周建芳　張文兵

摘要：研究目的：為賽艇科學(xué)化訓(xùn)練和比賽提供實(shí)時(shí)的技術(shù)支持和事后的數(shù)據(jù)分析手段。研究方法：綜合利用GNSS的定位和授時(shí)功能，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、RTK技術(shù)，搭建賽艇監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行賽艇位置信息的采集，開發(fā)基于采集到的精確位置信息的軟件系統(tǒng)，形成完整的賽艇檢測(cè)服務(wù)系統(tǒng)。結(jié)論：將GNSS技術(shù)應(yīng)用于賽艇的訓(xùn)練和比賽，開發(fā)出賽艇監(jiān)測(cè)服務(wù)系統(tǒng)，有助于對(duì)運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練細(xì)節(jié)進(jìn)行更精確地了解和更科學(xué)地分析，使訓(xùn)練具有科學(xué)化的保障。

關(guān)鍵詞：GNSS；賽艇；科學(xué)訓(xùn)練

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）10-0096-03

賽艇是奧運(yùn)會(huì)比賽的傳統(tǒng)項(xiàng)目之一，也是奧運(yùn)會(huì)比賽中競(jìng)爭(zhēng)最激烈的項(xiàng)目之一。在現(xiàn)代賽艇運(yùn)動(dòng)中，各隊(duì)的優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)和身體準(zhǔn)備幾乎都達(dá)到同樣的水平，在所有其他條件都相同的情況下，勝者便往往是那些更巧妙、更合理地運(yùn)用戰(zhàn)術(shù)的運(yùn)動(dòng)員，只有通過科學(xué)的技術(shù)不斷地改進(jìn)和完善訓(xùn)練方法、手段及戰(zhàn)術(shù)，才可能使運(yùn)動(dòng)員在比賽中獲勝的幾率增大。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS： Global Navigation Satellite System）是基于人造衛(wèi)星技術(shù)的導(dǎo)航、定位和授時(shí)系統(tǒng)，它可以為用戶提供準(zhǔn)確的定位、測(cè)速和高精度的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。GNSS定位原理[1]是接收機(jī)通過跟蹤若干定位衛(wèi)星的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星測(cè)距，然后根據(jù)相應(yīng)的星歷信息，通過距離交會(huì)實(shí)現(xiàn)定位服務(wù)。目前正在運(yùn)行的全球定位系統(tǒng)有美國(guó)的GPS系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)，同時(shí)歐盟的Galileo系統(tǒng)和中國(guó)的北斗系統(tǒng)正在建設(shè)中。

位置信息和運(yùn)動(dòng)信息是賽艇訓(xùn)練中非常重要的參數(shù)，如劃行速度、方向、軌跡等。分析以上參數(shù)，可以比較不同賽艇的性能、評(píng)價(jià)不同運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練水平，以便科學(xué)地分析、指導(dǎo)訓(xùn)練或比賽。構(gòu)建GNSS賽艇監(jiān)測(cè)服務(wù)系統(tǒng)，利用GNSS技術(shù)監(jiān)測(cè)賽艇，可以實(shí)時(shí)掌握賽艇的運(yùn)動(dòng)參數(shù)以便教練和運(yùn)動(dòng)員做出科學(xué)的指導(dǎo)及調(diào)整，另外還可以將觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄以便于事后的分析、研究和總結(jié)戰(zhàn)術(shù)。通過GNSS賽艇監(jiān)測(cè)服務(wù)系統(tǒng)可有助于對(duì)運(yùn)動(dòng)員的掌握和改進(jìn)技術(shù)、指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練，這對(duì)取得優(yōu)異的成績(jī)至關(guān)重要，使科學(xué)化訓(xùn)練的保障能夠走在世界的前列。

1 GNSS賽艇監(jiān)測(cè)服務(wù)系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 GNSS技術(shù)監(jiān)測(cè)原理

在GPS和GLONASS系統(tǒng)發(fā)展的最初階段，所提供的服務(wù)都只有基于偽距觀測(cè)值的導(dǎo)航單點(diǎn)定位，其定位精度受偽距觀測(cè)值噪聲和多路徑效應(yīng)的影響。尤其是2000年前，GPS系統(tǒng)添加了SA（Selective Availability）干擾，定位精度在幾十米甚至上百米。隨后，基于偽距的差分定位技術(shù)[2]的出現(xiàn)，將定位精度從數(shù)十米提高到米級(jí)甚至亞米級(jí)，其精度基本可以滿足米級(jí)的精密導(dǎo)航，資源調(diào)查等應(yīng)用，但仍無法滿足厘米級(jí)測(cè)量應(yīng)用的要求，高精度測(cè)量需要采用靜態(tài)相對(duì)定位方式才能達(dá)到厘米級(jí)精度要求。

實(shí)時(shí)RTK [3]（Real-Time Kinematic） 動(dòng)態(tài)定位技術(shù)的出現(xiàn)滿足了人們對(duì)實(shí)時(shí)厘米級(jí)測(cè)量定位技術(shù)的要求，這是一種新的常用的GNSS測(cè)量方法。以前的靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級(jí)的精度，而RTK能夠使用戶在野外實(shí)時(shí)獲得1～2cm精度的定位結(jié)果，它采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分方法，是GNSS應(yīng)用的重大里程碑。RTK系統(tǒng)構(gòu)成由一臺(tái)基準(zhǔn)站和至少一臺(tái)流動(dòng)站組成，范圍一般限制在20KM以內(nèi)，在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將原始觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送到流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅接收數(shù)據(jù)鏈上來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還采集GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)給出高精度的定位結(jié)果。采用雙星系統(tǒng)（GPS+GLONASS雙系統(tǒng)導(dǎo)航定位）的GNSS接收機(jī)可接收14～20顆衛(wèi)星左右，使GNSS設(shè)備具備最短時(shí)間達(dá)到厘米級(jí)精度的能力與最強(qiáng)的抗干擾遮擋能力，另外配備高采樣率的GNSS接收機(jī)可以獲得高時(shí)間分辨率的賽艇運(yùn)動(dòng)信息。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計(jì)

GNSS賽艇監(jiān)測(cè)服務(wù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。在賽艇訓(xùn)練或比賽場(chǎng)地附近架設(shè)一臺(tái)GNSS基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳遞給服務(wù)中心，在賽艇上裝備合適的GNSS接收機(jī)，賽艇上的接收機(jī)通過GPRS或其他無線網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)中心進(jìn)行通信，將觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至服務(wù)中心。

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如圖2所示，系統(tǒng)功能按時(shí)效性劃分為實(shí)時(shí)服務(wù)、事后服務(wù)。實(shí)時(shí)服務(wù)包括實(shí)時(shí)位置監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)速度監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)方向監(jiān)測(cè)，事后服務(wù)包括運(yùn)動(dòng)軌跡查詢、運(yùn)動(dòng)速度查詢、運(yùn)動(dòng)方向查詢，具體的功能如下。

實(shí)時(shí)位置監(jiān)測(cè)：通過對(duì)GNSS基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)和賽艇上的GNSS接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)差分解算以獲得高精度的定位結(jié)果，系統(tǒng)會(huì)將各個(gè)賽艇的實(shí)時(shí)位置信息利用動(dòng)態(tài)圖形顯示的方式提供給教練員，通過預(yù)先設(shè)定的終點(diǎn)線位置信息也可以判定賽艇到達(dá)終點(diǎn)的先后順序；

實(shí)時(shí)速度監(jiān)測(cè)：通過GNSS技術(shù)能夠獲得高精度的三維位置信息，利用相鄰歷元的位置信息可以求出賽艇在空間三維方向上的實(shí)時(shí)速度信息并求出總速度，系統(tǒng)會(huì)將各個(gè)賽艇的運(yùn)動(dòng)速度信息實(shí)時(shí)提供給教練員；

實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)方向監(jiān)測(cè)：同實(shí)時(shí)速度監(jiān)測(cè)功能類似，根據(jù)相鄰歷元的位置信息，可以求出賽艇在三維方向上的實(shí)時(shí)速度信息并求出總方向，系統(tǒng)會(huì)將各個(gè)賽艇的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)方向信息提供給教練員；

精密授時(shí)：通過GNSS的精密授時(shí)功能，可以實(shí)時(shí)提供高精度的時(shí)間信息，為其它實(shí)時(shí)服務(wù)功能或事后功能提供時(shí)間基準(zhǔn)；

運(yùn)動(dòng)軌跡查詢：系統(tǒng)將各個(gè)賽艇的位置信息及相對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息存入數(shù)據(jù)庫供相關(guān)人員進(jìn)行事后的研究與分析，會(huì)以圖形、報(bào)表、人機(jī)交互的形式提供給相關(guān)人員；

運(yùn)動(dòng)速度查詢：系統(tǒng)將各個(gè)賽艇的速度信息及相對(duì)應(yīng)的時(shí)間、位置信息存入數(shù)據(jù)庫，以圖形、報(bào)表、人機(jī)交互的形式提供給相關(guān)人員；

運(yùn)動(dòng)方向查詢：系統(tǒng)將各個(gè)賽艇的運(yùn)動(dòng)方向及相對(duì)應(yīng)的時(shí)間、位置信息存入數(shù)據(jù)庫，以圖形、報(bào)表、人機(jī)交互的形式提供給相關(guān)人員。在實(shí)際的功能使用中，往往是將多種監(jiān)測(cè)信息的結(jié)果同時(shí)提供給相關(guān)人員供其分析和研究。

1.3 硬件、軟件設(shè)備

在實(shí)際的系統(tǒng)構(gòu)建中，主要分為2部分，即服務(wù)中心的建設(shè)和賽艇端的建設(shè)，為實(shí)現(xiàn)滿足上述的基本功能時(shí)需要配備如表1所列的硬件及軟件設(shè)備。服務(wù)中心由GNSS基準(zhǔn)站、服務(wù)器和監(jiān)測(cè)服務(wù)軟件構(gòu)成并配備相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。賽艇上由GNSS接收機(jī)及接收機(jī)服務(wù)程序構(gòu)成，在GNSS接收機(jī)上裝入SIM卡后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)連入服務(wù)器。

2 系統(tǒng)建設(shè)中的細(xì)節(jié)問題

首先是服務(wù)中心的建設(shè)，服務(wù)中心由GNSS基準(zhǔn)站、服務(wù)器和監(jiān)測(cè)服務(wù)軟件構(gòu)成并配備相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。服務(wù)器可以安裝在適當(dāng)?shù)奈恢?，監(jiān)測(cè)服務(wù)軟件直接安裝在服務(wù)器上，通過向電信運(yùn)營(yíng)商申請(qǐng)帶獨(dú)立IP地址的公網(wǎng)服務(wù)，將服務(wù)器上的指定端口映射于公網(wǎng)，監(jiān)測(cè)服務(wù)軟件對(duì)指定的端口進(jìn)行監(jiān)聽并處理收到的相關(guān)信息。對(duì)于基準(zhǔn)站的建設(shè)，可以根據(jù)實(shí)際的訓(xùn)練或比賽場(chǎng)地范圍考慮建設(shè)一個(gè)或多個(gè)固定的GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站，選擇具有良好觀測(cè)條件的位置建立固定的GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站與服務(wù)器之間通過穩(wěn)定的局域網(wǎng)絡(luò)線路連接，基準(zhǔn)站將觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至服務(wù)器，監(jiān)測(cè)服務(wù)軟件負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收基準(zhǔn)站發(fā)送過來的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

其次是賽艇上GNSS接收機(jī)的裝配，要為接收機(jī)安裝好相應(yīng)的防水設(shè)施，由于賽艇不能為接收機(jī)提供穩(wěn)定的電源，故需定期為賽艇上的接收機(jī)更換電池，GNSS接收機(jī)上安裝接收機(jī)服務(wù)程序并配備SIM卡，負(fù)責(zé)將觀測(cè)數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送至服務(wù)器上指定的網(wǎng)絡(luò)端口。每次訓(xùn)練或比賽時(shí)應(yīng)為GNSS接收機(jī)提前安裝好充足的電池，并提前開機(jī)數(shù)分鐘。

在同時(shí)接收到基準(zhǔn)站和賽艇接收機(jī)發(fā)來的觀測(cè)數(shù)據(jù)后，服務(wù)器上的監(jiān)測(cè)服務(wù)軟件會(huì)實(shí)時(shí)求解出高精度的定位結(jié)果，由于RTK定位需要一段時(shí)間的初始化過程才能獲得高精度的定位結(jié)果，故需在每次訓(xùn)練或比賽時(shí)提前開機(jī)約1～2分鐘左右的時(shí)間，以便讓接收機(jī)能夠連入服務(wù)器并完成初始化過程，通過服務(wù)器上的監(jiān)測(cè)服務(wù)軟件可以實(shí)時(shí)查看各個(gè)賽艇接收機(jī)的初始化完成情況。

教練員可通過服務(wù)器或遠(yuǎn)程操作監(jiān)測(cè)服務(wù)軟件，一般情況下，一次完整的訓(xùn)練或比賽時(shí)步驟流程如圖3所示。

3 小結(jié)

通過構(gòu)建GNSS賽艇監(jiān)測(cè)服務(wù)系統(tǒng)，利用GNSS技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)賽艇，能夠?qū)崟r(shí)掌握賽艇的運(yùn)動(dòng)參數(shù)以便教練和運(yùn)動(dòng)員做出科學(xué)的指導(dǎo)及調(diào)整，還可以進(jìn)行事后的分析、研究和總結(jié)戰(zhàn)術(shù)，這有助于對(duì)運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練細(xì)節(jié)進(jìn)行更精確地了解和更科學(xué)地分析，使訓(xùn)練具有科學(xué)化的保障.

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