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GPRS/GPS在船舶通航管理上的應用

發布時間:2015-06-25 09:33

  GPRS技術: “VTS”是指為保障進出三峽壩區通航水域船舶交通安全,提高船舶航行和船閘運行效率,保護水域環境,由長江三峽通航管理局設置的對船舶實行交通管理及服務的系統。

  船舶自動識別系統(Automatic Identif-ication System, 簡稱AIS系統)由岸基(基站)設施和船載設備共同組成,是一種新型的集網絡技術、現代通訊技術、計算機技術、電子信息顯示技術為一體的數字助航系統和設備。船舶自動識別系統(AIS)由艦船飛機之敵我識別器發展而成,配合全球定位系統(GPS)將船位、船速、改變航向率及航向等船舶動態結合船名、呼號、吃水及危險貨物等船舶靜態資料由甚高頻(VHF)頻道向附近水域船舶及岸臺廣播,使鄰近船舶及岸臺能及時掌握附近海面所有船舶之動靜態資訊,得以立刻互相通話協調,采取必要避讓行動,對船舶安全有很大幫助。

  現狀研究以及缺點以及不足

  確保船舶過閘組織有序,保障船舶安全、快捷的過閘,現階段針對船舶過閘(以三峽船閘和葛洲壩船閘為例)主要采用基于GPS技術的AIS(船舶自動識別)系統,其本質是使用VHF頻段廣播采用一定的通訊規則在船舶和岸基進行通訊。

  這種船舶VHF短波通信約占用了 1/9 的短波波段,占用短波頻帶資源多,而且由于種種原因(主要是人為的信號干擾,船用設備使用不當造成干擾等等),短波廣播的收聽效果不理想!短波收聽同時還存在選電臺、選頻率也選時間的問題,并不能全天候,全時段,多頻段地達到理想效果。而且這種通信方式需要船舶在進入VTS轄區后,必須在不同的閘口處采用不同頻率將其船舶動態參數(速度,航向,位置,航向改變率等等)和靜態參數(船舶編號,呼號,船舶尺寸,吃水深度,所載貨物種類等等)口頭強制報告給指揮中心,當在過閘高峰期時,一個頻道內就可能出現多艘船舶口頭強制報告,頻道內口頭強制報告多,不方便指揮調度,同時不同段閘對應不同的頻道,需要記錄的信息量大,效率低,而且一個頻道只能管理一段閘道水域,不能同時對附近的幾個閘道統籌管理,統一指揮,所以當交通繁忙通信論文發表時,船舶過閘往往要提前幾個小時甚至幾天前就需要去通航中心申報,及早制定出通航調度表安排通航,但是通航船舶有時會出現延誤等等也影響調度計劃,由于不能對船舶進行實時調度監控,從整體上也影響了通航效率,不能達到通航效率最優化。有鑒于此,通航指揮中心希望知道進入VTS轄區的船舶信息(靜態信息和動態信息),并利用這些信息在VTS區域內監控這些船舶。而GPRS技術優點是技術成熟,價格低廉,可以改進AIS系統,加快航道數字化建設,提高通航效率.

  1.船舶定位裝置的設計

  船舶定位裝置共有三個功能:

  1.1.靜態信息的采集與保存:

  首先該裝置將開機設置的靜態信息永久保存下來 :船上工作人員可將船舶自身靜態信息如船舶船舶編號,呼號,船舶尺寸,吃水深度,所載貨物種類,VTS的IP地址,端口號通過人機接口(鍵盤)或者用便攜pc或臺式RS232串口輸入到該裝置RS232串口中,單片機讀取這些信息,然后在開機上電進入設置模式設置好后保存在該EEPROM(掉電非易失性)中,該裝置在開機之后10S內如果鍵盤或者串口有設置命令到來將進入設置模式,將可以重新設置這些參數并保存。10秒后,將自動轉入工作模式,在工作模式下,單片機將直接把這些靜態參數從24LC08中讀取出來存入數組。

  1.2.船舶動態信息:船舶速度,船舶方向,船舶所在位置來自于GPS采集的有效衛星數據.

  1.3.船岸通信:由于MC55集成TCP/IP協議,它可將不大于1.5K的數據打包為TCP/IP包無線傳送到因特網上某個IP的端口上,同時MC55也可接收從該套接字發出的字符信息,這樣即在船舶定位裝置與地面指揮中心之間建立了一條雙向的透明數據通道。由于有了這條數據通道,地面指揮中心可以實時地知道船舶的各種信息。

  在過閘,該裝置不停的將船舶動態靜態信息發送至地面VTS管理中心,便于VTS管理中心 統一監管,實時掌握其船舶信息.

  要解決的技術問題 :GPS定位精度, 服務器多SOCKET客戶端的訪問

  定位精度的解決方案

  一般GPS定位精度在10-20M左右,由于內河船舶航道一般都不寬, 在需要獲取米級精度的定位信息的技術要求下,GPS偽距差分是應用最廣的一種差分。

  在基準站上,觀測所有衛星,根據基準站已知坐標和各衛星的坐標,求出每顆衛星每一時刻到基準站的真實距離。再與測得的偽距比較,得出偽距改正數,將其傳輸至用戶接收機,提高定位精度。

  定位精度主要由以下2個因素影響:

  1、 差分站間距離的影響

  對于低于100km的用戶站和基準站基線距離,空間相關誤差對用戶位置的影響是可以忽略的。

  2、差分改正數齡期的影響

  在實時DGPS中,通過數據鏈路把誤差信息傳遞給用戶,這些數據鏈路具有有限的數據傳輸率,需要一定的數據傳輸時間.因此接收到的偽距改正數是在過去時刻t0時的改正數,用戶只有基于對當前時刻ti的預測誤差來校正用戶B的偽距:

  εi=ε0+ε。(ti-t0)

  其中,εi為當前時刻ti的預測偽距改正數;ε0為在t0時的偽距改正數;t0為偽距改正數參考時間ε。為偽距改正數變化率.

  SA導致附加的衛星軌道誤差和衛星鐘誤差.由SA引入的軌道誤差在95 %的情況下小于100 m.而由于SA衛星鐘擾動誤差的非線性特性,使得由式(5)計算的預測偽距改正數的誤差隨預測時間間隔(t-t0)的增大而增大.又因為預測間隔正比于差分改正數齡期,因此改正數齡期越小, DGPS定位精度越高.

  由以上分析可得到以下主要結論:

  1)由SA引起的位置誤差是非線性增長的.

  2) 5 s的差分改正數齡期可基本跟蹤SA時鐘誤差,使由SA時鐘誤差(為造成DGPS誤差的決定性因素)造成的DGPS定位誤差小于1m. (紅色部分已被理論分析論證,見于《差分GPS定位精度研究》北郵 王曉湘 1994)

  通過以上結論,只要滿足差分改正數齡期小于5s,用戶站和基準站基線距離小于100km,可以得出一種GPS的米級精度測量方法。

  因此具體做法為:在閘口轄區不超過100km的范圍內(最好是中段)建立一座基準站,將偽距誤差修正值每隔1秒實時地通過無線(也可用GPRS發送)或者有線通信鏈路發送給地面指揮中心服務器,同時服務器將在某一時刻t0被接收到的誤差修正值去修正被服務器在時刻t1接收的船舶位置測量值(根據船舶位置信息的實時性要求設置為5s發送一次,而誤差修正值1s發送一次,那么在服務器數據中總能找到(t1-t0)幾乎為0的實時修正測量值),因為預測間隔正比于差分改正數齡期,只要(t1-t0)* ε。小于5s,既可以獲得滿足米級精度的船舶GPS的實時定位信息。

  服務器多SOCKET客戶端的訪問

  船舶自動識別系統(Automatic Identif-ication System, 簡稱AIS系統)的改進

  用GPRS取代VHF廣播(優缺點前面說了,您組織下),將船舶信息傳到地面數據中心,依據各個船舶的位置,計算船舶間安全距離,數據中心通過GPRS雙向的數據傳輸將報警信息傳到對應船舶上,船舶定位裝置報警,提醒附近船舶注意距離.

  結論

  改進AIS系統,加快航道數字化建設,提高通航效率。

  參考文獻:

  [1]《差分GPS定位精度研究》北郵 王曉湘 1994

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