基于北斗短報(bào)文模塊的航標(biāo)遙控遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡潤(rùn)東 徐松穎 姜林 蔡昊

摘 要：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)正在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，而北斗短報(bào)文功能是北斗系統(tǒng)區(qū)別于其他同類導(dǎo)航系統(tǒng)的獨(dú)特功能。針對(duì)當(dāng)前航標(biāo)終端系統(tǒng)中還沒(méi)有成功應(yīng)用北斗短報(bào)文模塊的現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了基于北斗短報(bào)文模塊的航標(biāo)遙控遙測(cè)系統(tǒng)，利用串口技術(shù)實(shí)現(xiàn)了北斗短報(bào)文信息的接收和發(fā)送，并利用北斗定位模塊中的時(shí)間信息，設(shè)計(jì)了航標(biāo)燈的定時(shí)亮滅遙控。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有助于北斗短報(bào)文模塊在航標(biāo)終端中的應(yīng)用與產(chǎn)品研發(fā)。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng);短報(bào)文;航標(biāo)終端

中圖分類號(hào)：U644? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2022）02-0067-03

長(zhǎng)江航道被譽(yù)為“黃金水道”，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了重要支撐。在《武漢長(zhǎng)江中游航運(yùn)中心總體規(guī)劃》中，要求增強(qiáng)干線航運(yùn)能力、改善支流通航條件、健全智能服務(wù)和安全保證系統(tǒng)，這為長(zhǎng)江航運(yùn)提出了更高的要求。

航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)在航運(yùn)保障過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。目前航標(biāo)燈無(wú)線通信通常為GPRS＼3G＼4G移動(dòng)通訊模式，對(duì)于通信基站分布比較稀疏的地方會(huì)存在航標(biāo)燈終端與服務(wù)器通訊異常。在寬闊的水域和流經(jīng)高山區(qū)域的航道，這種因通訊不暢而導(dǎo)致的航標(biāo)燈報(bào)警現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮，為航標(biāo)燈遙測(cè)遙控信息管理帶來(lái)較多困難，對(duì)航道保障帶來(lái)了極大的隱患。

在我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)成功建設(shè)并廣泛應(yīng)用的背景下，國(guó)內(nèi)的科研人員對(duì)于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在航標(biāo)燈遙測(cè)遙控中的作用進(jìn)行了充分的探索。宓宗龍[1]介紹了連云港航標(biāo)處在使用的各型北斗遙測(cè)終端產(chǎn)品以及監(jiān)管手段，對(duì)不同廠家產(chǎn)品實(shí)際使用情況進(jìn)行對(duì)比，提出了航標(biāo)用北斗遙測(cè)終端軟硬件優(yōu)化的設(shè)想。宋廣軍[2]基于衛(wèi)星和通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)技術(shù)設(shè)計(jì)了航標(biāo)燈智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)航道環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)可以獲取航標(biāo)燈位置信息、燈質(zhì)參數(shù)、航道水位及水深參數(shù)，利用GPRS通訊模塊將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回服務(wù)器，在服務(wù)器端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在出現(xiàn)險(xiǎn)情之前可以發(fā)出預(yù)警信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)航標(biāo)燈的遙測(cè)遙控。該系統(tǒng)較好地保證了船舶航行安全，能夠及時(shí)進(jìn)行航道維護(hù)，具有成本低、可靠性高、實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)[2]。

針對(duì)如何處理采用北斗短報(bào)文通信方式的航標(biāo)燈上傳的數(shù)據(jù)并直觀展示給管理用戶的問(wèn)題，鄭偉[3]研究分析了北斗短報(bào)文通信協(xié)議，解析了電文內(nèi)容格式，運(yùn)用VS.2017（Visual Studio.2017）設(shè)計(jì)了基于C/S（Client/Server）構(gòu)架下的航標(biāo)燈監(jiān)視平臺(tái)，用以實(shí)現(xiàn)將航標(biāo)燈的位置、水文、氣象、電源狀態(tài)等數(shù)據(jù)顯示功能，并開(kāi)展了航標(biāo)燈監(jiān)視平臺(tái)測(cè)試[4]。鄭偉，秦實(shí)宏應(yīng)用北斗定位及短報(bào)文通信技術(shù)，進(jìn)行航標(biāo)燈定位，以及航標(biāo)燈與監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。該設(shè)計(jì)增強(qiáng)了航標(biāo)燈的通信能力，拓寬了北斗的應(yīng)用范圍[5]。馬甲林[6]在對(duì)虛擬AIS航標(biāo)設(shè)計(jì)中探索了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用，分析了基于北斗短報(bào)文服務(wù)的航標(biāo)建設(shè)、虛擬航標(biāo)、水上安全信息播發(fā)、應(yīng)急救援等具體應(yīng)用，以北斗分理服務(wù)平臺(tái)為例[7]， 闡述其作為統(tǒng)一平臺(tái)的功能和優(yōu)勢(shì)， 為實(shí)現(xiàn)救援及其他服務(wù)提供便捷的途徑。曹愛(ài)玲[8]基于中國(guó)自主研發(fā)的北斗系統(tǒng)，利用短信雙向通信的能力，提出了基于北斗短信的船舶通信系統(tǒng)的研究。在船舶通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，以 STC12C5A60S 單片機(jī)為主控制器，北斗 RDSS 短信通信板 TM8620 為通信單元。設(shè)計(jì)適合船舶數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議和控制算法，采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，給出了系統(tǒng)的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)。

王志威[9]基于北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信設(shè)計(jì)了智能航標(biāo)燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，對(duì)目前未覆蓋全球移動(dòng)通信系統(tǒng)的海域進(jìn)行航道管理。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)航標(biāo)燈狀態(tài)數(shù)據(jù)檢測(cè)、航標(biāo)燈位置測(cè)控及航標(biāo)燈周圍海域環(huán)境的監(jiān)控，并將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)北斗衛(wèi)星通信傳送給服務(wù)器，由服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，以及發(fā)出預(yù)警信息并儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。陳正輝[10]介紹北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，然后詳細(xì)的闡述了北斗定位功能性的作用機(jī)理，最后論述了北斗短報(bào)文通訊功能的可行性，研究成果對(duì)促進(jìn)導(dǎo)航系統(tǒng)在航運(yùn)的進(jìn)一步使用起到一定的推動(dòng)作用。王亞飛[11]在調(diào)研了廣東省航標(biāo)遙測(cè)技術(shù)的北斗應(yīng)用需求基礎(chǔ)上，提出了通過(guò)北斗短報(bào)文功能開(kāi)展航標(biāo)遙測(cè)遙控工作的通信協(xié)設(shè)計(jì)原則，并針對(duì)設(shè)計(jì)的協(xié)議命令開(kāi)展了實(shí)地測(cè)試，驗(yàn)證了北斗短報(bào)文通信功能在航標(biāo)遙測(cè)遙控應(yīng)用中的可用性。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗短報(bào)文服務(wù)通過(guò)用戶端、衛(wèi)星端及控制中心端實(shí)現(xiàn)雙向通信，在定位的同時(shí)用戶位置報(bào)告通信，實(shí)現(xiàn)定位與通信的集成，可以為不同行業(yè)眾多用戶提供定位、短報(bào)文信息轉(zhuǎn)發(fā)等服務(wù)[6]。

作為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)區(qū)別于其他全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)的功能，北斗短報(bào)文具有諸多優(yōu)點(diǎn)。北斗短報(bào)文直接利用衛(wèi)星進(jìn)行通訊，可以不受周圍基礎(chǔ)設(shè)施的限制，沒(méi)有通訊盲區(qū)，信息加密傳輸安全。在4G信號(hào)不能覆蓋的區(qū)域如海上區(qū)域、發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域等，可以利用北斗短報(bào)文通訊。北斗短報(bào)文可以實(shí)時(shí)向外界發(fā)送自己的位置信息，在緊急情況下有助于及時(shí)救援。

由于短報(bào)文通訊容量的限制，民用通信容量通常為628bit;民用通信頻度在1min左右;北斗短報(bào)文只能在北斗系統(tǒng)的范圍內(nèi)使用，應(yīng)用范圍有一定限制。

2 基于北斗短報(bào)文模塊的航標(biāo)終端設(shè)計(jì)

利用北斗短報(bào)文模塊設(shè)計(jì)了航標(biāo)終端，如圖1所示。該方案的設(shè)計(jì)目的是應(yīng)用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的短報(bào)文通信技術(shù)和北斗定位技術(shù)，當(dāng)航標(biāo)與服務(wù)器端的通信受到基站限制時(shí)，可以采用短報(bào)文通訊功能實(shí)現(xiàn)對(duì)航標(biāo)的遙控遙測(cè)，以此拓寬北斗系統(tǒng)在航標(biāo)中的應(yīng)用范圍。

該方案采用了北斗系統(tǒng)進(jìn)行定位，用北斗短報(bào)文模塊進(jìn)行通訊，所采集的數(shù)據(jù)包括航標(biāo)燈狀態(tài)信息、亮滅信息、電源信息、終端信息、通訊狀況等內(nèi)容，各個(gè)模塊的功能如下：

（1）航標(biāo)燈終端。接收航標(biāo)燈終端的位置數(shù)據(jù)、電源電壓、終端電壓、航標(biāo)燈燈器信息，按北斗短報(bào)文通信格式處理打包，每1分鐘向終端管理中心發(fā)送打包后的短報(bào)文。接收來(lái)自服務(wù)器端發(fā)出的控制指令，按短報(bào)文通信協(xié)議對(duì)收到的指令進(jìn)行解析，實(shí)現(xiàn)對(duì)航標(biāo)燈的遙控。

（2）終端管理中心。按北斗短報(bào)文通信協(xié)議解包，實(shí)時(shí)更新、顯示航標(biāo)位置、電源電壓、終端電壓、航標(biāo)燈信息。對(duì)所有航標(biāo)數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，供管理人員提取相關(guān)數(shù)據(jù)。對(duì)航標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化顯示。

（3）航標(biāo)終端軟件設(shè)計(jì)?？梢栽诤綐?biāo)終端上同時(shí)加載4G通訊模塊，在航標(biāo)終端軟件中加載對(duì)當(dāng)前4G通訊狀態(tài)的判斷條件。當(dāng)4G網(wǎng)絡(luò)能夠覆蓋該區(qū)域時(shí)，則采取4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行航標(biāo)燈與服務(wù)器系統(tǒng)的通訊聯(lián)系。當(dāng)4G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較弱或沒(méi)有4G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)時(shí)，則采用北斗短報(bào)文模塊進(jìn)行通訊。航標(biāo)終端軟件設(shè)計(jì)如圖2所示。

3 基于北斗短報(bào)文模塊的航標(biāo)終端樣品及實(shí)驗(yàn)

利用上述研究方案制作了基于北斗短報(bào)文模塊的航標(biāo)終端樣品。如圖3所示。利用串口方式連接北斗短報(bào)文模塊和航標(biāo)終端，在服務(wù)器端用串口將北斗短報(bào)文模塊與計(jì)算機(jī)連接，用于接收終端發(fā)出的短報(bào)文信息，以及發(fā)出由計(jì)算機(jī)發(fā)送的遙控信息，如圖4 所示。

通過(guò)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)了北斗短報(bào)文信息的解讀，服務(wù)器端航標(biāo)通訊控制軟件界面如圖5所示。在服務(wù)器端發(fā)送通信申請(qǐng)，當(dāng)航標(biāo)終端的短報(bào)文模塊及服務(wù)器端的短報(bào)文模塊都正常連接后，可以獲取當(dāng)前終端所在的位置信息。可以在軟件界面中直接獲取當(dāng)前航標(biāo)燈的亮滅狀態(tài)，也可以發(fā)送指令控制航標(biāo)燈的亮滅。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于北斗短報(bào)文通訊模塊的航標(biāo)終端系統(tǒng)，用于在4G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較弱不能通訊或4G信號(hào)不能完全覆蓋情況下的航標(biāo)終端遙控遙測(cè)。制作了航標(biāo)終端樣品，并通過(guò)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)了北斗短報(bào)文的接收和發(fā)送?？梢栽诜?wù)器端通過(guò)對(duì)北斗短報(bào)文的解析獲取當(dāng)前航標(biāo)燈的亮滅狀態(tài)信息，也可以發(fā)送指令控制航標(biāo)燈的亮滅狀態(tài)。本文研究有助于進(jìn)行基于北斗短報(bào)文模塊的航標(biāo)終端實(shí)體的產(chǎn)品制作。

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