基于北斗的航標(biāo)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析

蔣海城 郜喆

摘? 要：航標(biāo)是重要的港內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理是保證船舶進(jìn)出港安全和經(jīng)濟(jì)航行的關(guān)鍵前提。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的航標(biāo)監(jiān)測(cè)多采用GSM+GPS的方式，但GPS在安全性上無(wú)法保證，GSM則在信號(hào)覆蓋上有較大不足。北斗系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的技術(shù)，無(wú)論是安全、覆蓋、精度和速度等方面都有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。北斗系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用給航標(biāo)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)提供了新的思路。文章介紹了北斗系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用，分析了航標(biāo)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域存在的主要問(wèn)題，然后根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款基于北斗的航標(biāo)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：北斗系統(tǒng);航標(biāo);遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：U644.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）24-0057-02

Abstract： Navigation mark is an important port infrastructure， and its operation status monitoring and management is the key premise to ensure the safety and economic navigation of ships in and out of port. For a long time， GSM+GPS is often used in navigation mark monitoring in China， but GPS cannot be guaranteed in terms of security， while GSM has great shortcomings in signal coverage. Beidou system is a self-developed technology in China， which has unique advantages in safety， coverage， accuracy and speed. The wide application of Beidou system provides a new idea for the remote monitoring of navigation marks. This paper introduces the characteristics and application of Beidou system， analyzes the main problems existing in the field of navigation mark monitoring， and then designs and develops a navigation mark remote monitoring system based on Beidou according to the actual demand， which has important practical value.

Keywords： Beidou system; navigation mark; remote monitoring

航標(biāo)是建設(shè)在港口、航道和港區(qū)的重要水上交通基礎(chǔ)設(shè)施，可以為船舶提供航行的引導(dǎo)及障礙物標(biāo)示。航標(biāo)是否充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用，不僅影響船舶的安全航行，甚至可能危及船員的人身安全。隨著海運(yùn)的迅速發(fā)展，水上航標(biāo)數(shù)量越來(lái)越多，如何對(duì)其進(jìn)行高效管理成為當(dāng)前面臨的一大難題[1]。傳統(tǒng)的人工巡檢模式已不能滿足大量航標(biāo)的高效管理，因而信息化技術(shù)開(kāi)始在航標(biāo)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。北斗技術(shù)是我國(guó)自主研發(fā)的導(dǎo)航技術(shù)，將其應(yīng)用于航標(biāo)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)是海運(yùn)事業(yè)發(fā)展的必然要求[2]。

1 北斗系統(tǒng)概述

從2003年開(kāi)始，我國(guó)自主研發(fā)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)（COMPASS）正式進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用階段[3]。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)不僅為用戶提供了精準(zhǔn)定位功能，還兼顧了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)通信功能。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，北斗系統(tǒng)已經(jīng)在航空航天、航海、交通運(yùn)輸、氣象、森林防火、通信、國(guó)防等領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。

北斗系統(tǒng)采用三點(diǎn)定位，再提供一顆修正衛(wèi)星以保證定位精度。北斗的授時(shí)精度約為50nS，還提供了特殊的短報(bào)文通信能力，實(shí)現(xiàn)了終端之間或者終端與控制中心之間的雙向通信。北斗的這種短報(bào)文通信無(wú)需依賴于第三方系統(tǒng)，可以完成獨(dú)立組網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信，是實(shí)質(zhì)上的全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)。北斗系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了短報(bào)文通信，也就是導(dǎo)航系統(tǒng)的雙向數(shù)據(jù)通信[4]。這為北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控中的應(yīng)用提供了較好的技術(shù)基礎(chǔ)。

在北斗系統(tǒng)誕生之前，美國(guó)的GPS系統(tǒng)在我國(guó)得到了極為廣泛的應(yīng)用，占據(jù)了我國(guó)導(dǎo)航定位的幾乎所有市場(chǎng)。然而GPS是美國(guó)研發(fā)的民用軍用一體化高科技系統(tǒng)，我國(guó)不具有相應(yīng)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在敏感時(shí)期使用GPS系統(tǒng)將使我國(guó)陷入十分被動(dòng)的局面。北斗系統(tǒng)的正式投入運(yùn)行，為我國(guó)自主導(dǎo)航技術(shù)的開(kāi)發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。從國(guó)家安全和核心技術(shù)突破的角度上看，采用北斗系統(tǒng)是我國(guó)發(fā)展航海事業(yè)、保護(hù)船舶航行、保障國(guó)家安全的必然選擇。

2 航標(biāo)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)存問(wèn)題

航標(biāo)是一種重要的港口基礎(chǔ)設(shè)施，我國(guó)幾乎所有港口都備了數(shù)量相當(dāng)?shù)暮綐?biāo)。但是大量的航標(biāo)投入運(yùn)行之后是否能持續(xù)發(fā)揮其引航作用則很少受到管理部門的關(guān)注。也就是說(shuō)，我國(guó)大部分地區(qū)都只注重航標(biāo)的使用，而不夠注重航標(biāo)的維護(hù)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國(guó)許多港口對(duì)航標(biāo)的管理仍以人工巡檢為主，這種傳統(tǒng)的模式不僅效率低下，而且容易出錯(cuò)誤，對(duì)航標(biāo)的維護(hù)也不及時(shí)，尤其是在氣象條件較差的時(shí)候，依靠人工進(jìn)行航標(biāo)維護(hù)就變得更加困難了。

在這種情況下，航標(biāo)信息化開(kāi)始受到許多港口管理人員的關(guān)注，一些大型港口已經(jīng)嘗試采用信息化航標(biāo)對(duì)大量航標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和管理。這些信息化工作主要依靠了GPS或GSM等進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但GSM不能獨(dú)立運(yùn)行，需要與地面基站相互配合才可以完成數(shù)據(jù)的傳輸，因而GPS在一些重要港口十分常用。但GPS受美國(guó)軍方管控，安全性難以保證。

隨著我國(guó)北斗系統(tǒng)的投入使用，采用北斗系統(tǒng)代替GPS和GSM的方案已經(jīng)在很多文獻(xiàn)和港口現(xiàn)場(chǎng)中可以看到。但是，北斗系統(tǒng)在航標(biāo)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用還很不規(guī)范，仍未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因而航標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須由不同的廠家定制開(kāi)發(fā)，通用性和實(shí)用性都還有很大的發(fā)展空間。

3 基于北斗的航標(biāo)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析

（1）系統(tǒng)功能需求。航標(biāo)監(jiān)測(cè)主要是指通過(guò)某種技術(shù)手段遠(yuǎn)程取得航標(biāo)當(dāng)前的位置和狀態(tài)信息，因此航標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)包括監(jiān)測(cè)部分和管理部分。根據(jù)航標(biāo)監(jiān)測(cè)的一般特點(diǎn)，系統(tǒng)需要包括的功能主要有：自主查詢、信息匯總與檢索、狀態(tài)信息獲取、系統(tǒng)工作記錄、自動(dòng)報(bào)警、設(shè)定工作指標(biāo)、航標(biāo)管理、遠(yuǎn)程控制、權(quán)限及名單管理、顯示航標(biāo)的坐標(biāo)和軌跡。當(dāng)然以上功能的實(shí)現(xiàn)需要利用電子海圖、數(shù)據(jù)庫(kù)、無(wú)線通信等一系列技術(shù)。（2）關(guān)鍵技術(shù)選型。航標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括定位算法、定位方案和通信方案。北斗系統(tǒng)采用了差分定位技術(shù)使定位誤差控制在較低水平，例如偽距單點(diǎn)定位算法。采用偽隨機(jī)碼測(cè)距的誤差通常在百分之一碼元寬度的范圍。載波相位測(cè)量通過(guò)運(yùn)用衛(wèi)星載波信息和本振參考信息進(jìn)行一系列復(fù)雜的相位運(yùn)算，得到目標(biāo)的位置，無(wú)需碼元信息，因而不受碼元控制。兩種算法各有優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)同時(shí)提供給用戶選擇使用。無(wú)線電定位技術(shù)被廣泛用于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，例如移動(dòng)網(wǎng)定位、地面無(wú)線電定位、衛(wèi)星定位等。導(dǎo)航系統(tǒng)。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定位只需要一部手機(jī)即可實(shí)現(xiàn)定位，無(wú)需額外設(shè)備，但其準(zhǔn)確性卻很難滿足精確定位的要求，并且需要支付昂貴的通信費(fèi)用，因而不完全適用于航標(biāo)監(jiān)測(cè)。陸基無(wú)線電系統(tǒng)可以精確定位快速移動(dòng)的目標(biāo)，例如飛機(jī)、汽車、導(dǎo)彈等，但其定位精度與目標(biāo)的距離有關(guān)，這種技術(shù)主要用于軍事領(lǐng)域，對(duì)于航標(biāo)監(jiān)測(cè)而言成本過(guò)高。（3）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分析。傳統(tǒng)的航標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已得到較廣泛應(yīng)用，其整套系統(tǒng)主要由GSM模塊、北斗通信模塊、自檢模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等部分組成。通信模塊通過(guò)衛(wèi)星獲得自身地理坐標(biāo)，然后通過(guò)自檢模塊讀取航標(biāo)的當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集中匯總后由GSM模塊向遠(yuǎn)端發(fā)送出去，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心收到數(shù)據(jù)后得到當(dāng)前航標(biāo)位置及狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)以北斗系統(tǒng)為核心，充分借鑒傳統(tǒng)的GSM技術(shù)的思路，構(gòu)成一套先進(jìn)的航標(biāo)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用北斗芯片代替GSM模塊可以克服GSM的覆蓋問(wèn)題，因?yàn)樾l(wèi)星系統(tǒng)的覆蓋是全球性的，并且北斗具備報(bào)文傳輸能力，因此非常適合用于航標(biāo)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。自檢模塊包含了大量的傳感器，可以收集港口水域的氣象參數(shù)，再與海況、航標(biāo)位置、狀態(tài)等信息匯總起來(lái)，通過(guò)通信芯片傳輸?shù)叫l(wèi)星上，由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

4 功能模塊分析

（1）數(shù)據(jù)采集終端。數(shù)據(jù)采集終端包含參數(shù)配置、北斗定位芯片和各類傳感器組成，數(shù)據(jù)采集終端通常被安裝在航標(biāo)上，可以實(shí)時(shí)采集海況參數(shù)、航標(biāo)狀態(tài)、氣象參數(shù)等參數(shù)。海況主要是指水文狀態(tài)和交通狀態(tài)，有時(shí)候也包含氣象信息，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度、能見(jiàn)度、風(fēng)速風(fēng)向、水流速度等一系列的參數(shù)進(jìn)行采集。航標(biāo)狀態(tài)則是指航標(biāo)的電壓、電流以及燈器工作狀態(tài)。航標(biāo)上還配備了采集控制芯片，集成高性能CPU芯片，可以實(shí)現(xiàn)閃光頻率調(diào)整、報(bào)警參數(shù)設(shè)備等功能。采集到的數(shù)據(jù)與衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)一起打包向遠(yuǎn)端監(jiān)控中心發(fā)送，也可以接收監(jiān)控中心下發(fā)的控制指令。（2）北斗定位通信模塊。前已敘及，北斗系統(tǒng)既可以進(jìn)行目標(biāo)定位，又可以傳輸數(shù)據(jù)報(bào)文，但這并不是說(shuō)北斗芯片集成了兩種功能，而是通過(guò)采用GNSS定位芯片和RDSS通信芯片的組合，由電路和程序控制完成功能的整合。由于北斗系統(tǒng)在本系統(tǒng)中處于核心地位，因此相關(guān)的芯片選型直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能。綜合各種因素，本文采用STC12C5A32S2單片機(jī)為主控模塊，采用TYMD052為RDSS模塊以完成數(shù)據(jù)的收發(fā)，該芯片集成了RDSS射頻前端功率放大器、低噪聲放大器、上變頻和下變頻等功能，但集成度高，功耗小。GNSS芯片采用UM220，該芯片是國(guó)產(chǎn)芯片，不僅性能較高，而且擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，因此在航標(biāo)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中應(yīng)優(yōu)先使用。（3）電源模塊。電源是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提條件，考慮到航標(biāo)所處位置通常比較特殊，不可能直接采用有線的電路進(jìn)行供電，因此本系統(tǒng)采用了太陽(yáng)能電源，配備高性能電池控制器，對(duì)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成的電能進(jìn)行分配和管理。根據(jù)系統(tǒng)功耗，太陽(yáng)能電池板共180W，共分為四塊。當(dāng)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的電量多于系統(tǒng)耗電量時(shí)，采用蓄電池將多余的電能存儲(chǔ)起來(lái)，當(dāng)天氣狀況不佳無(wú)陽(yáng)光時(shí)，則通過(guò)蓄電池進(jìn)行供電。為了使電源模塊的輸電壓保持穩(wěn)定，系統(tǒng)采用了LM1117芯片進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)和比例變換。（4）數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理由于涉及比較復(fù)雜的算法和較大的運(yùn)算量，因此很難在芯片上完成。本文將原始數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊中進(jìn)行統(tǒng)一處理，數(shù)據(jù)處理模塊在監(jiān)控中心服務(wù)器上，配套了專用的監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)，不僅可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和存儲(chǔ)，還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等多種功能。

數(shù)據(jù)處理模塊的處理程序是根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同而不同的，因此本文對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的處理。經(jīng)分析，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共分為5類，分別是海況數(shù)據(jù)、天氣數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)以及航標(biāo)狀態(tài)，其中報(bào)警數(shù)據(jù)會(huì)得到系統(tǒng)的優(yōu)先處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)對(duì)海洋資源和航運(yùn)的重視，海上或港口的船舶數(shù)量必然會(huì)不斷上升，航標(biāo)的管理難度將日益加大。北斗系統(tǒng)的應(yīng)用是解決航標(biāo)遠(yuǎn)程監(jiān)控的重要技術(shù)手段。十多年來(lái)，北斗系統(tǒng)不斷得到發(fā)展和完善，其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)張。根據(jù)國(guó)家總體部署，到2020年，北斗系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，新的技術(shù)也將得到應(yīng)用和驗(yàn)證。這些發(fā)展都為航標(biāo)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控提供了更加有利的條件，必將更好地促進(jìn)航海航運(yùn)事業(yè)的快速發(fā)展，大大提高船舶航行的安全性。

參考文獻(xiàn)：

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