北斗導(dǎo)航通信技術(shù)在船舶互聯(lián)控制中的應(yīng)用

曹 翔

(江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010)

0 引 言

近年來，海上航運(yùn)業(yè)的飛速發(fā)展使船舶數(shù)量迅速增加，海上航道和港口的船舶密度越來愈大，船舶碰撞事故時(shí)有發(fā)生，對(duì)海上航運(yùn)交通管理提出了更高要求。航運(yùn)船舶的精確定位、航線相鄰船舶動(dòng)態(tài)信息的準(zhǔn)確收集是提高船舶航行安全性的重要保障，對(duì)于船舶的監(jiān)控、交通管理等領(lǐng)域也有具有重要的意義。GPS 作為高精度導(dǎo)航與定位衛(wèi)星系統(tǒng)的代表，在船舶、汽車等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候的準(zhǔn)確定位，目前，GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為一項(xiàng)必要的裝備[1]。

相對(duì)于GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅有定位的功能，也有通信的功能，可以為用戶提供無源定位、授時(shí)等輔助功能。

本文的研究內(nèi)容是北斗導(dǎo)航通信技術(shù)在船舶互聯(lián)控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，基于北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信功能，開發(fā)了船舶互聯(lián)控制系統(tǒng)，提高海上交通安全管理水平。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間衛(wèi)星、地面控制段和用戶終端設(shè)備三部分組成。致力于向全球用戶提供高精度、高可靠性的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)并兼具短報(bào)文通信功能。短報(bào)文通信是北斗導(dǎo)航的特色功能，具有用戶與用戶，用戶與地面控制中心的雙向短報(bào)文通信功能。當(dāng)前北斗三號(hào)系統(tǒng)區(qū)域短報(bào)文通信能力達(dá)到每次14000bit（1000 漢字），全球短報(bào)文通信能力達(dá)560bit（40 個(gè)漢字）。不僅可進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，還可進(jìn)行點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的廣播通信。

北斗短報(bào)文通信流程如圖1 所示。

圖 1 北斗短報(bào)文通信流程圖Fig. 1 Beidou navigation system short message communication flowchart

北斗短報(bào)文通信流程如下：

1）首先用戶與地面控制中心建立數(shù)據(jù)通信鏈路，發(fā)送方將包含接收方識(shí)別碼和通信內(nèi)容的詢問信號(hào)加密后經(jīng)衛(wèi)星中繼轉(zhuǎn)發(fā)給地面控制中心；

2）地面控制中心接收到詢問信號(hào)后，經(jīng)解密和再加密處理后加入持續(xù)廣播的出站廣播電文中，通過衛(wèi)星中繼轉(zhuǎn)發(fā)給接收方；

3）接收方收到出站電文后，進(jìn)行解調(diào)和解密處理，得出電文內(nèi)容，即完成一次通信。短報(bào)文通信延時(shí)約0.5s，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為1 秒1 次[2]。

與GPS 及其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：

1）不同于GPS 僅具備定位功能，北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)具有通信功能，應(yīng)用場景更加廣泛。

2）北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)量多，可實(shí)現(xiàn)全球零盲區(qū)的覆蓋，滿足各類需求。

3）北斗系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的定位導(dǎo)航系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的安全性更高，保密性非常強(qiáng)，不論在軍事領(lǐng)域還是商業(yè)領(lǐng)域，都具有GPS 定位系統(tǒng)不具備的應(yīng)用前景。

2 基于北斗導(dǎo)航通信的船舶互聯(lián)控制系統(tǒng)開發(fā)

2.1 船舶互聯(lián)控制系統(tǒng)

船聯(lián)網(wǎng)是近年來興起的一種前沿技術(shù)，隨著互聯(lián)網(wǎng)、通信系統(tǒng)的發(fā)展，船舶之間的通信網(wǎng)絡(luò)已逐漸建立，基于通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)船舶互聯(lián)控制，提高海上交通管理水平，是船聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)目標(biāo)。

基于北斗導(dǎo)航與定位系統(tǒng)的通信功能，設(shè)計(jì)一個(gè)綜合性的船互聯(lián)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的關(guān)鍵部件包括北斗地面設(shè)備、北斗船載設(shè)備、數(shù)據(jù)總線、智能終端等，基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的船舶互聯(lián)控制系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖 2 基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的船舶互聯(lián)控制系統(tǒng)工作流程Fig. 2 Workflow of ship interconnection control system based on Beidou navigation system

此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能包括：

1）船舶定位導(dǎo)航

船舶自身的定位與導(dǎo)航是船舶互聯(lián)控制網(wǎng)絡(luò)的基本功能，基于北斗系統(tǒng)的無源BD 導(dǎo)航定位功能，船舶終端可實(shí)現(xiàn)米級(jí)的精確定位[3]。

2）區(qū)域內(nèi)船舶的信息獲取

首先，互聯(lián)控制系統(tǒng)的各個(gè)船舶將自己的定位信息通過北斗短報(bào)文發(fā)送至控制中心，短報(bào)文信息包括船舶類型、名稱、位置、航線、航行速度等。控制中心獲取區(qū)域內(nèi)船舶的數(shù)據(jù)后，利用電子海圖等工具將區(qū)域內(nèi)船舶的相關(guān)數(shù)據(jù)分享給周圍船舶，實(shí)現(xiàn)信息的共享和互聯(lián)互通。

3）船聯(lián)網(wǎng)功能

船舶互聯(lián)控制系統(tǒng)利用現(xiàn)場總線和北斗衛(wèi)星的無線通信能力，構(gòu)建以船舶終端、陸地基站、服務(wù)中心等為節(jié)點(diǎn)的船聯(lián)網(wǎng)。

2.2 基于北斗導(dǎo)航通信系統(tǒng)的定位解算與數(shù)據(jù)傳輸模式

船舶互聯(lián)控制系統(tǒng)的通信過程通過天線單元、接收器、船舶用戶終端等完成，通信過程中需采集星歷參數(shù)、時(shí)間參數(shù)等，船舶互聯(lián)控制系統(tǒng)的北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸如圖3 所示。

圖 3 互聯(lián)控制系統(tǒng)的北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸原理圖Fig. 3 Beidou satellite data transmission schematic diagram of the interconnected control system

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的通信模式是一種擴(kuò)頻通信，這種通信模式的可靠性高，信號(hào)模型可描述為：

式中：C為北斗通信的信號(hào)容量，B為信道的帶寬，S為信號(hào)的傳輸功率，N為衛(wèi)星通信的噪聲功率[4]。

擴(kuò)頻通信的優(yōu)點(diǎn)在于：

1）節(jié)省能量

在遠(yuǎn)距離的衛(wèi)星通信中，使用擴(kuò)頻通信可通過更小的信號(hào)發(fā)射功率獲得較客觀的通信容量，能夠降低衛(wèi)星通信系統(tǒng)的功率和能耗。

2）保密性強(qiáng)

信號(hào)通過頻帶寬度擴(kuò)大后，白噪聲含量較高，此時(shí)導(dǎo)航通信信號(hào)具有較高的隱蔽性，淹沒在白噪聲中。

船舶互聯(lián)控制系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)解析流程如圖4 所示。

圖 4 船舶互聯(lián)控制系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)解析流程Fig. 4 Communication data analysis flow of ship interconnection control system

北斗導(dǎo)航定位解算原理如下：

假設(shè)某時(shí)刻船舶終端的位置坐標(biāo)為（x，y，z），第j顆衛(wèi)星在空間直角坐標(biāo)系中的位置表示為（xj，yj，zj），北斗終端接收機(jī)鐘差為，可得定位解算方程為：

導(dǎo)航衛(wèi)星的位置可從導(dǎo)航電文中得知，方程中有4 個(gè)未知數(shù)，因此 ，要想解算出船舶終端的位置，必須要4 個(gè)方程，也就是說，至少需要測得4 顆衛(wèi)星至北斗終端設(shè)備的偽距，可得四維非線性方程組：

3 基于北斗導(dǎo)航通信的船舶互聯(lián)控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 接收機(jī)天線與射頻前端設(shè)計(jì)

船舶互聯(lián)控制系統(tǒng)采用的北斗終端天線能夠兼容多個(gè)工作頻率，采用的終端天線包括貼片天線、螺旋天線等。

系統(tǒng)的射頻前端負(fù)責(zé)北斗衛(wèi)星模擬信號(hào)的放大、變頻和AD 轉(zhuǎn)換等功能，包括帶通濾波器、噪聲放大器、本地振蕩器和AD 轉(zhuǎn)換等。

船舶互聯(lián)控制系統(tǒng)的射頻前端如圖5 所示。

圖 5 船舶互聯(lián)控制系統(tǒng)的射頻前端示意圖Fig. 5 Radio-frequency front end diagram of ship interconnection control system

3.2 船舶互聯(lián)控制系統(tǒng)的軟件程序開發(fā)

基于北斗導(dǎo)航通信的船舶互聯(lián)控制系統(tǒng)的軟件以數(shù)據(jù)庫為核心，主要包括通信控制模塊、信息顯示模塊和數(shù)據(jù)庫維護(hù)模塊。

數(shù)據(jù)庫為船舶互聯(lián)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、共享提供了平臺(tái)，是系統(tǒng)的核心部分。短報(bào)文通信信息及船舶信息均存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，因此，通信控制模塊、信息顯示模塊、數(shù)據(jù)庫維護(hù)模塊必須訪問數(shù)據(jù)庫才能實(shí)現(xiàn)各自功能。

通信控制模塊基于北斗短報(bào)文通信模塊，可實(shí)現(xiàn)船與船之間、船與岸之間、船與控制中心之間的短報(bào)文通信功能。

信息顯示模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶位置及其他船舶信息的查詢，并在系統(tǒng)界面上顯示。

數(shù)據(jù)庫維護(hù)模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出及用戶管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的日常維護(hù)。

北斗短報(bào)文通信模塊軟件設(shè)計(jì)流程如圖6 所示。

圖 6 基于北斗的船舶互聯(lián)控制系統(tǒng)顯示界面Fig. 6 Display interface of ship interconnection control system based on Beidou

船舶互聯(lián)控制系統(tǒng)軟件在windows 操作系統(tǒng)下開發(fā)，采用的開發(fā)工具為Visual Studio2012，使用的編程語言為C 語言，采用的數(shù)據(jù)庫為SQL 數(shù)據(jù)庫[5]?；赩isual Studio2012 開發(fā)的船舶互聯(lián)控制系統(tǒng)應(yīng)用功能包括：

1）串口通信功能

船舶互聯(lián)控制系統(tǒng)需要具備計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與外部硬件設(shè)備之間的串口通信，本文結(jié)合MSComm通信控件，建立了基于Windows 系統(tǒng)的串口通信功能。

2）信息顯示與參數(shù)設(shè)置功能

本文使用API 函數(shù)和HTML 控件，實(shí)現(xiàn)了船舶互聯(lián)控制系統(tǒng)的信息顯示界面，界面集成了船舶定位、通信信息顯示、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置按鈕，基于北斗的船舶互聯(lián)控制系統(tǒng)顯示界面如圖7 所示。

圖 7 基于北斗的船舶互聯(lián)控制系統(tǒng)顯示界面Fig. 7 Display interface of ship interconnection control system based on Beidou

4 結(jié) 語

北斗導(dǎo)航與通信系統(tǒng)是我國具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全球?qū)Ш脚c通信系統(tǒng)，對(duì)我國船舶、汽車等工業(yè)領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。本文結(jié)合北斗導(dǎo)航與通信系統(tǒng)的通信功能，開發(fā)了船舶互聯(lián)控制系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的軟件硬件構(gòu)成、通信模式等內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的分析和研究。