??? 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(jù)GPS OEM板誤差源對測量數(shù)據(jù)進行有效的數(shù)值分析處理，同時根據(jù)GPS OEM板測量讀數(shù)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(shù)字化、自動化建設奠定了基礎,。
??? 關鍵詞： GPS? 數(shù)字化航道? 監(jiān)控
?
??? 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(nóng)業(yè),、航空、航海等各個領域中,。出?？诩皟?nèi)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(zhì)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(chǎn)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(shù)字化的實現(xiàn)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?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(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(nèi)需監(jiān)控的目標物組成一個GPS遙測網(wǎng),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(shù)據(jù)的準確性,。
1 GPS OEM板與航道GPS遙測網(wǎng)
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(chǎn)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(jīng)能達到幾十米,，甚至可以達到10米以內(nèi)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(chǎn)品。
1.2 航道監(jiān)測
??? 航道是交通網(wǎng)絡中一個重要組成部分,，其安全質(zhì)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(jù)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(zhì)量低。
1.3 航道GPS遙測網(wǎng)
??? 航道中航標遙測網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(nèi)有成百個水標,，因此在提高安全質(zhì)量的同時也需考慮成本投入,。根據(jù)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(zhì)量的管理效果。本系統(tǒng)使用的是法國Thales公司生產(chǎn)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）,。
?
2 誤差分析、數(shù)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(zhì)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(shù)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(xiàn),，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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(diào)）次經(jīng)緯度數(shù)據(jù)并將它們從小到大進行排隊,，去掉最大的m次數(shù)據(jù)和最小的m次數(shù)據(jù),，以中間的n-2m" title="2m">2m次數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和為Xn，經(jīng)排序后最小m次數(shù)據(jù)和為XmMIN,，最大m次數(shù)據(jù)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(shù)據(jù),，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(shù)據(jù)作算術平均,，且存于固定的算術平均值存儲單元，并根據(jù)以后所讀數(shù)據(jù)進行實時修正,。這樣有：
??? 
??? 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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)以后再作后處理,，而測量過程中必須對所測數(shù)據(jù)進行實時處理,。所以，所測量經(jīng)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(jù)實驗與觀察的結(jié)果,，采取進一新數(shù)退一平均數(shù)的進退遞推濾波方法,，即：
??? 
??? 其中,Xsum_i表示第i次數(shù)據(jù)和，Xsum_i-1表示第i-1次數(shù)據(jù)和,，
表示第i-1次數(shù)據(jù)算術平均值,，xi表示第i次所讀得的數(shù)據(jù)。
??? 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(jīng)過前面幾種濾波法處理后的數(shù)據(jù)基準會產(chǎn)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(shù)據(jù)與基準數(shù)據(jù)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(shù)器對舍掉比率進行計數(shù),，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(shù)據(jù)采集與處理程序采集的10小時GPS數(shù)據(jù)進行幾種數(shù)據(jù)處理后的坐標示意圖（其中，橫坐標,、縱坐標分別表示經(jīng),、緯度）。從這三個圖中可以看出,，從圖2到圖4,，數(shù)據(jù)收斂性依次增強，可見綜合幾種濾波法于數(shù)據(jù)處理中,，將大大減少誤差，提高系統(tǒng)精度,。
?
?
?
2.3? 控制流程
??? 系統(tǒng)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(guī)律,并采取了相應的數(shù)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