航標(biāo)港口監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

譚頌+張海

摘 要：航標(biāo)是重要的助航裝備，為了滿足日益繁榮的航運(yùn)需求，基于偽衛(wèi)星結(jié)合北斗星定位系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一套高效、經(jīng)濟(jì)、現(xiàn)代化的航標(biāo)港口監(jiān)測系統(tǒng)非常重要，首先對偽衛(wèi)星結(jié)合北斗星的原理進(jìn)行了分析，隨后對航標(biāo)港口監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)，最后對相應(yīng)的軟硬件條件進(jìn)行了闡述，研究結(jié)果對未來進(jìn)一步升級航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)提供了相關(guān)思路。

關(guān)鍵詞：航標(biāo) 偽衛(wèi)星 北斗星 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.前言

航標(biāo)是重要的港口設(shè)施，對船舶的進(jìn)出安全和經(jīng)濟(jì)型航行有著非常重要的作用，隨著航運(yùn)業(yè)和船舶行業(yè)的不斷發(fā)展，船方對于航標(biāo)的要求也越來越高，而相對來說，有些航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足時(shí)代的要求，顯得有些老舊和傳統(tǒng)，和港口高效的管理系統(tǒng)相違背。目前的港口航標(biāo)監(jiān)測，主要靠的還是人工模式，也就是航標(biāo)管理人員定期對航標(biāo)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，這樣的模式不僅消耗人工，而且效率也比較低，可靠性不高，無法做到隨時(shí)掌握航標(biāo)的運(yùn)行因襲，給航運(yùn)工作帶來了不少的困難。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷發(fā)展，克服現(xiàn)在港口航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)問題的辦法勢在必行，利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行港口航標(biāo)建設(shè)是非常有效的方法。

目前，GPS和北斗衛(wèi)星都在航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，但的定位系統(tǒng)在星座構(gòu)型方面存在限制，存在定位不佳的情況，在某些對精度要求較高的場合也不能很好的保證定位有效性。偽衛(wèi)星技術(shù)的存在對導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用是很強(qiáng)的促進(jìn)作用，可以提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，將偽衛(wèi)星系統(tǒng)和傳統(tǒng)的北斗衛(wèi)星相結(jié)合應(yīng)用在航標(biāo)應(yīng)用當(dāng)中，可以有效支撐航標(biāo)港口監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究。

2.導(dǎo)航系統(tǒng)概述

2.1偽衛(wèi)星系統(tǒng)

偽衛(wèi)星系統(tǒng)主要由偽衛(wèi)星基站和用戶接收機(jī)組成，衛(wèi)星基站具有信號接收通道和信號的發(fā)射通道，能夠和北斗系統(tǒng)的衛(wèi)星出站信號同步，同時(shí)能夠向服務(wù)區(qū)域廣播播報(bào)帶有一定格式的偽衛(wèi)星導(dǎo)航信號。接收機(jī)部分則安裝有兩個(gè)天線，既能夠接收偽衛(wèi)星基站發(fā)射的導(dǎo)航信號，又能夠接收北斗衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號。

2.2北斗星系統(tǒng)

北斗星系統(tǒng)主要由空間部分、地面控制部分和用戶接收三個(gè)部分組成，組成系統(tǒng)中每個(gè)部分都擁有各自的功能，空間組成主要是向地面系統(tǒng)不斷的發(fā)射信號，地面控制組成則通過接收到的信號確定衛(wèi)星的位置和軌道信息，并將這些信息打包發(fā)給衛(wèi)星，最后，用戶接收部分接收信號，通過衛(wèi)星的信息來進(jìn)行自我定位。目前的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)由一代北斗星和二代北斗星。

2.3組合系統(tǒng)

偽衛(wèi)星和北斗衛(wèi)星組合系統(tǒng)主要由偽衛(wèi)星部分、北斗衛(wèi)星部分和接收機(jī)三個(gè)系統(tǒng)組成，接收機(jī)上可以安裝接收兩種不同衛(wèi)星信號的天線，通過天線接收偽衛(wèi)星和北斗衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號，之后進(jìn)行信號的前處理、捕獲、跟蹤、位置同步、幀同步和電文解析等過程，同時(shí)，便可以得到信號發(fā)出端的空間位置信息和偽位置信息等。和傳統(tǒng)的導(dǎo)航相比，偽衛(wèi)星結(jié)合北斗衛(wèi)星的工作方式可以有效改善衛(wèi)星的星座幾何構(gòu)型以及信號可用性。

2.4定位方案設(shè)計(jì)

航標(biāo)是重要的助航設(shè)施，需要利用自身的地理位置信息來指示航路點(diǎn)、航道、礁石、淺水區(qū)、禁航區(qū)和沉船區(qū)等區(qū)域位置，因此需要確保定位的準(zhǔn)確性。目前航標(biāo)所面臨的港口，是日漸大型化、深水化、多功能化以及自動(dòng)化。

偽衛(wèi)星結(jié)合北斗系統(tǒng)的組合系統(tǒng)具有通訊定位功能，能夠幫助定位，并且可以授時(shí)進(jìn)行短消息通訊，能夠完成用戶機(jī)之間，用戶機(jī)和地面控制之間的電文通訊，數(shù)據(jù)發(fā)送的量值是普通用戶機(jī)的4倍左右。和傳統(tǒng)的通訊方式相比，還具有很多優(yōu)點(diǎn)，首先經(jīng)過審核批準(zhǔn)后的組合系統(tǒng)向用戶發(fā)短信的時(shí)間是一分鐘一次，而非審核的通訊字?jǐn)?shù)則是每次36個(gè)，另外，組合系統(tǒng)沒有通信盲區(qū)，而且用戶能夠根據(jù)自身的需求，選擇偽衛(wèi)星北斗組合通信的兩類數(shù)據(jù)編碼，一種是通用的BCD編碼形式，另一種則是ASCII編碼方式。

2.5監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.5.1功能設(shè)計(jì)

航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的功能主要包括了監(jiān)控標(biāo)致燈器的狀態(tài)以及地理坐標(biāo)，可以保證航標(biāo)管理部門可以及時(shí)了解到航標(biāo)的工作運(yùn)行情況，并且進(jìn)行相應(yīng)的后處理和解析，為工作人員提供參考可靠的參考信息，工作人員同時(shí)可以遠(yuǎn)程的變更航標(biāo)燈的狀態(tài)。系統(tǒng)組成包括自主查詢、信息匯總與檢索、狀態(tài)信息獲取、系統(tǒng)工作記錄、自動(dòng)報(bào)警、工作目標(biāo)設(shè)定、航標(biāo)管理、遠(yuǎn)程控制、顯示航標(biāo)的坐標(biāo)軌跡等內(nèi)容。

2.5.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前比較常用的航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)是GPS+GSM系統(tǒng)，但這種系統(tǒng)的GPS通信模式是單向的，因此需要多加一個(gè)雙向的模塊來來完成信息的發(fā)送和接收。為了彌補(bǔ)現(xiàn)用監(jiān)測系統(tǒng)的缺陷，設(shè)計(jì)偽衛(wèi)星結(jié)合北斗系統(tǒng)組合的方式來進(jìn)行航標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的整體組合元素包括航標(biāo)信息的收集終端、海事管理部門、航運(yùn)公司、偽衛(wèi)星及北斗組合系統(tǒng)、船舶、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星控制管理中心和信息處理中心。

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是一個(gè)綜合性的平臺，功能方面包括信息收集、信息處理、雙向通信、互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)等，結(jié)構(gòu)方面則包括信息處理中心、用戶終端、信息收集端以及雙向通信鏈路。

信息收集終端的組成包括天氣和海況采集模塊、航標(biāo)參數(shù)信息采集模塊、系統(tǒng)配置模塊、附表、偽衛(wèi)星及北斗組合通訊模塊。而獨(dú)有的雙向鏈路通信則是連接航標(biāo)信息收集終端、衛(wèi)星管理中心和信息處理中心的橋梁，雙向通訊鏈路主要包括衛(wèi)星和互聯(lián)網(wǎng)兩個(gè)傳輸媒介，偽衛(wèi)星和北斗系統(tǒng)不需要在地面建立物理通信基站，通信方式比較方便簡潔，在原理陸地的區(qū)域同樣可以實(shí)現(xiàn)信息處理中心和信息收集終端之間的多對多聯(lián)絡(luò)。信息處理中心則包括信息中心軟件、互聯(lián)網(wǎng)通訊平臺、機(jī)房設(shè)備和服務(wù)器組，能夠完成信息接收、信息預(yù)處理、信息解析、信息存儲和信息轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)。

3.軟硬件實(shí)施

具體的軟件實(shí)施首先需要放在天氣和海況信息收集方面，基于工控機(jī)的硬件，實(shí)施軟件需要擁有良好的用戶界面和全面的功能，如圖1所示，為天氣和海況采集軟件的設(shè)計(jì)框圖。

雙系統(tǒng)的通信定位模塊包括時(shí)鐘電路、MCU處理器、存儲器電路、復(fù)位電路、電源電路、對外接口電路、程序升級電路、北斗系統(tǒng)電路和偽衛(wèi)星系統(tǒng)電路。處理器可與選擇PLC控制處理器，該硬件的選擇需要能夠承受一定的外部干擾和溫差。處理器芯片需要滿足低能耗、高速、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)。為了保證遠(yuǎn)離海岸線的消息能夠正常的發(fā)送，信息收發(fā)模塊同樣需要一定的可靠性，滿足體積小、操作便捷、耗電少的優(yōu)點(diǎn)。為了減少定位誤差，需要選擇具備差分定位功能的芯片，符合能夠進(jìn)行回流焊接和標(biāo)準(zhǔn)取放，低功耗和低成本的要求。

航標(biāo)信息采集和設(shè)置模塊是另一個(gè)主要的系統(tǒng)構(gòu)成，需要擁有獨(dú)立的CPU，并且能夠和其他模塊一起同時(shí)工作，構(gòu)造上主要包括程序下載電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、電源電路、對外接口電路、燈器電路、驅(qū)動(dòng)控制電路、參數(shù)采集電路和一個(gè)MCU處理器。硬件構(gòu)成和通信定位模塊有些許顯示，都需要滿足低功耗和抗干擾能力強(qiáng)以及抵抗外界環(huán)境強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

4.總結(jié)

作為保證港口正常運(yùn)行、引導(dǎo)船舶有效航行的助航設(shè)備，航標(biāo)的管理和技術(shù)水平很大程度上影響了港口的運(yùn)營情況，文章基于偽衛(wèi)星結(jié)合北斗星定位系統(tǒng)，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、微電子和通信技術(shù)，對偽衛(wèi)星和北斗星在航標(biāo)港口監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析研究，研究結(jié)果表明，該衛(wèi)星雙定位系統(tǒng)可以有效的支撐航標(biāo)港口監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建，軟、硬件組合可以實(shí)現(xiàn)，但該系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性還要有待提高，未來應(yīng)該在性價(jià)比方面進(jìn)行著重研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃林生.基于北斗的武漢港區(qū)航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)方案的研究[D].武漢理工大學(xué).2006.

[2]姜雪.偽衛(wèi)星與北斗星導(dǎo)航系統(tǒng)組合定位技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].河北科技大學(xué).2016

[3]蘇天放.基于北斗二代的港口航標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究[D].大連海事大學(xué).2015.endprint