基于北斗的航标远程监测系统分析

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　　摘  要：航标是重要的港内基础设施，对其运行状态进行监测和管理是保证船舶进出港安全和经济航行的关键前提。长期以来，我国的航标监测多采用GSM+GPS的方式，但GPS在安全性上无法保证，GSM则在信号覆盖上有较大不足。北斗系统是我国自主研发的技术，无论是安全、覆盖、精度和速度等方面都有着独特的优势。北斗系统的广泛应用给航标的远程监测提供了新的思路。文章介绍了北斗系统的特点及应用，分析了航标监测领域存在的主要问题，然后根据实际需求设计开发了一款基于北斗的航标远程监测系统，具有重要的实用价值。
　　关键词：北斗系统;航标;远程监测
　　中图分类号：U644.8 文献标志码：A 文章编号：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
　　航标是建设在港口、航道和港区的重要水上交通基础设施，可以为船舶提供航行的引导及障碍物标示。航标是否充分发挥其应有的作用，不仅影响船舶的安全航行，甚至可能危及船员的人身安全。随着海运的迅速发展，水上航标数量越来越多，如何对其进行高效管理成为当前面临的一大难题[1]。传统的人工巡检模式已不能满足大量航标的高效管理，因而信息化技术开始在航标监测领域得到广泛应用。北斗技术是我国自主研发的导航技术，将其应用于航标远程监测是海运事业发展的必然要求[2]。
　　1 北斗系统概述
　　从2003年开始，我国自主研发的北斗导航系统（COMPASS）正式进入大规模应用阶段[3]。北斗导航系统不僅为用户提供了精准定位功能，还兼顾了强大的数据通信功能。经过多年的发展，北斗系统已经在航空航天、航海、交通运输、气象、森林防火、通信、国防等领域得到了极为广泛的应用。
　　北斗系统采用三点定位，再提供一颗修正卫星以保证定位精度。北斗的授时精度约为50nS，还提供了特殊的短报文通信能力，实现了终端之间或者终端与控制中心之间的双向通信。北斗的这种短报文通信无需依赖于第三方系统，可以完成独立组网和数据通信，是实质上的全球卫星通信系统。北斗系统首次实现了短报文通信，也就是导航系统的双向数据通信[4]。这为北斗导航系统在船舶动态监控中的应用提供了较好的技术基础。
　　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。从国家安全和核心技术突破的角度上看，采用北斗系统是我国发展航海事业、保护船舶航行、保障国家安全的必然选择。
　　2 航标监测的现存问题
　　航标是一种重要的港口基础设施，我国几乎所有港口都备了数量相当的航标。但是大量的航标投入运行之后是否能持续发挥其引航作用则很少受到管理部门的关注。也就是说，我国大部分地区都只注重航标的使用，而不够注重航标的维护。调查发现，我国许多港口对航标的管理仍以人工巡检为主，这种传统的模式不仅效率低下，而且容易出错误，对航标的维护也不及时，尤其是在气象条件较差的时候，依靠人工进行航标维护就变得更加困难了。
　　在这种情况下，航标信息化开始受到许多港口管理人员的关注，一些大型港口已经尝试采用信息化航标对大量航标进行远程监测和管理。这些信息化工作主要依靠了GPS或GSM等进行数据传输，但GSM不能独立运行，需要与地面基站相互配合才可以完成数据的传输，因而GPS在一些重要港口十分常用。但GPS受美国军方管控，安全性难以保证。 　　随着我国北斗系统的投入使用，采用北斗系统代替GPS和GSM的方案已经在很多文献和港口现场中可以看到。但是，北斗系统在航标监测领域的应用还很不规范，仍未形成统一的标准，因而航标监测系统必须由不同的厂家定制开发，通用性和实用性都还有很大的发展空间。
　　3 基于北斗的航标远程监测系统分析
　　（1）系统功能需求。航标监测主要是指通过某种技术手段远程取得航标当前的位置和状态信息，因此航标监测系统应包括监测部分和管理部分。根据航标监测的一般特点，系统需要包括的功能主要有：自主查询、信息汇总与检索、状态信息获取、系统工作记录、自动报警、设定工作指标、航标管理、远程控制、权限及名单管理、显示航标的坐标和轨迹。当然以上功能的实现需要利用电子海图、数据库、无线通信等一系列技术。（2）关键技术选型。航标监测系统涉及的关键技术包括定位算法、定位方案和通信方案。北斗系统采用了差分定位技术使定位误差控制在较低水平，例如伪距单点定位算法。采用伪随机码测距的误差通常在百分之一码元宽度的范围。载波相位测量通过运用卫星载波信息和本振参考信息进行一系列复杂的相位运算，得到目标的位置，无需码元信息，因而不受码元控制。两种算法各有优点，应同时提供给用户选择使用。无线电定位技术被广泛用于远程监测领域，例如移动网定位、地面无线电定位、卫星定位等。导航系统。移动网络定位只需要一部手机即可实现定位，无需额外设备，但其准确性却很难满足精确定位的要求，并且需要支付昂贵的通信费用，因而不完全适用于航标监测。陆基无线电系统可以精确定位快速移动的目标，例如飞机、汽车、导弹等，但其定位精度与目标的距离有关，这种技术主要用于军事领域，对于航标监测而言成本过高。（3）系统总体结构分析。传统的航標监测系统已得到较广泛应用，其整套系统主要由GSM模块、北斗通信模块、自检模块、电源模块、数据采集模块等部分组成。通信模块通过卫星获得自身地理坐标，然后通过自检模块读取航标的当前状态数据，数据集中汇总后由GSM模块向远端发送出去，远程监控中心收到数据后得到当前航标位置及状态，从而实现远程监测。本系统以北斗系统为核心，充分借鉴传统的GSM技术的思路，构成一套先进的航标远程监测系统。采用北斗芯片代替GSM模块可以克服GSM的覆盖问题，因为卫星系统的覆盖是全球性的，并且北斗具备报文传输能力，因此非常适合用于航标的远程监测。自检模块包含了大量的传感器，可以收集港口水域的气象参数，再与海况、航标位置、状态等信息汇总起来，通过通信芯片传输到卫星上，由卫星转发至远程监控中心。
　　4 功能模块分析
　　（1）数据采集终端。数据采集终端包含参数配置、北斗定位芯片和各类传感器组成，数据采集终端通常被安装在航标上，可以实时采集海况参数、航标状态、气象参数等参数。海况主要是指水文状态和交通状态，有时候也包含气象信息，可以实现对温湿度、能见度、风速风向、水流速度等一系列的参数进行采集。航标状态则是指航标的电压、电流以及灯器工作状态。航标上还配备了采集控制芯片，集成高性能CPU芯片，可以实现闪光频率调整、报警参数设备等功能。采集到的数据与卫星定位数据一起打包向远端监控中心发送，也可以接收监控中心下发的控制指令。（2）北斗定位通信模块。前已叙及，北斗系统既可以进行目标定位，又可以传输数据报文，但这并不是说北斗芯片集成了两种功能，而是通过采用GNSS定位芯片和RDSS通信芯片的组合，由电路和程序控制完成功能的整合。由于北斗系统在本系统中处于核心地位，因此相关的芯片选型直接决定了整个系统的性能。综合各种因素，本文采用STC12C5A32S2单片机为主控模块，采用TYMD052为RDSS模块以完成数据的收发，该芯片集成了RDSS射频前端功率放大器、低噪声放大器、上变频和下变频等功能，但集成度高，功耗小。GNSS芯片采用UM220，该芯片是国产芯片，不仅性能较高，而且拥有自主知识产权，因此在航标监测领域中应优先使用。（3）电源模块。电源是保证系统正常运行的前提条件，考虑到航标所处位置通常比较特殊，不可能直接采用有线的电路进行供电，因此本系统采用了太阳能电源，配备高性能电池控制器，对太阳能转化成的电能进行分配和管理。根据系统功耗，太阳能电池板共180W，共分为四块。当太阳能转化的电量多于系统耗电量时，采用蓄电池将多余的电能存储起来，当天气状况不佳无阳光时，则通过蓄电池进行供电。为了使电源模块的输电压保持稳定，系统采用了LM1117芯片进行电压调节和比例变换。（4）数据处理模块。数据处理由于涉及比较复杂的算法和较大的运算量，因此很难在芯片上完成。本文将原始数据发送到数据处理模块中进行统一处理，数据处理模块在监控中心服务器上，配套了专用的监测软件平台，不仅可以实现数据接收和存储，还可以实现数据预处理、数据解析、数据储存和数据转发等多种功能。
　　数据处理模块的处理程序是根据数据类型的不同而不同的，因此本文对数据的传输协议进行了设计，以实现多种数据的处理。经分析，本系统的数据共分为5类，分别是海况数据、天气数据、报警数据、位置数据以及航标状态，其中报警数据会得到系统的优先处理。
　　5 结束语
　　随着我国对海洋资源和航运的重视，海上或港口的船舶数量必然会不断上升，航标的管理难度将日益加大。北斗系统的应用是解决航标远程监控的重要技术手段。十多年来，北斗系统不断得到发展和完善，其应用领域正在不断扩张。根据国家总体部署，到2020年，北斗系统将实现全球覆盖，新的技术也将得到应用和验证。这些发展都为航标的动态监控提供了更加有利的条件，必将更好地促进航海航运事业的快速发展，大大提高船舶航行的安全性。
　　参考文献：
　　[1]卢好阳，戴玉麟，盛晓春，等.北斗卫星定位技术在SAVONIUS型航标中的应用[J].中国水运（下半月），2019，19（01）：109-110.
　　[2]邢天任，朱伟.北斗系统在航运安全管理中的应用研究[J].珠江水运，2018（16）：94-95.
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