基于單北斗定位及北斗短報文通訊的航標(biāo)遙測遙控終端設(shè)計

陳正輝 湖南省水運建設(shè)投資集團有限公司

1.項目背景及必要性

北斗衛(wèi)星定位與導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡稱北斗系統(tǒng)）是我國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨立運行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是國家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。

高精度位置服務(wù)可以為航道管理部分及時掌握航標(biāo)精確的工作狀態(tài)與相關(guān)信息，做到及時、有針對性地對航標(biāo)設(shè)施進(jìn)行維護與檢修，提供管理效率。由此可見，將北斗系統(tǒng)應(yīng)用于航標(biāo)設(shè)施的管理，非常有必要，概括如下：

（1）《國家衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》在提供服務(wù)的國家實施重要戰(zhàn)略的必要性中提出，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其兼容產(chǎn)品要廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的重要部門和重點領(lǐng)域。交通運輸是國民經(jīng)濟中必不可少的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是高隆建設(shè)報告的延續(xù)，是協(xié)同發(fā)展的重要領(lǐng)域和特色內(nèi)河航運帶。

（2）目前我國的內(nèi)河發(fā)展在我國的水運發(fā)展戰(zhàn)略中，加大力度發(fā)展內(nèi)河的船舶運輸逐步成為我國水運行業(yè)的重要地位，因此智能化、快速化、便捷化的發(fā)展內(nèi)河水運成為我國研究學(xué)者的熱門課題。

GPS定位系統(tǒng)為美國所研發(fā)，其衛(wèi)星受美國控制，在特定時期如果GPS定位信號一旦失效，內(nèi)河航運各項業(yè)務(wù)將受到嚴(yán)重干擾，這種安全保障風(fēng)險更加突出。

（3）是內(nèi)河航道業(yè)務(wù)信息化深入發(fā)展的需要。在內(nèi)河航道業(yè)務(wù)中，衛(wèi)星定位技術(shù)目前主要應(yīng)用在航道地形測繪、航標(biāo)遙測監(jiān)控、工作船舶監(jiān)管、航道工程建設(shè)施工管理等業(yè)務(wù)中。當(dāng)前內(nèi)河航道業(yè)務(wù)中的衛(wèi)星定位應(yīng)用主要使用美國GPS系統(tǒng)，存在信號源缺失、安全保障水平低、定位精度不足、定位基礎(chǔ)設(shè)施不完善等問題。

（4）同時基于目前內(nèi)河航道的現(xiàn)狀，大量航道流域附近遠(yuǎn)離城市及鄉(xiāng)村居住區(qū)，存在著大量電信運營商基站覆蓋不到的位置。傳統(tǒng)基于的4G通訊的航標(biāo)遙測遙控終端在這類地方會存在較多因為運營商信號覆蓋無或者信號覆蓋弱而導(dǎo)致的通訊問題。

2.單北斗定位的功能可行性

在選取了多家國內(nèi)制作北斗模塊的領(lǐng)先廠家，對比各個模塊在北斗定位時的效果，從系統(tǒng)抗干擾性、搜星質(zhì)量等一系類指標(biāo)進(jìn)行分析評估后，最終選擇確定一款適用于單北斗航標(biāo)的北斗定位模塊（夢芯MXT903BD）。再通過定位模塊選型、RTU電路板改造、運行程序優(yōu)化、現(xiàn)場定位測試等，歷時6個月研發(fā)完成了單北斗定位航標(biāo)終端，并于2019年5月在湘西沅水段進(jìn)行了單北斗定位航標(biāo)終端的測試工作。針對測試的情況并對單北斗定位航標(biāo)終端在運行程序、RTU電路、定位天線等多方面做了設(shè)計改進(jìn)。

3.北斗短報文通訊功能可行性

北斗通信模塊將來自控制系統(tǒng)的信息調(diào)制后，在1616MHz信道上發(fā)射航標(biāo)信息，在2492MHz信道上接收到運營中心返回的回執(zhí)信息。航標(biāo)信息按照設(shè)定的周期上報時間及定時刻上報時間發(fā)射數(shù)據(jù),無論是否接收到回執(zhí)信息。北斗通信模塊配備唯一的SIM卡。

RTU集成的北斗通信模塊包括收發(fā)射頻芯片，基帶芯片，PA電路(10W)及LNA電路，同時還集成北斗/GPS 雙模導(dǎo)航模塊，可通過內(nèi)置無源天線即可實現(xiàn)北斗一代的短報文通信功能和北斗B1+GPS L1 的聯(lián)合定位導(dǎo)航功能。系統(tǒng)集成度高，體積小。

終端采用北斗短報文通訊方式向業(yè)務(wù)平臺報送數(shù)據(jù)的上行工作流程見圖1。

圖1 航標(biāo)遙測遙控終端系統(tǒng)基于北斗短報文通訊方式工作流程（上行）

基于北斗短報文通訊方式的RTU下行工作流程與上行類似，即業(yè)務(wù)平臺通過以上工作流程逆向雙工地對RTU實施系統(tǒng)設(shè)置、系統(tǒng)重啟和遠(yuǎn)程升級等。航道動態(tài)通訊平臺基于北斗短報文通訊方式向RTU傳輸數(shù)據(jù)的下行工作流程見圖2。

圖2 航標(biāo)遙測遙控終端系統(tǒng)基于北斗短報文通訊方式工作流程（下行）

本模塊設(shè)計中的通信管理在設(shè)計平臺中的主要作用為航道信息交互的紐帶，協(xié)議處理模塊主要作用保證各信息處理插件能夠按照協(xié)議進(jìn)行信息入?yún)⒑统鰠㈤g的傳遞，通信檢測模塊的主要作用為報文間能夠按照不同方式進(jìn)行通信方式的切換。

航標(biāo)遙測遙控終端RTU與航道通訊平臺間采用北斗短報文通信方式。航標(biāo)遙測遙控終端RTU定時、定時刻向服務(wù)端上傳數(shù)據(jù)、主動發(fā)送報警報文、響應(yīng)航道動態(tài)通訊平臺查詢及設(shè)置。

航標(biāo)遙測遙控終端RTU可根據(jù)實際情況選用內(nèi)置北斗短報文模塊和外置北斗短報文一體機。

（1）內(nèi)置北斗短報文模塊。該模塊主要是以集成雷達(dá)芯片為基礎(chǔ)，鏈接信號發(fā)射器、解釋器等進(jìn)行合并通信，同時在集成線路中內(nèi)嵌基帶電路等。

（2）外置北斗短報文一體機。外置北斗短報文一體機采用模塊和天線一體化設(shè)計，與RTU終端通過RS232串口進(jìn)行通信。選用博納雨田的模塊TM0510TS8612一體機內(nèi)部集成RDSS等模塊。此外該產(chǎn)品還具有較高精度的集成度，同時擁有一定的低耗能等。TS8612 一體機體積小巧、功耗低，連接簡單、操作方便，非常適應(yīng)于船艦導(dǎo)航、位置上報及短報文通信等大規(guī)模應(yīng)用。全天候的定位導(dǎo)航和雙向報文通信功能；采用防水設(shè)計，可在室外可靠工作。

4.結(jié)論

本設(shè)計對航標(biāo)遙測遙控終端的定位及通訊有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了以上的創(chuàng)新后，具有如下優(yōu)勢：

（1）先進(jìn)性與安全性。當(dāng)前內(nèi)河航道的與位置服務(wù)有關(guān)的業(yè)務(wù)全部依賴GPS，定位模式單一。但GPS受美國控制，一旦失效，日常的航道維護管理和以內(nèi)河電子航道圖為載體的航道綜合服務(wù)將產(chǎn)生混亂。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨立運行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，采用北斗系統(tǒng)則完全不受此影響，安全性有保障。

圖3 航標(biāo)遙測遙控終端數(shù)據(jù)通信模塊設(shè)計

（2）成熟性和兼容性。在定位模塊的變更設(shè)計中，為充分考慮功耗，使設(shè)計變更導(dǎo)致整機功耗增加的可能性降低，增加了通過I/0方式對北斗模塊電源供電的控制功能，可以做到完全省電。

（3）示范帶動作用。為積極響應(yīng)并落實推進(jìn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在內(nèi)河航運應(yīng)用全覆蓋的實施，對定位和通訊有關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計，明確提出采用北斗定位模塊和北斗短報文通訊模塊。本設(shè)計變更是在湖南內(nèi)河航道要素動態(tài)監(jiān)測和航道日常維護管理業(yè)務(wù)中率先應(yīng)用北斗系統(tǒng)，必將為湖南航道建設(shè)工程航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)建設(shè)帶來北斗系統(tǒng)應(yīng)用的積極示范效應(yīng)。