GPRS/GPS在船舶通航管理上的应用

摘　要：

关键词：

　　GPRS技术: “VTS”是指为保障进出三峡坝区通航水域船舶交通安全，提高船舶航行和船闸运行效率，保护水域环境，由长江三峡通航管理局设置的对船舶实行交通管理及服务的系统。

　　船舶自动识别系统（Automatic Identif-ication System, 简称AIS系统）由岸基（基站）设施和船载设备共同组成，是一种新型的集网络技术、现代通讯技术、计算机技术、电子信息显示技术为一体的数字助航系统和设备。船舶自动识别系统（AIS）由舰船飞机之敌我识别器发展而成，配合全球定位系统（GPS）将船位、船速、改变航向率及航向等船舶动态结合船名、呼号、吃水及危险货物等船舶静态资料由甚高频（VHF）频道向附近水域船舶及岸台广播，使邻近船舶及岸台能及时掌握附近海面所有船舶之动静态资讯，得以立刻互相通话协调，采取必要避让行动，对船舶安全有很大帮助。

现状研究以及缺点以及不足

　　确保船舶过闸组织有序，保障船舶安全、快捷的过闸，现阶段针对船舶过闸（以三峡船闸和葛洲坝船闸为例）主要采用基于GPS技术的AIS（船舶自动识别）系统，其本质是使用VHF频段广播采用一定的通讯规则在船舶和岸基进行通讯。

　　这种船舶VHF短波通信约占用了 1/9 的短波波段，占用短波频带资源多，而且由于种种原因（主要是人为的信号干扰，船用设备使用不当造成干扰等等），短波广播的收听效果不理想！短波收听同时还存在选电台、选频率也选时间的问题，并不能全天候，全时段，多频段地达到理想效果。而且这种通信方式需要船舶在进入VTS辖区后，必须在不同的闸口处采用不同频率将其船舶动态参数（速度，航向，位置，航向改变率等等）和静态参数（船舶编号，呼号，船舶尺寸，吃水深度，所载货物种类等等）口头强制报告给指挥中心，当在过闸高峰期时，一个频道内就可能出现多艘船舶口头强制报告，频道内口头强制报告多，不方便指挥调度，同时不同段闸对应不同的频道，需要记录的信息量大，效率低，而且一个频道只能管理一段闸道水域，不能同时对附近的几个闸道统筹管理，统一指挥，所以当交通繁忙时，船舶过闸往往要提前几个小时甚至几天前就需要去通航中心申报，及早制定出通航调度表安排通航，但是通航船舶有时会出现延误等等也影响调度计划，由于不能对船舶进行实时调度监控，从整体上也影响了通航效率，不能达到通航效率最优化。有鉴于此，通航指挥中心希望知道进入VTS辖区的船舶信息（静态信息和动态信息），并利用这些信息在VTS区域内监控这些船舶。而GPRS技术优点是技术成熟,价格低廉,可以改进AIS系统,加快航道数字化建设,提高通航效率.

1.船舶定位装置的设计

船舶定位装置共有三个功能:

1.1.静态信息的采集与保存:

首先该装置将开机设置的静态信息永久保存下来 ：船上工作人员可将船舶自身静态信息如船舶船舶编号，呼号，船舶尺寸，吃水深度，所载货物种类，VTS的IP地址，端口号通过人机接口（键盘）或者用便携pc或台式RS232串口输入到该装置RS232串口中，单片机读取这些信息，然后在开机上电进入设置模式设置好后保存在该EEPROM（掉电非易失性）中，该装置在开机之后10S内如果键盘或者串口有设置命令到来将进入设置模式，将可以重新设置这些参数并保存。10秒后，将自动转入工作模式，在工作模式下，单片机将直接把这些静态参数从24LC08中读取出来存入数组。

1.2.船舶动态信息:船舶速度,船舶方向,船舶所在位置来自于GPS采集的有效卫星数据.

1.3.船岸通信：由于MC55集成TCP/IP协议，它可将不大于1.5K的数据打包为TCP/IP包无线传送到因特网上某个IP的端口上，同时MC55也可接收从该套接字发出的字符信息，这样即在船舶定位装置与地面指挥中心之间建立了一条双向的透明数据通道。由于有了这条数据通道，地面指挥中心可以实时地知道船舶的各种信息。

在过闸,该装置不停的将船舶动态静态信息发送至地面VTS管理中心,便于VTS管理中心 统一监管,实时掌握其船舶信息.

要解决的技术问题 :GPS定位精度, 服务器多SOCKET客户端的访问

　　定位精度的解决方案

　　一般GPS定位精度在10-20M左右,由于内河船舶航道一般都不宽, 在需要获取米级精度的定位信息的技术要求下,GPS伪距差分是应用最广的一种差分。

　　在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精度。

　　定位精度主要由以下2个因素影响：

　　1、 差分站间距离的影响

　　对于低于100km的用户站和基准站基线距离,空间相关误差对用户位置的影响是可以忽略的。

　　2、差分改正数龄期的影响

　　在实时DGPS中,通过数据链路把误差信息传递给用户,这些数据链路具有有限的数据传输率,需要一定的数据传输时间.因此接收到的伪距改正数是在过去时刻t0时的改正数,用户只有基于对当前时刻ti的预测误差来校正用户B的伪距:

　　εi=ε0+ε。(ti-t0)

　　其中,εi为当前时刻ti的预测伪距改正数;ε0为在t0时的伪距改正数;t0为伪距改正数参考时间ε。为伪距改正数变化率.

　　SA导致附加的卫星轨道误差和卫星钟误差.由SA引入的轨道误差在95 %的情况下小于100 m.而由于SA卫星钟扰动误差的非线性特性,使得由式(5)计算的预测伪距改正数的误差随预测时间间隔(t-t0)的增大而增大.又因为预测间隔正比于差分改正数龄期,因此改正数龄期越小, DGPS定位精度越高.

由以上分析可得到以下主要结论:

　1)由SA引起的位置误差是非线性增长的.

　　2) 5 s的差分改正数龄期可基本跟踪SA时钟误差,使由SA时钟误差（为造成DGPS误差的决定性因素）造成的DGPS定位误差小于1m. （红色部分已被理论分析论证，见于《差分GPS定位精度研究》北邮 王晓湘 1994）

　　通过以上结论，只要满足差分改正数龄期小于5s，用户站和基准站基线距离小于100km,可以得出一种GPS的米级精度测量方法。

　　因此具体做法为：在闸口辖区不超过100km的范围内（最好是中段）建立一座基准站，将伪距误差修正值每隔1秒实时地通过无线（也可用GPRS发送）或者有线通信链路发送给地面指挥中心服务器，同时服务器将在某一时刻t0被接收到的误差修正值去修正被服务器在时刻t1接收的船舶位置测量值（根据船舶位置信息的实时性要求设置为5s发送一次，而误差修正值1s发送一次，那么在 服务器数据中总能找到（t1-t0）几乎为0的实时修正测量值），因为预测间隔正比于差分改正数龄期,只要(t1-t0)* ε。小于5s，既可以获得满足米级精度的船舶GPS的实时定位信息。

　　服务器多SOCKET客户端的访问　　

　　船舶自动识别系统（Automatic Identif-ication System, 简称AIS系统）的改进

　　用GPRS取代VHF广播(优缺点前面说了,您组织下),将船舶信息传到地面数据中心,依据各个船舶的位置,计算船舶间安全距离,数据中心通过GPRS双向的数据传输将报警信息传到对应船舶上,船舶定位装置报警,提醒附近船舶注意距离.

结论

　　改进AIS系统,加快航道数字化建设,提高通航效率。　　

参考文献:

[1]《差分GPS定位精度研究》北邮 王晓湘 1994