高精度航标遥测系统研究与设计

摘要

航标是航道的基础助航设施，其管理模式直接影响航道运输的质量。传统的航标管理模式主要依靠巡检船定时巡检的形式进行管理，这种管理模式造成航标的维护费用高、管理效率低、实时性差、航标管理人员劳动强度高等缺点。随着计算机技术、通信技术以及GPS技术的飞速发展，采用现代化管理手段的数字化航标应运而生。由于内河航道比较狭窄，对数字化航标提出了更高的要求，定位精度和系统容量成为了制约数字化航标在内河航道上得到广泛应用的关键因素，因此，如何设计一套既能满足数字化航标的定位精度要求，又能增加系统容量的航标遥测系统成为了航道数字化管理的重要内容之一。
　　 本文介绍了数字化航标的研究现状，分析了航标遥测系统的功能需求、定位方式、通信方式，提出了一套高精度航标遥测系统设计方案，构建了系统的总体结构，并讨论了系统关键元器件的选型。之后进行了系统设计，采用ARM嵌入式系统作为硬件平台，GPS模块作为定位模块，GSM模块作为无线通信模块实现航标的数字化管理。航标遥测系统的设计分为硬件设计和软件设计两部分。硬件部分详细描述了控制电路板各模块电路的设计，包括ARM处理器供电电路、存储器电路、GPS模块接口电路、GSM模块接口电路等，并进行系统的低功耗设计。软件部分设计了遥测终端的软件结构及流程、初始化程序、GPS数据采集与处理程序、航标状态信息采集程序、故障诊断程序、数据通信程序、遥测终端与监控中心之间的通信协议，并对监控中心软件进行了规划。
　　 本文针对数字化航标高精度定位要求，随后分析了GPS定位误差的类型和特征，研究了提高GPS定位精度的方法以及航标偏移距离的识别方案，并采用该方案对航标的偏移距离进行测试。监控中心数据处理量大小影响到系统容量，因此本文在遥测终端采用基于模糊推理的故障诊断方法对航标的状态进行模糊识别，建立了模糊故障诊断数学模型，给出了基于模糊推理故障诊断的推导过程，并给出了相应的实例。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪 论

1.1课题背景及意义

1.2国内外发展现状

1.3研究目的与主要内容

2 系统总体设计

2.1系统需求分析

2.2系统结构设计

2.2.1定位方式的选择

2.2.2通信方式的选择

2.2.3系统总体结构

2.2.4遥测终端结构

2.2.5监控中心结构

2.3关键元器件选型

2.3.1 ARM处理器选型

2.3.2 GPS模块选型

2.3.3 GSM模块选型

2.4本章小结

3 遥测终端硬件设计

3.1遥测终端硬件系统总体设计方案

3.2 ARM嵌入式系统

3.2.1 ARM处理器供电电路

3.2.2时钟电路

3.2.3复位电路

3.2.4 JTAG接口电路

3.2.5 LPC2214存储器控制电路

3.2.6 FLASH存储器电路

3.2.7 SRAM存储器电路

3.3 GPS模块接口电路

3.4 GSM模块接口电路

3.4.1 GSM模块供电电路

3.4.2通信电路

3.4.3 SIM卡电路

3.5低功耗设计

3.6本章小结

4 系统软件设计

4.1遥测终端系统软件结构及流程

4.2通信协议

4.2.1命令协议

4.2.2状态协议

4.3初始化

4.4 GPS数据采集与处理

4.5航标状态信息采集

4.6故障诊断

4.7数据通信

4.7.1 AT指令

4.7.2发送短消息

4.7.3接收短消息

4.8监控中心软件规划

4.9本章小结

5 航标偏移距离的识别研究

5.1航标的配置与偏移状况分析

5.2 GPS定位误差分析

5.2.1与GPS卫星有关的误差

5.2.2与GPS信号传播有关的误差

5.2.3与观测和接收机有关的误差

5.3航标偏移距离识别方案

5.4本章小结

6 航标状态的模糊识别

6.1航标的状态分析

6.2模糊方案的确定

6.3模糊识别过程的设计

6.3.1故障原因集和故障征兆集建立

6.3.2确定隶属函数

6.3.3确定模糊关系矩阵

6.3.4确定模糊算子

6.3.5确定诊断原则

6.3.6诊断实例

6.4本章小结

7 总结与展望

7.1结论

7.2展望

致 谢

参考文献

附 录:作者在攻读学位期间发表的论文目录