEM板的誤差來源及規律，並採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控的準確性與安全性，是GPS OEM板—個很有意義的應用實例.