基于北斗短報文的震源船跟蹤系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王青平，肖 健，鄭 超，林巖釗，鄭 韻，張樹君

(福建省地震局 ，福建 福州 350003)

福建省地處我國東南沿海地震帶北段，歷史上曾多次遭受7級以上地震的破壞，探明福建及其鄰近海域地殼上地幔結(jié)構(gòu)和濱海斷裂帶的構(gòu)造信息，繪制跨越臺灣海峽的三維地殼結(jié)構(gòu)圖，對進一步提升閩臺地區(qū)地震構(gòu)造活動的認識水平、拓展對地震災(zāi)害風險的控制能力具有重大意義[1-2].為進一步查明濱海斷裂帶的位置、產(chǎn)狀和深部構(gòu)造信息，福建省地震局從2013年開始實施“福建及臺灣海峽地殼深部構(gòu)造陸海聯(lián)測”計劃，陸域使用移動式氣槍震源系統(tǒng)，海域使用延平2號震源船的船載式氣槍震源系統(tǒng)，陸海均布設(shè)觀測系統(tǒng)的方式進行聯(lián)合觀測[3-4].

為確保海上工作順利開展，并加強總指揮部對震源船實時位置、航速等信息的監(jiān)控.在2013—2014年的陸海聯(lián)測實驗中，研發(fā)了1套“運動軌跡遠程動態(tài)顯示系統(tǒng)軟件”[5]，利用海事衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路，陸海聯(lián)測指揮部定期掃描震源船導航系統(tǒng)生成的導航文件，解析氣槍激發(fā)的位置，并將激發(fā)位置顯示在地圖上.在氣槍上線激發(fā)過程中，該系統(tǒng)可以很好地跟蹤震源船的位置等信息.為解決氣槍未激發(fā)時的震源船跟蹤，2015年研發(fā)了另一套“基于海事衛(wèi)星的船舶本地和/或遠程航跡跟蹤軟件”[6]，在震源船上部署一個Trimble Net系列GPS接收機，利用接收機提供的動態(tài)網(wǎng)頁編程技術(shù)，指揮部通過海事衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路實時獲取震源船位置，并在后續(xù)的陸海聯(lián)測實驗中得到應(yīng)用，獲得良好的效果.上述2套系統(tǒng)都是建立在海事衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路的基礎(chǔ)上，其費用較高且存在數(shù)據(jù)安全隱患[7].

近年來，隨著事業(yè)的發(fā)展，指揮部對震源船實時航行方向和實時速度方向等信息的需求也日益迫切.亟需1套經(jīng)濟實惠、安全可靠，可實時獲取震源船位置、航行方向以及航行速度等信息的定位跟蹤系統(tǒng).

1 技術(shù)與方法

1.1 北斗短報文

由我國自主建設(shè)、獨立運行的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Beidou navigation satellite system，BDS)是繼美國GPS和俄羅斯GLONASS之后第三個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)[8].與美國GPS和俄羅斯GLONASS等系統(tǒng)相比，北斗系統(tǒng)除了能夠提供其他系統(tǒng)所具備定位、導航、授時服務(wù)外，并具有位置報告和短報文通信能力[9-10].

北斗短報文是北斗系統(tǒng)的獨特功能，在沒有移動通訊信號的情況下，利用衛(wèi)星進行雙向通信，既可以讓別人知道自己位置，也可以主動發(fā)信息告知別人自己的位置.利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)全天候、全天時的短報文收發(fā)功能將震源船的多個控制點的位置傳給遠程監(jiān)控平臺，為指揮部監(jiān)控震源船是否按計劃作業(yè)以及方案調(diào)整和指令下達等提供可靠的第一手資料.

1.2 控制點位置信息

為了更好地對震源船的航向?qū)崟r監(jiān)控，分別在船頭、船尾以及拖曳的槍陣中心3個控制點各部署1套Trimble Net R9接收機，通過跟蹤控制點的實時位置，確定震源船的位置、航行速度以及航行方向等.該接收機不僅提供NMEA-0183協(xié)議輸出GGA、RMC等信息，還可利用瀏覽器調(diào)用編程接口(programmatic interface)進行參數(shù)讀取和設(shè)置[11].圖1為通過網(wǎng)頁調(diào)用編程接口顯示的信息，其中包括GPS周數(shù)(GPS Week Number)、GPS周內(nèi)秒(GPS Seconds of Week)、經(jīng)緯度、高程等信息.通過格式化輸入，可獲得3個控制點的時間、位置等信息.

圖1 Trimble Net R9接收機編程接口返回的數(shù)據(jù)Fig.1 Data from the programmatic interface of Trimble Net R9

1.3 數(shù)據(jù)壓縮

北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)對發(fā)送的短報文長度和時間間隔都有嚴格的要求，一般用戶一次可以傳輸36個漢字(72個字節(jié))，且每次發(fā)送需間隔15、30s或60s[12].

考慮到GPS水平向和垂直向的定位精度以及監(jiān)控平臺精度設(shè)計需求，控制點的經(jīng)緯度至少應(yīng)保留到小數(shù)點后5位，高程保留到小數(shù)點后1位.經(jīng)緯度有效數(shù)位達到8位，需采用雙精度浮點數(shù)，而高程可采用單精度保存，單個控制點的經(jīng)緯度和高程至少需要20字節(jié).3個控制點信息加上整型的GPS周數(shù)和雙精度的GPS周內(nèi)秒，高達72字節(jié)，達到北斗短報文的臨界長度，同時還需加入標識符用于判斷3個GPS時間的同步性，因此必須對多個控制點信息進行壓縮.

以船頭為參考點，船頭經(jīng)緯度使用絕對值，考慮到船頭與船尾和拖曳的槍陣中心點的距離不超過200m，船尾和槍陣中心點使用相對值.為增加信息可讀性，使用ASCII碼進行存儲.壓縮后的總長度為60字節(jié)，分為11個字段，表1給出各字段說明.

2 結(jié)果與討論

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

為適應(yīng)新時代指揮部遠程監(jiān)控平臺對震源船的定位跟蹤信息化、可視化與自動化的要求，以提升遠程監(jiān)控平臺對震源船的監(jiān)控和管理水平為目標，設(shè)計的方案應(yīng)遵循實用性、易用性和開放性等原則.

2.1.1系統(tǒng)功能 基于北斗短報文的震源船跟蹤系統(tǒng)以歷年陸海聯(lián)測遇到的實際問題為導向，設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：

表1 壓縮的北斗短報文信息Tab.1 Compressed Beidou short message

續(xù)表1

注：表格中北斗短報文信息以“0 637069384+11806470 +2446744 +121 +21 +41-001 +20 +39 +020”為例

①震源船上部署的服務(wù)端可以實時獲取3個控制點的位置等信息，并通過北斗短報文向遠程監(jiān)控平臺推送控制點信息，還可顯示震源船實時位置、航速和航向等信息；

②指揮部中部署的客戶端可接收服務(wù)端推送的北斗短報文獲得控制點信息，顯示震源船實時位置、航速和航向，對震源船是否按事先設(shè)定的航線、航速和航向作業(yè)進行監(jiān)控；

2.1.2 系統(tǒng)架構(gòu) 根據(jù)實際應(yīng)用的需求，結(jié)合系統(tǒng)的功能，設(shè)計了相應(yīng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示.

圖2 基于北斗短報文的震源船跟蹤系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Outline of multi-point tracking system based on Beidou short message

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計分為基礎(chǔ)平臺層、硬件支撐層、信息資源層、服務(wù)產(chǎn)品層和用戶應(yīng)用層5個基礎(chǔ)層級.其中基礎(chǔ)平臺層包含操作系統(tǒng)、北斗短報文、數(shù)據(jù)壓縮及GIS系統(tǒng)的建設(shè)，為整體應(yīng)用系統(tǒng)的全面建設(shè)提供良好的基礎(chǔ)；硬件支撐層包括1套北斗通信單元、3套GPS接收機以及服務(wù)器等設(shè)備，是系統(tǒng)的核心部分；信息資源層是項目的數(shù)據(jù)資源的保障，主要包括GPS時間信息以及控制點的位置和高程信息；服務(wù)產(chǎn)品層是系統(tǒng)的主要產(chǎn)出，主要包括震源船實時位置、航行方向以及航行速度等；用戶應(yīng)用層是系統(tǒng)產(chǎn)品的應(yīng)用，提供震源船本地和遠程監(jiān)控平臺的跟蹤顯示.

2.1.3 設(shè)備連接 圖3為基于北斗短報文的震源船跟蹤系統(tǒng)的設(shè)備連接示意圖.

部署在船頭、船尾和槍陣中心的GPS天線分別通過饋線接入各自GPS接收機；震源船服務(wù)器一方面通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)用編程接口讀取位置信息，另一方面通過串口與北斗通信單元進行信息推送.指揮部服務(wù)器通過串口接收北斗信息.

2.1.4 功能模塊 基于北斗短報文的震源船跟蹤系統(tǒng)由數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)存儲、信息壓縮、短報文封裝、短報文推送、短報文接收、短報文解析、信息解壓和跟蹤顯示9個模塊組成，圖4為系統(tǒng)的功能圖.

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)及應(yīng)用

基于北斗短報文的震源船跟蹤系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境采用Windows 7操作系統(tǒng)+MATLAB R2011b，提供了高級開發(fā)和調(diào)試功能，同時還可對存儲的震源船位置信息進行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和挖掘.

在2017年的陸海聯(lián)測實驗中，北斗通信終端使用福建星海通信科技有限公司的北斗船載終端XH/BDI-CY02D，其中震源船和指揮部的北斗終端號碼分別為145131和198238，支持北斗4.0協(xié)議，短報文發(fā)送頻度為1 min，串口通訊的波特率為14 400字節(jié)/s，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，無校驗.

圖3 設(shè)備連接示意Fig.3 Diagram of device connection

圖4 系統(tǒng)功能圖Fig.4 System function diagram

圖5是截取的震源船推送的北斗短報文信息，每行是1條短報文，記錄著時間和3個控制點的位置信息.

圖5 截取的震源船推送北斗短報文信息Fig.5 Interception of Beidou short message information

圖6是陸海聯(lián)測指揮部根據(jù)接收的北斗短報文解析得到時間和震源船3個GPS點位的位置信息.

在2017年陸海聯(lián)測期間，震源船共發(fā)出15 244條短報文，指揮部收到14 714條短報文，數(shù)據(jù)丟失率約為3.5%.遺失的530條主要由于實驗期間指揮部設(shè)備搬遷、接收模塊進行升級以及震源船靠港避風期間震源船和指揮部開機時間不協(xié)調(diào)造成的.

圖6 指揮部解析相應(yīng)的震源船位置信息Fig.6 Parses of the corresponding ship location information by the commander

根據(jù)解析的震源船位置信息，可以計算出震源船的位置、航向和航行速度等信息，如圖7所示，臺灣海峽中，已經(jīng)連成線的黑點是震源船的軌跡點，顯然震源船從漳浦外海南端向東北進行作業(yè)，黑色三角形為船當前位置，當前航速為8.7 km/h，航向為北偏東42.4°.一旦收到新的數(shù)據(jù)，就實時更新震源船的位置，達到實時跟蹤的功能.

圖7 基于北斗短報文的震源船跟蹤系統(tǒng)運行示意Fig.7 Diagram of the tracking system based on Beidou short message 當前航速為8.7 km/h，航向為北偏東42.4°

研發(fā)的基于北斗短報文的震源船跟蹤系統(tǒng)在2017年的陸海聯(lián)測實驗中得到應(yīng)用和檢驗，陸海聯(lián)測指揮部可以實時查看震源船是否按事先設(shè)定的測線、事先設(shè)定的速度和航向進行作業(yè)，有效保障了監(jiān)控平臺對震源船的監(jiān)控，提升安全生產(chǎn)的風險控制能力.

3 結(jié)語

新時代，面對陸海聯(lián)測指揮部對震源船的監(jiān)控提出了新要求，研發(fā)了基于北斗短報文的震源船跟蹤系統(tǒng).系統(tǒng)由數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)存儲、信息壓縮、短報文封裝、短報文推送、短報文接收、短報文解析、信息解壓和跟蹤顯示9個模塊組成.由于使用我國自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗短報文進行通訊，大大提高了系統(tǒng)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性.

通過在震源船安裝部署多套GPS接收機，實時獲取震源船的位置，經(jīng)過信息壓縮后利用北斗短報文推送到陸海聯(lián)測指揮部，實現(xiàn)監(jiān)控平臺對震源船的監(jiān)控.可有效判斷震源船是否按事先設(shè)定的測線、事先設(shè)定的速度和航向進行作業(yè)，便于指揮部對實驗方案進行調(diào)整，有效保障了監(jiān)控平臺對震源船的監(jiān)控，進一步提升安全生產(chǎn)的風險控制能力.同時根據(jù)3個點位信息計算的實時震源船航向，有助于準確把握震源船在進行固定點懸停激發(fā)時的航向，克服了以往使用前后兩個時刻推算的平均航向代替實時航向等問題.