GNSS赛艇监测服务系统的设计

周建芳　张文兵

摘要：研究目的：为赛艇科学化训练和比赛提供实时的技术支持和事后的数据分析手段。研究方法：综合利用GNSS的定位和授时功能，网络通信技术、RTK技术，搭建赛艇监测系统的硬件系统进行赛艇位置信息的采集，开发基于采集到的精确位置信息的软件系统，形成完整的赛艇检测服务系统。结论：将GNSS技术应用于赛艇的训练和比赛，开发出赛艇监测服务系统，有助于对运动员的训练细节进行更精确地了解和更科学地分析，使训练具有科学化的保障。

关键词：GNSS；赛艇；科学训练

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）10-0096-03

赛艇是奥运会比赛的传统项目之一，也是奥运会比赛中竞争最激烈的项目之一。在现代赛艇运动中，各队的优秀运动员的技术和身体准备几乎都达到同样的水平，在所有其他条件都相同的情况下，胜者便往往是那些更巧妙、更合理地运用战术的运动员，只有通过科学的技术不断地改进和完善训练方法、手段及战术，才可能使运动员在比赛中获胜的几率增大。全球导航卫星系统（GNSS： Global Navigation Satellite System）是基于人造卫星技术的导航、定位和授时系统，它可以为用户提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。GNSS定位原理[1]是接收机通过跟踪若干定位卫星的信号，实现卫星测距，然后根据相应的星历信息，通过距离交会实现定位服务。目前正在运行的全球定位系统有美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统，同时欧盟的Galileo系统和中国的北斗系统正在建设中。

位置信息和运动信息是赛艇训练中非常重要的参数，如划行速度、方向、轨迹等。分析以上参数，可以比较不同赛艇的性能、评价不同运动员的训练水平，以便科学地分析、指导训练或比赛。构建GNSS赛艇监测服务系统，利用GNSS技术监测赛艇，可以实时掌握赛艇的运动参数以便教练和运动员做出科学的指导及调整，另外还可以将观测数据记录以便于事后的分析、研究和总结战术。通过GNSS赛艇监测服务系统可有助于对运动员的掌握和改进技术、指导运动员的训练，这对取得优异的成绩至关重要，使科学化训练的保障能够走在世界的前列。

1 GNSS赛艇监测服务系统的构建

1.1 GNSS技术监测原理

在GPS和GLONASS系统发展的最初阶段，所提供的服务都只有基于伪距观测值的导航单点定位，其定位精度受伪距观测值噪声和多路径效应的影响。尤其是2000年前，GPS系统添加了SA（Selective Availability）干扰，定位精度在几十米甚至上百米。随后，基于伪距的差分定位技术[2]的出现，将定位精度从数十米提高到米级甚至亚米级，其精度基本可以满足米级的精密导航，资源调查等应用，但仍无法满足厘米级测量应用的要求，高精度测量需要采用静态相对定位方式才能达到厘米级精度要求。

实时RTK [3]（Real-Time Kinematic） 动态定位技术的出现满足了人们对实时厘米级测量定位技术的要求，这是一种新的常用的GNSS测量方法。以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK能够使用户在野外实时获得1～2cm精度的定位结果，它采用了载波相位动态实时差分方法，是GNSS应用的重大里程碑。RTK系统构成由一台基准站和至少一台流动站组成，范围一般限制在20KM以内，在RTK作业模式下，基准站通过数据链将原始观测值和测站坐标信息一起传送到流动站。流动站不仅接收数据链上来自基准站的数据，还采集GNSS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出高精度的定位结果。采用双星系统（GPS+GLONASS双系统导航定位）的GNSS接收机可接收14～20颗卫星左右，使GNSS设备具备最短时间达到厘米级精度的能力与最强的抗干扰遮挡能力，另外配备高采样率的GNSS接收机可以获得高时间分辨率的赛艇运动信息。

1.2 系统结构及功能设计

GNSS赛艇监测服务系统的结构设计如图1所示。在赛艇训练或比赛场地附近架设一台GNSS基准站，基准站的观测数据通过网络实时传递给服务中心，在赛艇上装备合适的GNSS接收机，赛艇上的接收机通过GPRS或其他无线网络与服务中心进行通信，将观测数据实时发送至服务中心。

系统功能设计如图2所示，系统功能按时效性划分为实时服务、事后服务。实时服务包括实时位置监测、实时速度监测、实时运动方向监测，事后服务包括运动轨迹查询、运动速度查询、运动方向查询，具体的功能如下。

实时位置监测：通过对GNSS基准站的观测数据和赛艇上的GNSS接收机观测数据实时差分解算以获得高精度的定位结果，系统会将各个赛艇的实时位置信息利用动态图形显示的方式提供给教练员，通过预先设定的终点线位置信息也可以判定赛艇到达终点的先后顺序；

实时速度监测：通过GNSS技术能够获得高精度的三维位置信息，利用相邻历元的位置信息可以求出赛艇在空间三维方向上的实时速度信息并求出总速度，系统会将各个赛艇的运动速度信息实时提供给教练员；

实时运动方向监测：同实时速度监测功能类似，根据相邻历元的位置信息，可以求出赛艇在三维方向上的实时速度信息并求出总方向，系统会将各个赛艇的实时运动方向信息提供给教练员；

精密授时：通过GNSS的精密授时功能，可以实时提供高精度的时间信息，为其它实时服务功能或事后功能提供时间基准；

运动轨迹查询：系统将各个赛艇的位置信息及相对应的时间信息存入数据库供相关人员进行事后的研究与分析，会以图形、报表、人机交互的形式提供给相关人员；

运动速度查询：系统将各个赛艇的速度信息及相对应的时间、位置信息存入数据库，以图形、报表、人机交互的形式提供给相关人员；

运动方向查询：系统将各个赛艇的运动方向及相对应的时间、位置信息存入数据库，以图形、报表、人机交互的形式提供给相关人员。在实际的功能使用中，往往是将多种监测信息的结果同时提供给相关人员供其分析和研究。

1.3 硬件、软件设备

在实际的系统构建中，主要分为2部分，即服务中心的建设和赛艇端的建设，为实现满足上述的基本功能时需要配备如表1所列的硬件及软件设备。服务中心由GNSS基准站、服务器和监测服务软件构成并配备相关的网络设施。赛艇上由GNSS接收机及接收机服务程序构成，在GNSS接收机上装入SIM卡后通过GPRS网络连入服务器。

2 系统建设中的细节问题

首先是服务中心的建设，服务中心由GNSS基准站、服务器和监测服务软件构成并配备相关的网络设施。服务器可以安装在适当的位置，监测服务软件直接安装在服务器上，通过向电信运营商申请带独立IP地址的公网服务，将服务器上的指定端口映射于公网，监测服务软件对指定的端口进行监听并处理收到的相关信息。对于基准站的建设，可以根据实际的训练或比赛场地范围考虑建设一个或多个固定的GNSS连续运行基准站，选择具有良好观测条件的位置建立固定的GNSS连续运行基准站，基准站与服务器之间通过稳定的局域网络线路连接，基准站将观测数据实时发送至服务器，监测服务软件负责实时接收基准站发送过来的观测数据。

其次是赛艇上GNSS接收机的装配，要为接收机安装好相应的防水设施，由于赛艇不能为接收机提供稳定的电源，故需定期为赛艇上的接收机更换电池，GNSS接收机上安装接收机服务程序并配备SIM卡，负责将观测数据通过GPRS网络实时发送至服务器上指定的网络端口。每次训练或比赛时应为GNSS接收机提前安装好充足的电池，并提前开机数分钟。

在同时接收到基准站和赛艇接收机发来的观测数据后，服务器上的监测服务软件会实时求解出高精度的定位结果，由于RTK定位需要一段时间的初始化过程才能获得高精度的定位结果，故需在每次训练或比赛时提前开机约1～2分钟左右的时间，以便让接收机能够连入服务器并完成初始化过程，通过服务器上的监测服务软件可以实时查看各个赛艇接收机的初始化完成情况。

教练员可通过服务器或远程操作监测服务软件，一般情况下，一次完整的训练或比赛时步骤流程如图3所示。

3 小结

通过构建GNSS赛艇监测服务系统，利用GNSS技术实时监测赛艇，能够实时掌握赛艇的运动参数以便教练和运动员做出科学的指导及调整，还可以进行事后的分析、研究和总结战术，这有助于对运动员的训练细节进行更精确地了解和更科学地分析，使训练具有科学化的保障.

参考文献：

[1] 王惠南. GPS原理与应用[M]. 北京： 科学出版社， 2004.

[2] 章燕申. 高精度导航系统[M]. 北京： 宇航出版社， 2005.

[3] 万鑫， 欧阳桂崇， 陈永祥. 网络RTK技术发展与应用[J]. 测绘技术装备， 2011， 13（2）： 63-65.