试论航标监控及高精度定位技术

江凯武 洪平县

摘要：本文针对航标监控与定位进行分析，从总体设计、软硬件设计、定位技术选择等方面构建监控航标系统，并对航标偏移的因素进行探讨，在GPS定位技术的应用下提出静态与动态两种定位方法，旨在为我国航标监控与定位工作提供借鉴与参考。

关键词：航标监控；高精度；定位技术

引言：

以往航标定位主要利用无线电设备完成，由于存在性能较差、设备占地面积大、耗电严重等弊端，逐渐被甚高频无线设备取代，但是仍然受到干扰与通信距离的限制。近年来，我国逐渐将现代化航标监控系统应用到航运事业中，该系统具有较强的精准性与可靠性，对航标监控与定位具有重大现实意义。

1.航标监控系统设计

1.1总体设计

航标监控系统主要包括三个部分，分别为远程监控中心、现场终端设备、无线通信模块。其中，远程监控中心可对航标进行实时监控，并对终端上传的数据信息进行处理和显示；现场终端设备与航标固定在一起，由GPS采集芯片、主控单元MCU以及其他控制电路构成；无线通信模块主要用于航标终端与远程控制中心之间的数据传输，通过SMS的方式实现。

1.2软硬件设计

在硬件选型方面，监控系统的信息采集由航标终端完成，在电路设计上要具备高速运算与集成、易扩展等特征，因此电子元器件的选择十分重要。在本系統中，主控单元选择ARM7系列处理器LPC2136，其具有高主频、低成本、功耗小、性能强等特点，并具有GSM与GPS双接口，传输接口与采集通道等均与系统需求相符合。为了促进系统集成，使设备体积与重量减轻，将一体芯片SIM548应用其中，该芯片具有串口分时复用功能，能够使系统得到有效的扩展与性能提升。

在软件设计方面，本系统以模块化方式设计，对系统功能进行细分后，再由主程序完成各个子模块的协调工作。采用ARM-C语言与汇编语言进行代码编写，采用AXD作为调试器；软件的主要功能体现在中断事件的处理上，以循环扫描的方式为主，处理函数包括数据采集与处理、命令响应与GPS信息接收等多个方面。

1.3定位技术选择

现阶段，航标监控的主要技术有陆基无线电导航系统、蜂窝定位系统、卫星导航系统与三种，其中，第一种虽然较为成熟，但对天气具有较强的敏感性，且精度也符合高精准的要求，无法充分适用于本系统；第二种虽然精度符合标准，但投入费用较高、覆盖率较低，同样无法得到高效应用；因此，本文采用第三种定位技术，即GPS定位方式，其不但具有高精度、全天候特征，还能够在全覆盖的基础上完成对航标的导航与定位[1]。

2.航标监控中GPS高精度定位技术

2.1航标偏移分析

在船舶航行的过程中，正确的标位是其安全的重要保障。在航道维护工作中，由于受到航标抛射技术、外部条件的影响，航标实际位置与设计位置之间可能存在一定偏差。当航标偏移度处于允许范围内时，可认为标位正常；当航标偏移位置超过允许范围时，则需要采取有效措施帮助其恢复正常。

航标偏移的原因主要有两种，一种是人为导致，另一种是自然因素。在人为因素中，主要由于过往船只的碰撞与拖带，导致船舶航行位置发生偏移；在自然因素中，主要因风、潮汐等影响，使航标出现错位。上述两种因素的报警在上位机中有不同体现，对于第一种情况来说，主要体现在个别航标突发性大偏移而产生报警，能够在较短的时间内恢复正常；而第二种则体现在特定水域内大多数航标出现小偏移，且偏移的速度较慢，具有连续性。随着天气与时间的变化，航标可自行恢复到正常位置，无需人工介入。以上两种情况产生的航标偏移均较为明显，下文将针对航标在水上的具体情况对影响其位置的主要因素进行分析。

差分定位法具有位置差分、伪距差分、载波差分与相位平滑差分几种形式，其中位置差分属于最为简单方便的一种方法，利用超过4颗卫星便可对基准站位置进行明确，将基准站坐标与已知坐标进行对比，获得改正数，并利用其对测量站坐标进行修正；伪距差分基本原理是在基准站中借助已知坐标计算测量站与卫星间的距离，将二者包含的各类误差伪距进行对比，借助滤波器对计算出的差值进行滤波获取偏差，作为伪距改正数，最后将该数值上传到用户站，利用改正数对测量伪距进行修正，求出用户站的实际坐标[3]。

载波相对差分原理与伪距定位原理大同小异，一种为修正法，另一种为求差法，其中，前一种基准站将载波相位修正量传给用户站，对载波相位进行改正，后一种为求差法，将基站中的载波相位传递给用户站，并由用户站对观测值进行求差。相对差分技术具有较强的定位精度，能够根据实际航道需求充分满足系统定位要求。

结论：

综上所述，本文所设计的航标监控系统具有监测与定位两个功能，与以往技术相比具有较强的精度，投入成本较低，可维护性强，能够有效减轻管理人员的工作强度，使航标导航的经济效益得到显著提升，在技术层面与管理层面也得到快速发展。

参考文献

[1]高伟光.航标监控及GPS高精度定位方法研究[D]. 合肥工业大学，2016.

[2]王晴.高精度航标遥测系统研究与设计[D]. 重庆大学，2015.

[3]杨兴辉，敖自栋. 航标监控及高精度定位技术研究[J]. 珠江水运，2017（22）：85-86.

作者简介：江凯武（1974.05.19）；男，福建省漳州市人，本科，毕业于东北财经大学；助理工程师；研究方向：航标工程建设安全管理。

（作者单位：东海航海保障中心交通部）