北斗导航定位系统在灯塔监测中的应用综述
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摘 要 灯塔通常建造在显要、敏感的海域，肩负着导航定位、航行引导、宣示主权等特殊任务，一旦受到自然或人为破坏，将会造成严重的后果。北斗系统的应用为我国重要灯塔的远程实时监测提供了可靠的技术保障。本文首先分析了灯塔在现代航海领域的重要性，然后论证了对其进行监测的必要性，最后以基于实际案例对北斗系统在灯塔监测中的应用进行了分析。
关键词 北斗系统;灯塔;远程监测
2010年，我国在东海领海基点建设了石碑和灯塔，成为我国领海基线划定的重要依据。2016年，交通运输部在南海渚碧礁建设了渚碧灯塔，该灯塔采用北斗系统进行远程监测，同时配备了AIS和VHF基站，具有船舶定位、信息发布等功能。尽管在航海技术日益发达的今天，灯塔的许多功能已被现代航标替代，但保证关键灯塔的正常运行仍具有重要意义[1]。
1 灯塔的特点及监测的必要性
灯塔是一种塔状的固定航标，通过建于航道的关键位置，可以为途经的船舶提供航行指引、提示危险区域，也可以用于宣示国家主权。随着航海事业的发展，浮动航标、雷达应答器、DGPS系统、AIS 等综合导航体系已经得到了广泛的应用，灯塔作为航标的导航功能日益弱化，但仍拥有巨大的历史文化价值、军事价值和国防价值[2]。灯塔通常位于海岸、港口或河道等关键地方，位置显要，并且往往是港口的最高点之一[3]。这决定了灯塔一般是无人看守的，很容易因为受到船舶、自然灾害或人为的破坏而移动，因而需要采用远程监测技术对其状态进行实时监测，以保障灯塔正常发挥作用。
2 北斗系统的应用特点
导航是航海领域的关键技术之一，在北斗系统诞生之前，美国的GPS系统在我国得到了极为广泛的应用，占据了我国导航定位的几乎所有市场。然而GPS是美国研发的民用军用一体化高科技系统，我国不具有相应的知识产权，在敏感时期使用GPS系统将使我国陷入十分被动的局面。北斗系统的正式投入运行，为我国自主导航技术的开发奠定了坚实的技术基础。灯塔是我国海域中的一种特殊航标，除了在导航方面的功能，还在军事和国防等方面发挥着极其关键的作用，采用北斗系统对灯塔进行远程监测，是我国发展航海事业、保障国家安全的必然选择。
3 基于北斗的灯塔监测系统应用研究
3.1 总体结构与功能
本系统以北斗导航定位系统为核心技术，可以提供对重要灯塔的远程实时监测和管理，根据实际需求，本系统设置了信息查询、状态监控、灯塔遥控、航线跟踪等一系列功能。在技术框架上，包含了数据采集单元、数据处理与存储单元、无线通信单元、终端设备等部分，是一款技术先进、使用方便、安全可靠的灯塔监测系统。
3.2 数据采集单元
数据采集单元设置在灯塔上，由专用的采集软件完成数据的收集工作。通过在灯塔上安装温湿度、能见度、风速风向等气象传感器以及北斗无线通信模块，可以完成对现场气象参数和实时坐标数据的采集。所有从传感器中获取的数据均为模拟信号，需要通过A/D模块进行采集转化为数字信号，为后续的传输和处理提供条件。这些数据分别携带硬件编码信息和传感器读数，经过统一收集后传输至数据服务器等待进一步处理。
3.3 数据处理单元
数据处理单元运行在服务器上，其功能是对采集单元传来的数据进行解析和存储。该单元需要对所有的传感器数据进行处理，因而对整套系统的精度和可靠性有着重要影响。数据处理的过程是首先对数据进行解析，得到相应传感器的编号及类型，然后采用不同的算法对数据进行加工，从而得到所需的结果。数据处理结果可以反映灯塔的实时状态，将为管理部门的决策提供重要依据。
3.4 无线传输模块
由于灯塔通常安装在遥远海域，因此传统的有线传输方式是行不通的，无线通信成为唯一可靠的方案。无线传输模块是系统的核心技术所在，采用了北斗卫星导航系统作为数据传输媒介，可以完成现场和远程监控中心之间的通信任务。北斗系统的出现使GSM等传统无线传输技术对数据要求严格的缺点得到改善，同时使偏远无移动基站的地区进行无线通信成为可能，这也是北斗系统的关键作用之所在。
北斗通讯定位模块提供了许多功能，因而其组成也十分复杂，模块内部不仅包含了RDSS芯片和GNSS芯片，还集成了高性能的复位电路和高精度的时钟电路，同时还有充足的存储器可以暂存数据。北斗通讯模块由于同时采用了GNSS定位芯片与RDSS通信芯片，因而具备强大的双向通信能力。在基带和射频方面，RDSS集成了高性能GYM2003B模块来加以保证。在精度控制上，则通过UM220芯片的双定位和差分定位功能来保证足够精度，该芯片是国产芯片，无须依赖进口。为了达到通信系统的高可靠性，主控模块采用了高性能的STC12C5A60S2单片机，该单片机具有低功耗和抗干扰等特点，十分适用于灯塔的运行环境。
3.5 电源模块
在遥远的海域，由于没有国家电网提供电源，灯塔和监测系统的供电是一大难题。主控单片机和北斗定位通讯模块是电能消耗的主要部件，必须有电源提供源源不断的电力。考虑到海域的特殊环境，采用太阳能供电是最佳选择。太阳能电源的电力经过多级分压后即可满足不同模块對电压的需求。
3.6 人机交互单元
数据经过采集、传输后到达远程监测中心，最终需要展示出来给值班人员进行分析，以判断灯塔的实时状态是否正常。另一方面，值班人员也需要将本地输入的控制参数发送到远端对灯塔进行控制。人机交互模块正是起到了这种作用，是人与灯塔之间进行交互的重要模块。
4 结束语
灯塔的监测受多种自然条件和技术条件的制约，传统的监测技术很难满足遥远海域的灯塔监测需求，北斗系统的投入运行并实现实用化，使灯塔的远程实时监测成为可能。北斗导航定位系统在灯塔监测中的成功应用，进一步提高了灯塔运行的可靠性，提高了远程监控的效率，提高了保障航运安全的能力，更为我国保护领土完整和国家安全提供了重要的技术支撑。
尽管北斗系统与美国GPS在技术上仍有较大差距，但灯塔监测中全面推广北斗系统仍将是我国航海发展的必然趋势。
参考文献
[1] 舒之兵，陈铭，赵毅.试论北斗卫星导航系统在海洋浮标中的应用[J].数字通信世界，2019，（03）：119.
[2] 竺国大.基于北斗的航海保障综合助导航系统的研究[J].中国水运（下半月），2017，17（12）：94-95.
[3] 冀振宇.浅谈基于北斗卫星通信的航标远程遥测遥控系统[J].珠江水运，2015，（14）：35-37.
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