基于北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)的船載終端串口通信

李宏豆,杜美凈,崔冬睿

(河北神舟衛(wèi)星通信股份有限公司,河北 石家莊 050200)

0 引言

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的一種自主導(dǎo)航系統(tǒng),它擁有自己的自主知識產(chǎn)權(quán),不受任何國家的影響,可以實現(xiàn)全球巡邏的衛(wèi)星系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的功能很多,不僅可以免費提供衛(wèi)星定位,還可以免費提供開放服務(wù),對我國的海事事業(yè)作出了重大貢獻。航標(biāo)系統(tǒng)就是從這里誕生的,它也因此成了海上交通安全保障體系的重要組成部分。在海上航行時,若能見度很低時,航標(biāo)體系會通過不停地閃爍燈光、改變燈色等行為,來提醒附近的船只,避免發(fā)生危險。綜上所述,對航標(biāo)進行有效的監(jiān)控和精準(zhǔn)管理,不僅可以讓航標(biāo)變得更加準(zhǔn)確,還可以保證航船在行駛過程中的安全。

1 北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)船載終端

1.1 船載終端系統(tǒng)簡介

北斗衛(wèi)星通信船載終端是將中國衛(wèi)通的“中寰無限”平臺作為基礎(chǔ),整合了北斗衛(wèi)星、世廣衛(wèi)星、 GPS等多項資源,實現(xiàn)了對車輛、船舶等移動對象的監(jiān)控、指揮、防盜、導(dǎo)航等多項功能[1]。該系統(tǒng)可以接收來自漁業(yè)管理機構(gòu)的氣象、海洋情況和災(zāi)害預(yù)報;可以為漁船提供精確定位和相關(guān)狀態(tài);可以記錄漁船的航行軌跡及發(fā)生的各種情況;還可以配置油量傳感器,檢測油箱油量,并上報可續(xù)航船里程。該系統(tǒng)完成了北斗衛(wèi)星的短報文通信,可以對海洋漁業(yè)資源和漁船進行高效安全的生產(chǎn)管理,可以對漁船的位置進行精確定位與實時監(jiān)控,還可以對各類信息進行快速查詢并以圖形化的方式將其分布情況呈現(xiàn)出來。

北斗衛(wèi)星的通信模塊是由北斗衛(wèi)星的功率放大芯片、功能芯片、射頻發(fā)送芯片、無線定位系統(tǒng)等組成,具有體積小、節(jié)能減耗、精度高等特點,能夠滿足人們對精確定位和通信信息精準(zhǔn)傳遞的需要。在海上航行時,北斗衛(wèi)星系統(tǒng)能夠?qū)⒑綐?biāo)附近的信息及時地發(fā)送出去,且精度很高。系統(tǒng)能將航標(biāo)信息與周邊的海域特征、天氣狀況相結(jié)合,并將這些信息通過電纜準(zhǔn)確地傳送給航標(biāo)終端。綜合了這些有用的信息,航標(biāo)燈的管理人員能夠及時觀察到航標(biāo)燈周圍信息的變化,做出相應(yīng)的警告,保證船只的安全航行[2]。

1.2 船載終端系統(tǒng)組成

船載終端是“北斗-中寰無限”平臺的核心部件,將北斗、世廣、 GPS三大核心技術(shù)融合在一起。在與岸上監(jiān)測中心進行通信的同時,船載終端將文本和 CPS的位置信息傳輸?shù)奖倍?再將其傳輸?shù)降孛娼邮照?最后通過互聯(lián)網(wǎng)將其傳輸?shù)接脩羰种小?shù)據(jù)下行經(jīng)世廣衛(wèi)星,岸上監(jiān)測中心把文本信息傳送到衛(wèi)星地面接收站,再把文本信息傳送到世廣衛(wèi)星,最終把世廣衛(wèi)星傳送到船舶上的終端。通過分析,可以得出艦載終端與監(jiān)控中心以及其他艦載終端間的通信信息定義。所述船舶上的終端可以向所述監(jiān)測中心發(fā)出指令,以查詢其他船舶上衛(wèi)星終端的經(jīng)緯度;也可以向監(jiān)控室或其他船只的終端發(fā)送短信息。艦載衛(wèi)星終端機接收監(jiān)測中心發(fā)出的指令,并將經(jīng)緯度等信息傳送到監(jiān)測中心。

1.3 船載終端主要功能

(1)定位功能:在接收到位置信息后,將位置、時間、速度、方向、精度、GPS可利用的衛(wèi)星數(shù)目等信息輸出到串接口,向其他終端提供定位信息。

(2)通訊功能:通過 SMS與監(jiān)控室進行通信,一次發(fā)送不多于120個漢字的信息。

(3)報警功能:可以將本地位置、救援方法等信息的內(nèi)容發(fā)送到主站、其他終端、監(jiān)控中心。

(4)區(qū)域報警:監(jiān)控中心可以為終端劃分1個或多個報警區(qū)域(以經(jīng)緯度為基準(zhǔn))。在終端進入這個區(qū)域之后,會發(fā)出聲光報警。

(5)控制命令:接收指揮中心的命令,執(zhí)行相應(yīng)的命令,如開啟或關(guān)閉監(jiān)聽、開啟或者關(guān)閉警報、熄火、左右轉(zhuǎn)向等。

(6)終端機位置報告:終端機可以按照監(jiān)控室發(fā)出的報告次數(shù)(5 s—255 d)來報告自己的位置,讓監(jiān)控室對終端機進行監(jiān)視。

(7)狀況報告:終端可以在進出指定位置時,將指示發(fā)送給監(jiān)測中心。

(8)信源保密功能:該功能采用CDMA擴頻方式,每個用戶根據(jù)這個多項式生成唯一的擴頻碼,終端根據(jù)擴頻碼把數(shù)據(jù)傳送到衛(wèi)星。下行鏈路的信息則是一種被主站加密過的密碼。當(dāng)終端收到后,會將 SIM卡發(fā)送過去,然后對其進行解密。這種“端到端”的安全體系能夠相互配合,確保信息的保密性。

2 北斗衛(wèi)星的串口通信關(guān)鍵技術(shù)

2.1 串口通信系統(tǒng)概述

北斗船載終端是一種由主機與浮力解除機構(gòu)構(gòu)成的系統(tǒng),其在落入水中時,需具備自動浮起與解除的能力。靜水壓力釋放器的形式有很多種,最主要的表現(xiàn)就是在釋放執(zhí)行機構(gòu)上有很大的不同。其工作原理是利用水壓力讓內(nèi)部的膜片產(chǎn)生變形,從而引發(fā)內(nèi)部的釋放執(zhí)行機構(gòu)動作。以靜水壓力釋放器為例,它的內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)核心組件由膜片、卡扣、彈簧和鎖定柱等組成[3]。在正常的情況下,帶有固定孔隙的鎖定柱在彈簧彈力的作用下,被卡扣牢固地固定在釋放器的腔體內(nèi)部。當(dāng)水流進釋放器內(nèi)部的腔室以后,在水的壓力作用下,內(nèi)部膜片會發(fā)生一定的變形。當(dāng)這種變形力大于彈簧的彈力之后,就會使彈簧被壓縮。當(dāng)彈簧被壓縮到一定的程度以后,會導(dǎo)致固定鎖定柱的卡扣脫落,鎖定柱會從釋放器腔體的內(nèi)部脫落,從而實現(xiàn)釋放功能。

2.2 串口通信系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)

北斗船載終端同時具有北斗定位、短報文通信等多項功能,其安裝與使用對設(shè)備的位置要求很高,故應(yīng)盡量將其設(shè)置在船舶較高的位置(臺風(fēng)時更易遭受強風(fēng)的影響),以便在船舶發(fā)生危險或下沉?xí)r,其主機能夠迅速脫離固定基座,浮出水面以示位置預(yù)警。當(dāng)將常規(guī)的靜液壓釋放器用作裝置的主機與固定基座的連接機構(gòu)時,一方面,靜液壓釋放器的單體體積比較大;另一方面,需要考慮與釋放器本身結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的釋放方式。因此,裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計受到了很大的限制。由于釋放器內(nèi)的鎖緊螺栓是依靠膜片、卡扣以及彈簧之間的力來將其緊緊地固定在空腔內(nèi)部,鎖緊螺栓之間有可以移動的空隙,無法進行可靠的鎖緊,這就造成了裝置主機與固定基座之間留存的空隙很大,如果安裝在震動比較大的環(huán)境之中,就可能會有掉下來的危險。對于設(shè)備主機或固定底座一方的結(jié)構(gòu)件,要用鎖緊螺栓配合鎖緊螺栓上面的固定孔隙來固定。在落水釋放時,為了讓設(shè)備主機與固定底座能夠迅速、徹底地脫離,通常都會在二者之間設(shè)置一根具有一定彈性的不銹鋼彈簧。在組裝整個設(shè)備時,要靠著外力對彈簧進行適當(dāng)?shù)膲嚎s,這樣才能讓插頭正好可以通過鎖定柱上的固定孔,而鎖定柱是可以旋轉(zhuǎn)的,所以組裝起來既煩瑣又耗時。

3 北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信息工作

3.1 通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測

北斗數(shù)據(jù)監(jiān)測中心是北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要組成部分。通過利用數(shù)據(jù)監(jiān)控中心,系統(tǒng)能夠?qū)Ξ?dāng)前的數(shù)據(jù)信息進行實時的了解,并進行預(yù)報預(yù)警,在它的內(nèi)部除了有衛(wèi)星指揮型終端,還包含了數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)器和水情數(shù)據(jù)庫等。數(shù)據(jù)監(jiān)控中心負責(zé)對相關(guān)的數(shù)據(jù)進行管理分析,還要確保系統(tǒng)的各項功能可以正常運行。北斗監(jiān)控中心的終端會根據(jù)收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析運算,從而判斷出使用者的所在地點;再將與之相關(guān)的信息,發(fā)送到使用者的手中。衛(wèi)星接收終端兼收性好、容納性強能夠同時接收500多個下一等級用戶的信息。除此以外,還能和全球定位系統(tǒng)連接,能夠?qū)τ脩舻木唧w位置進行準(zhǔn)確的定位。另外,衛(wèi)星的接收終端還有一個通播的功能,在系統(tǒng)將相關(guān)的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給用戶時,其通信傳送的基本方式類似于廣播,即可以通過系統(tǒng),將數(shù)據(jù)信息同時傳送給下屬的終端。

基于“中寰無限”信息平臺的通信理論,監(jiān)測中心的信息經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)叫l(wèi)星地面接收站,再由后者傳輸?shù)奖倍沸l(wèi)星通信系統(tǒng)。在此過程中,因為網(wǎng)絡(luò)的原因,可能會出現(xiàn)丟包等錯誤,所以串口通信軟件必須識別出文本信息的正確性。在經(jīng)過較為復(fù)雜的航行線路時,當(dāng)信號問題積累到一定程度時,就會造成進一步的定位誤差,這種情況下往往會造成系統(tǒng)接收不到正確的定位信息,導(dǎo)致下一階段的航行出現(xiàn)偏差。所以,在程序中要增加判斷語句,剔除無效的數(shù)據(jù),將有效的數(shù)據(jù)進行下一步。

3.2 通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理

同時,在此基礎(chǔ)上,通過在系統(tǒng)中設(shè)置數(shù)據(jù)處理單元,實現(xiàn)對各類數(shù)據(jù)的集中處理,從而實現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的高效處理。其次,為了保證監(jiān)控中心與各數(shù)據(jù)服務(wù)器間的信息互通,本文提出了一種新的解決方案。在北斗衛(wèi)星通信監(jiān)測中心,用于接收相關(guān)信息和數(shù)據(jù)的服務(wù)器,主要有2個通道:一個是因特網(wǎng),另一個是衛(wèi)星。兩者的作用也是天差地別。利用互聯(lián)網(wǎng)可以更快速、穩(wěn)定地傳遞有關(guān)數(shù)據(jù)信息,以網(wǎng)絡(luò)IP協(xié)議為基礎(chǔ),與北斗衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,使其在接收數(shù)據(jù)時更加方便、高效;而通過衛(wèi)星將資料和資料傳送給伺服器,則是通過衛(wèi)星通信協(xié)定來接收資料[4]。為了保證系統(tǒng)在任何時候都能穩(wěn)定的工作,需要一個數(shù)據(jù)庫作為支撐。所以,在對水情進行測報和監(jiān)測的時候,需要基于監(jiān)控中心來構(gòu)建與之對應(yīng)的水情數(shù)據(jù)庫,這既有利于大數(shù)據(jù)的檢索和利用,也能極大地提高對有關(guān)數(shù)據(jù)的存儲和備份的效率。

4 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端發(fā)展趨勢

4.1 芯片化

目前,我國已在多模式、多頻段等多個方面取得了重大突破,但其核心技術(shù)尚不完善。從芯片的觀點出發(fā),北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端應(yīng)該具備如下特點:

(1)具有可以進行快速導(dǎo)航定位、信號處理、數(shù)據(jù)通信以及人機互動的高性能和高度集成化的導(dǎo)航信號處理器;(2)具備高精度全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)定位技術(shù),可為衛(wèi)星提供高精度的空間位置信息;(3)具有智能化處理功能,采用先進的基帶與RF處理算法,能夠滿足各種應(yīng)用場合的需求,進行快速、動態(tài)的定位與導(dǎo)航;(4)提供了支持多個通信協(xié)議、多個應(yīng)用程序函數(shù)的豐富界面。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)化

我國在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端的發(fā)展過程中,已經(jīng)逐漸建立起了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端的標(biāo)準(zhǔn)體系,這也是我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備可以持續(xù)取得成功,并在全球市場中占有更高市場份額的重要保證。從當(dāng)前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端產(chǎn)品的使用現(xiàn)狀來看,要想推動其使用,推動該行業(yè)的發(fā)展,需要重點做好如下工作:

(1)研究并完善與之配套的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前,國家已建立了一套從設(shè)計、制造到檢測驗收的北斗終端技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。然而,在建立并健全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的過程中,還應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域,在不同的時間階段展開相應(yīng)的研發(fā)工作,并與國內(nèi)外的技術(shù)發(fā)展趨勢以及用戶的使用需求相結(jié)合,逐漸構(gòu)建一個功能豐富、性能穩(wěn)定、兼容性好、成本低的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端標(biāo)準(zhǔn)化體系。

(2)逐步構(gòu)建北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的測試系統(tǒng)。目前,國內(nèi)已有一套針對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端的測試系統(tǒng),但測試手段相對單一,對其產(chǎn)品質(zhì)量造成了一定的影響。為此,有必要根據(jù)不同的應(yīng)用要求,對其進行有效的檢測。

(3)支持我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)設(shè)備,積極地參加相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)的制訂。在國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定相關(guān)規(guī)則的過程中,我國應(yīng)企業(yè)充分發(fā)揮自身在技術(shù)、生產(chǎn)和市場等方面的優(yōu)勢,積極參加標(biāo)準(zhǔn)組織所進行的系列工作。在參與國際標(biāo)準(zhǔn)化活動中,提升我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備的知名度和美譽度,逐漸擴大我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端產(chǎn)品在國際市場中的影響力。

5 結(jié)語

總體來看,中國北斗已有20多年的歷史,已形成了一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈。中國北斗將在今后的工作中,不斷加強該系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用。隨著我國北斗技術(shù)的發(fā)展,中國北斗在 GNSS領(lǐng)域的地位也將越來越重要。通過該方法開發(fā)的軟件,能夠使航行中的船只很好地掌握本船所處準(zhǔn)確的地理位置。通過這一數(shù)據(jù)航行中的船只能夠及時地判斷出其他船只的地理位置,這對于避碰、避險有很大的幫助。通過本系統(tǒng)實現(xiàn)了與監(jiān)測中心的對接,為各船公司之間的信息交換提供了一個重要的通道。交通管理部門可以通過船載終端軟件,將陸地監(jiān)控中心收到的數(shù)據(jù)內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)到執(zhí)法艇,從而讓這艘執(zhí)法艇具備陸地監(jiān)控中心的功能,在船上看到所有航行船舶的位置信息,方便在內(nèi)河航行時進行及時的調(diào)度。在其他船只遇到危險或需要救援的時,可以將最近的船只安置在附近,實施救援。