基于BD/GPS通信原理的便攜式北斗 航標檢測儀的設計與研制

陳國偉 岳添韻 任虹 秦宇

摘? 要：隨著北斗海事應用深入，北斗航標終端在航標管理部門得到推廣。但是，目前航標管理人員沒有專門的北斗航標終端檢測儀器，無法對北斗航標終端性能和運行狀態(tài)進行現(xiàn)場檢測。尤其在現(xiàn)場航標人員完成終端安裝后，須通過其他通信方式和北斗航標管理中心確認數(shù)據(jù)通信是正常的，一旦通信受限而無法進行確認，北斗航標安裝的可靠性就無法保證，可能會導致北斗航標后續(xù)反復安裝，造成船舶、人力等成本浪費和時間的消耗。為了有效解決北斗航標質(zhì)量、安裝調(diào)試和巡檢維護等全過程檢測，提出研制一款基于BD/GPS通信原理的便攜式北斗航標檢測儀。

關鍵詞：北斗航標;便攜式;檢測儀;BD/GPS

0 引 言

航標是保障船舶安全、經(jīng)濟、便利航行的重要設施，對發(fā)展水上交通運輸、海洋資源開發(fā)、漁業(yè)捕撈、國防建設和維護國家主權均起著重要的作用。為了方便航標的管理，在傳統(tǒng)的航標上增加了遙測遙控功能，特別是北斗短報文進行數(shù)據(jù)通信的遙測遙控的采用，大大提高了航標的管理范圍，使原來的近海航標管理，擴展到遠海航標管理。由于北斗航標采用衛(wèi)星進行數(shù)據(jù)通信，具有通信距離遠，通信受電磁干擾小的特點，彌補了現(xiàn)有航標遙測系統(tǒng)公用網(wǎng)絡信號覆蓋不均衡的不足，因此在北斗海事應用深化的背景下，近年北斗航標終端在我國沿海航標管理中得到快速推廣，其中東海航海保障中心目前北斗航標遙測終端的安裝數(shù)量接近1 600座。

隨著北斗航標終端的推廣使用，在設備管理和運維過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，其中最迫切需要解決的是北斗終端性能和運行狀態(tài)檢測的問題。目前，航標用戶在獲得北斗航標終端后，沒有專門的測試儀器來檢測北斗航標的質(zhì)量和工作狀態(tài)，對有故障的北斗航標不能及時地排除，導致北斗航標后續(xù)反復安裝，造成了極大的成本和時間的消耗。特別是現(xiàn)場航標人員在安裝完成后，還需要打電話和北斗航標管理中心確認是否數(shù)據(jù)通信正常，如果因現(xiàn)場公網(wǎng)信號不足無法和北斗航標中心進行確認，北斗航標安裝的可靠性就無法得到保證，就存在通信失敗的風險。另外，北斗航標的后期巡檢和維修也存在同樣的問題，因此為了有效解決北斗航標出入庫的質(zhì)量檢測、現(xiàn)場安裝調(diào)試前后的檢測、后期的巡檢和維護檢測，迫切需要研制一款便攜式北斗航標檢測儀。

1? ?研制目標

依據(jù)信息化、數(shù)字化、立體化、現(xiàn)代化海事管理建設理念，研發(fā)建設具有集成度較高、能耗低、實時性好、輕便攜帶以及數(shù)據(jù)采集、回傳效率高的便攜式北斗航標檢測儀系統(tǒng)，以實現(xiàn)對海上航標運行狀況進行有效實時的監(jiān)測，進而保障船舶安全、海上經(jīng)濟發(fā)展以及便利航行。

設計的便攜式北斗航標檢測儀研制的主要目標如下：

（1）檢測北斗航標本身定位信息是否準確

便攜式北斗航標檢測儀可以接收到北斗航標上傳的自身坐標信息，檢測儀器將上傳的坐標信息和參考坐標信息進行比較來確認航標設備定位是否準確。參考坐標信息有2種來源，一種是通過人為的設置經(jīng)緯度坐標點，另一種是通過檢測儀器自身帶的定位信息作為參考。

（2）檢測北斗航標本身電壓電流采集是否正常

北斗航標檢測儀可以接收到北斗航標上傳的自身工作參數(shù)，例如工作電壓和工作電流。檢測儀將反饋回來的電壓、電流顯示在人機交互界面上，提供給安裝人員進行現(xiàn)場判斷。

（3）檢測北斗航標北斗短報文通信狀態(tài)和參數(shù)是否正常

北斗航標檢測儀可以接收北斗航標上傳的北斗短報文的工作狀態(tài)，這里面包括報文的發(fā)送目標地址是否正確，發(fā)送的信號質(zhì)量是否可靠。

（4）北斗航標檢測儀設備體積小巧、操作使用方便

北斗航標檢測儀是一個輔助檢測設備，考慮到航標管理現(xiàn)場環(huán)境局限性，研制的目標是設備盡量的體積小，重量輕，界面簡單，方便使用。

2 技術路線

根據(jù)研制目標和應用場景，便攜式北斗航標檢測儀主要用于安裝前設備性能檢測和現(xiàn)場設備工作狀態(tài)檢測，用戶可根據(jù)檢測現(xiàn)場的通信環(huán)境選擇北斗短報文或網(wǎng)絡訪問（3G/4G/局域網(wǎng)）來檢測北斗航標終端，如圖1所示。檢測查詢系統(tǒng)包含便攜式北斗航標檢測儀、航標終端設備、通信中繼設備（衛(wèi)星、4G基站等）以及后臺管理服務器。

（1）北斗航標終端數(shù)據(jù)上傳

目前，北斗航標終端設備的工作機制主要是通過所攜帶傳感器采集自身的工作參數(shù)（比如工作電壓、工作電流、設備本身的位置信息等），以北斗短報文的方式通過北斗衛(wèi)星、衛(wèi)星地面站或指揮機將這些參數(shù)上傳給岸上航標數(shù)據(jù)管理中心。

（2）便攜式北斗航標檢測儀查詢（2種方式：北斗短報文和3G/4G）

①北斗短報文方式查詢：根據(jù)北斗航標終端設備的工作機制，便攜式北斗航標檢測儀主要是采用數(shù)字處理芯片來控制北斗短報文模塊，以北斗短報文形式通過自檢、目標查詢申請等指令，通過軟件管理后臺從航標管理中心后臺服務器得到相關航標狀態(tài)參數(shù)查詢信息，從而達到檢測北斗航標終端數(shù)據(jù)正常與否的目的。

②3G/4G/局域網(wǎng)方式查詢：在岸基或3G/4G信號良好情況下，用戶可采用3G/4G通信模塊或WIFI局域網(wǎng)，通過制定專用的北斗航標檢測查詢指令，通過軟件直接訪問航標管理中心后臺服務器得到相關航標狀態(tài)參數(shù)，用于檢測北斗航標設備功能是否正常。

3 設備研制

（1）研制內(nèi)容

便攜式北斗航標檢測儀研制內(nèi)容分為便攜式北斗航標檢測儀的硬件開發(fā)與軟件開發(fā)，以及航標數(shù)據(jù)中心的后臺管理軟件的開發(fā)工作。其中，硬件開發(fā)包括北斗短報文收發(fā)模塊、電源管理模塊、北斗/GPS通信模塊、通信管理單元以及串口WIFI透傳模塊等開發(fā)內(nèi)容，軟件開發(fā)則包含終端軟件開發(fā)與后臺軟件開發(fā)，終端軟件開發(fā)主要為便攜式北斗航標檢測儀提供良好的人機交互操作界面，而后臺軟件開發(fā)則主要是提供Web服務、數(shù)據(jù)庫服務、數(shù)據(jù)應用服務以給操作用戶提供相應的數(shù)據(jù)接口、存儲、查詢、轉(zhuǎn)發(fā)及應用等服務。

（2）系統(tǒng)組成

便攜式北斗航標檢測儀主要由主機和顯示終端兩部分組成，主機和顯示終端之間通過無線WIFI進行數(shù)據(jù)交互，下圖2所示。①為便攜式北斗航標檢測儀主機，②為便攜式北斗航標檢測儀顯示終端（手機或pad）。

（3）系統(tǒng)工作原理

如圖3所示，內(nèi)置大容量可充電式鋰電池組為系統(tǒng)及各模塊提供標準12 V電源，MCU通過串口分別與北斗短報文模塊、北斗/GPS定位模塊進行收發(fā)數(shù)據(jù)，針對不同的指令或信息內(nèi)容進行打包或解包，再通過系統(tǒng)內(nèi)部作為SERVER模式、具有透傳功能的WIFI模塊的不同端口與顯示終端進行無線數(shù)據(jù)通信，在顯示終端的人機界面上操作APP相應功能區(qū)域，即可進行設置、發(fā)送相關查詢指令或閱覽相關查詢信息等操作。

（4）系統(tǒng)軟件

便攜式北斗航標檢測儀軟件，如圖4所示，包括終端APP軟件和后臺軟件，其中終端APP軟件安裝于顯示終端（手機或PAD），具有北斗航標檢測、系統(tǒng)配置、模式切換、綜合顯示等功能，通過操作App界面相應功能區(qū)及設置相關IP及端口配置，即可實現(xiàn)相應的功能顯示及查詢，見圖5。

后臺軟件為用戶提供一套管理后臺應用、服務、參數(shù)配置、數(shù)據(jù)查詢的人機交互界面。可接收到的北斗報文、便攜式終端請求響應狀態(tài)、設備通訊狀態(tài)及便攜式終端在線列表進行查詢，通過對上述數(shù)據(jù)的查看可以及時了解目前系統(tǒng)的工作狀態(tài)，便于在問題出現(xiàn)時進行排查、解決。后臺服務主要由Web服務、數(shù)據(jù)庫服務、數(shù)據(jù)應用服務等三大部分組成，見圖6。

4? ?設備特性

（1）本檢測設備高度集成，采用內(nèi)置電池，功耗小，便于戶外攜帶作業(yè)

便攜式北斗航標檢測儀主機集成了定位、通訊、控制處理等模塊，并內(nèi)置電池來給設備進行供電，體積小、容量大（可持續(xù)供電24 h）、安全可靠，可解決海上供電困難的問題。北斗航標檢測儀主機底座有磁性可吸附在船舶甲板上，以保證衛(wèi)星信號接收良好，本設備外配顯示設備，用戶可通過無線方式和主機進行數(shù)據(jù)交換來提供操作使用。

（2）設備采用雙串口&WiFi透傳通訊模塊設計

便攜式北斗航標檢測儀系統(tǒng)采用雙串口&WIFI透傳模塊設計，其中串口0和串口1通道分別工作在TCP Server與UDP Server模式下，依次鏈接北斗短報文模塊、北斗/GPS授時定位模塊，兩通道間數(shù)據(jù)收發(fā)相互獨立、互不干擾。在AP模式下，通過在顯示終端設置各通道模式下的服務器地址、對應端口號以及設定通道數(shù)據(jù)波特率，就可方便地在便攜式北斗航標檢測儀主機與顯示操作終端建立起可用的WIFI 鏈接，WiFi理論無遮擋覆蓋范圍為200 m。

（3）系統(tǒng)開發(fā)了APP終端軟件，根據(jù)現(xiàn)場信號情況智能判斷檢測模式，操作便捷可靠

為了便于用戶操作使用，系統(tǒng)開發(fā)了用于衛(wèi)星信號和工作數(shù)據(jù)監(jiān)測的APP軟件，并根據(jù)現(xiàn)場衛(wèi)星、3G/4G等信號強度選擇相應的檢測模式（北斗短報文模式和4G模式）。使用北斗短報文模式APP會自動連接檢測設備主機WIFI網(wǎng)絡，通過主機發(fā)送查詢指令查詢并獲取目標北斗航標終端的工作狀態(tài);使用3G/4G/局域網(wǎng)模式APP通過網(wǎng)絡訪問后臺服務器，實際上不需要通過主機中轉(zhuǎn)而直接獲取目標終端的工作狀態(tài)，操作方便，檢測效率更高。

5? ?應用與展望

隨著便攜式北斗航標檢測儀的成功研制以并投入使用，不僅能夠完美解決北斗航標終端使用周期中性能和運行狀態(tài)檢測的問題，對北斗航標終端后期的巡檢和維護檢測也可提供方便快捷的支持，從而保障北斗航標終端正常、穩(wěn)定的運行，很好地促進了北斗航標設備在海事航保的推廣應用。同時在現(xiàn)有檢測功能基礎上，將逐步拓展北斗船臺、北斗示位標等海事北斗設備的檢測功能，進一步提升檢測設備的通用性，為海事北斗全面深化應用奠定基礎。

參考文獻

[1] 洪大勇. GPS全球定位系統(tǒng)技術及應用[M].廈門：廈門大學出版社，1998.

[2] 吳崇善.正確認識和應用“北斗一號”導航定位系統(tǒng)（二）[J].當代通信，2004.

[3] 劉曉，等.基于單片機采集GPS數(shù)據(jù)系統(tǒng)的設計.青島科技大學學報，2006，2.

作者簡介：

陳國偉，高級工程師

岳添韻，助理工程師

任虹，高級工程師