智能航标灯系统及其GPS定位算法的思考

卜玉

摘 要：航标灯是船舶在江河和海洋性行船的方向指引，不断完善航标灯系统，能够有效提升船舶运行的安全性，对提升水路的管理水平具有重要作用。本文在对智能航标灯系统进行简单介绍的基础上，重点研究了基于差分技术的GPS定位系統，并制定了基于差分技术下的GPS定位的改进方案，以期为相关人士提供借鉴和参考。

关键词：智能航标灯 GPS定位 差分技术

随着社会经济的不断发展和生产力的进一步提高，传统的航标灯受其技术的短板和恶劣工作环境的影响，故障发生频率较高，不利于对航船的检测，并且传统的航标灯维修需要大量的人力和物力，造成了资源的浪费。应用基于GPS定位的智能航标灯系统，能够有效克服传统航标灯的局限，提升航船的运行效率和安全性能。因此，不断改进GPS定位算法，对提升航标灯系统的运行效率，具有重要意义。

1.智能航标灯系统概述

1.1智能航标灯系统的总体结构

智能航标灯系统是一种远程自动检测系统，总体结构包括航标指示灯终端、中心计算机、GPS接收机和航标控制器等。其中，航标指示灯终端包括航标灯、任务处理器和定位等模块，航标指示灯终端的作用是收集GPS卫星信号，并通过将信号转化为数据信息，实现对GPS传达信息的分析，确定卫星定位，然后利用通信模块对信息进行输出操作，最后遥感终端接收到定位信息后利用数据库实现信息的存储，并对航标指示灯终端进行监测，有效提升了决策的效率，有利于航标灯系统朝着自动化方向迈进。智能航标灯系统的出现，是综合利用单片机、GPS卫星定位系统和无线通信技术的成果。智能航标灯系统将单片机作为主控制器，实现对系统内各个功能的控制，并将航标灯与遥测终端安装在一起，通过定时器对中心计算机进行遥控，使其能够定时触发采集电路，由采集电路对航标系统电气的各项参数分别采集，即对太阳能电池板、蓄电池、航标灯的电流电压和航标灯的位置坐标等进行采集。然后利用通信模块将采集到的数据信息实时传送给中心计算机，监控中心的工作人员根据收到的信息判断智能航标灯系统的运行情况，并及时发现问题，做出正确决策。

1.2智能航标灯系统的总体功能

航标灯系统利用GPS卫星定位技术，对航标灯的运行参数的位置信息进行监测，并结合航标灯的具体参数信息，实现自动化监测的功能，从而为维修工作奠定良好基础，有效降低了事故的发生概率，提升了航运的安全性。航标灯系统的具体功能如下。首先，智能航标灯系统具有通信功能，通过对遥感终端无线通信功能的利用，实现航标灯监测终端与监测中心的信息共享与交换。其次，智能航标灯系统具有采集功能，通过对航标灯蓄电池各项参数的定时采集，判断智能航标灯系统是否存在故障，进而进行维护和修理工作。第三，智能航标灯系统具有报警功能，在对航标灯各项参数的监测过程中，如果发现航标灯的位置发生偏移，监测系统会立即向控制中心报警，从而降低故障发生带来的人员伤亡和财产损失，保证航船的运行安全。最后，智能航标灯系统具有遥控功能，中心计算机能够向航标灯终端发射查询命令和闭合航标灯的指令，实现对航标灯的遥控。

2.基于差分技术的GPS定位算法研究

2.1 GPS卫星定位系统

GPS定位系统是卫星导航定位系统，被广泛应用于军事、通信和工程测绘等各个领域，并且在社会生活中也得到了广泛应用，如地图导航就应用了GPS卫星定位系统。GPS卫星全球定位系统由空间部分、地面控制部分和GPS信号接收部分构成。其中，空间部分主要由GPS星座构成，GPS星座的主要作用首先是实现对地面监控信息发来的导航信息的接收和存储，同时执行监控中心的控制指令，其次是利用具有高精度特点的卫星时钟制定精确的时间标准，最后是为用户发送定位信息，实现对航船的导航功能。地面控制部分由分布于全球5个不同位置的卫星监控站、3个信息注入站和1个主控站构成。其中，卫星监控站的作用是自动采集卫星数据，信息注入站的主要作用是向主控站发射卫星信号报告实时位置信息，主控站负责对地面控制系统和中心计算机的协调和管理。GPS信号接收机由主机、天线和电池构成，通过对GPS卫星发射的信号进行接收，实现定位和导航的功能。

2.2差分GPS分类

2.2.1位置差分

位置差分是最为简单的差分测量方式，通过卫星接收机向用户发送改正数，促使用户对航向和位置进行校正。位置差分只需要向用户发送三个GPS数据，因此较为简单和方便，但其受站点间的距离影响较大，并且只有当用户和接收机观测的公平是卫星相同时，才能实现校正结果的精确性，因而，定位的精度受外界因素干扰较大，目前，位置差分测量方式已不常用。

2.2.2伪距差分

伪距差分是应用最为广泛的差分测量方式，通过将接收机接到的卫星信号的真实距离推算出基准站到用户的伪距，从而依据接时钟的偏差计算用户的实时位置。由于伪距差分受外部因素的干扰较大，在实际测量中，会存在偏差。因此，需要消除时钟的接收偏差和传播延时偏差，对提升伪距差分定位的精度具有重要意义。

2.2.3载波相位法

虽然位置差分和伪距差分取得了一定的发展成效，能够实现精准定位和导航，但在一些对导航定位精度要求较高的领域，仍无法满足其精准的定位需求，因此可以选择载波相位差分法，进行精准的三维定位。载波相位差分法通过对不同测站间的观测值进行分析和处理，并发送给基准接收机，实现对卫星定位的测量。

2.3 GPS定位误差

GPS的定位误差主要包括卫星误差、传播误差和接收误差三种不同的误差类型。第一，卫星误差是由卫星星历误差、卫星时钟误差和相对论效应误差构成的。卫星星历误差主要源于GPS卫星运行轨道的不稳定性造成的，卫星时钟误差主要是由卫星的偏移造成的，相对论效应误差受接收机和卫星时钟的运动速度和重力位影响较大。第二，传播误差由电离层误差、对流层误差和多路径效应误差构成。电离层产生误差的原因是卫星传播信号发生改变，对流层产生误差是由卫星信号的高度和角度不同导致的，多路径效应误差是由建筑物和水面等产生的反射波对原卫星信号进行削弱导致的。endprint

3.基于差分技术的GPS定位改进方案

3.1差分方法的选择

由于传统航标灯系统中GPS的定位并不精准，无法满足一些对定位精准度要求较高的用户，因此，合理选择差分技术对GPS进行定位就显得十分关键。位置差分的精度较低，已经逐渐被淘汰。载波相位差分技术的精度较高，覆盖的范围广，受外界因素的干扰较小，但其结构复杂，建设投资的成本较高且维修的难度较大，因此，不适应GPS的定位需求。伪距差分具有较高的测量精度，适合在精度为1.5米的情况下进行作业，能够充分满足智能航标灯系统的定位精度要求，并能够适用于所有的GPS信号接收机，属于较为理想的定位测量方法，值得被广泛采用和借鉴。

3.2 GPS伪距差分定位系统设计

本文设计的GPS伪距差分定位系统由一台GPS信号接收机、航标灯终端和监控中心构成，GPS信号接收机安装在已知点上，由GPS卫星发射定位和导航的卫星信号，地面监控中心和航标灯终端同时对定位信号进行接收，并将接受的GPS卫星信号与已知数值进行比较，求出伪距的修正值，实时传送至监控中心，航标灯的终端接收到导航定位信号，利用ARM处理器对其定位信息进行计算，得出准确的经纬度信息，然后将计算结果发送给地面监控中心，地面监控中心依据伪距的数值对航标灯的方向进行修正，从而使定位的精度不断提升。一旦发现航标灯的位置发生的偏移较为严重，应根据实际情况向地面监控中心提出维修申请，并通过监控中心及时查询航标灯的运行情况。

在利用GPS对航标灯进行实时定位的过程中，应建构由调制调解器和无线电台构成的数据链，实现与GPS信号接收机的连接。同时利用RS-232-C接口实现通信设备与航标灯终端的连接，将基准站GPS信号接收机接收到的数据实时传送给调制调解器，然后，利用调制调解器对接收到的GPS数据进行编码之后发送给无线电发射机。最后将从调制调解器解调完的数据通过RS-232-C接口发送给用户，从而完成整个信号传输过程。应用结果表明，本次GPS定位系统设计采用伪距差分的定位测量方法，通过对伪距的修正，有效降低了定位的误差，提高了定位的精度。

4.结论

通过以上研究发现，在研究智能航标灯系统及其GPS定位的過程中，通过了解智能航标灯系统的总体架构和功能，能够从总体上对研究对象进行把握。在此基础上，利用伪距差分技术研究GPS定位系统，并设计GPS伪距差分定位系统，能够有效提升定位的精度。因此，在研究智能航标灯系统及其GPS定位的过程中，，可以应用上述方法。endprint