北斗船舶航線監管平臺系統設計與實現

安慶,吳樹森

(1.武漢光谷北斗控股集團有限公司,湖北 武漢 430206;2.華中科技大學,湖北 武漢 430074)

?

北斗船舶航線監管平臺系統設計與實現

安慶1,吳樹森2

(1.武漢光谷北斗控股集團有限公司,湖北 武漢 430206;2.華中科技大學,湖北 武漢 430074)

針對目前對海上船舶采用傳統手段進行監管存在盲區及資費昂貴的痛點,利用北斗衛星導航系統所具有的定位、測速、授時,及其北斗一代所特有的短報文雙向通信及功能,設計了一套北斗船舶航線監管平臺系統,并將它應用于武漢市港航局所轄的船舶航線的監管工作中。結果證明,該系統在不依賴其它通信技術手段前提下,能夠實現船舶實時定位、測速、精密授時、船舶之間、以及船舶與監控中心和授權手機短報文雙向通信。另外,還具有防撞報警、航跡偏差告警等功能,以及全天候、無盲區、低資費、高可靠的優勢,有較大的實用價值。

北斗一代;短報文;船舶監控;雙向通信

0 引 言

為提升武漢長江中游航運中心輻射功能,武漢市先后開通了“江海直達”、“瀘漢臺集裝箱快班”、21世紀海上絲綢之路“武漢——東盟試驗航線” 及“武漢至日韓集裝箱快線”等近洋航線。武漢市港航管理局作為航線船舶監管方,如何有效監管所管轄的船舶及整個航線,保障內河,特別是遠洋航線上船舶的安全,提高船舶的運輸和監管水平,是一個函待解決的問題[1]。

傳統的海上船舶監控主要手段有船舶自動識別系統(AIS)技術和移動通信網絡監控等[2]。但是,由于移動通信網絡的覆蓋范圍有一定的局限性,只能在內河和近海區域發揮作用,超出覆蓋范圍便無法完成通信。雖然AIS系統的應用已經非常成熟,但是也有其局限性。首先是該系統只能對近海船舶進行位置監控,到遠洋地區則無信號[3],其二,有些國家政府的AIS系統只對國內船舶使用,對國外船舶不開放,導致國外船舶到該國海域無法使用AIS系統[4]。目前的辦法是,使用GPS和海事衛星的組合,用GPS獲取實時位置,再通過海事衛星電話報告給岸上監控中心[5]。但海事衛星通話昂貴,基本不可能用其進行全天候的通話和報告,而且使用起來也比較麻煩,這就為監控中心實時監控遠洋船舶帶來了困難。

隨著地球空間信息技術的發展,以北斗衛星導航、地理信息系統(GIS)、大數據及云計算等為代表的集成技術,為遠洋船舶航線監管平臺系統的研究提供了有力支持,特別是北斗一代的短報文雙向通信功能,使我們能在不借助其它通信網絡的前提下,達到船舶位置的一鍵式監控,并可與岸上手機短信的進行互動,實現了一種新型的船舶監控方法。

1 系統總體結構

北斗衛星導航系統是中國自行研制的全球衛星導航系統,是繼美國的GPS、俄羅斯的GLONASS之后第三個成熟的衛星導航系統[6],2003年完成了“北斗一號”(BD-1)衛星導航系統的組網。BD-1是由兩顆地球靜止衛星(80.°E和140.°E),一顆在軌備份衛星(110.5.°E)、中心控制系統、標校系統和各類北斗用戶接收機組成[7]。它是借助于BD-1分別與北斗用戶機、地面控制中心進行雙向通信,通過控制中心來進行輔助定位,因此是有源的衛星導航系統[8]。其覆蓋范圍是在北緯5°～55°,東經70°～140°之間的一個心臟形區域,其形狀為上大下小, 最寬處在北緯35°左右,工作頻率為2 491.75 MHz(S波段)和1 615.68 MHz(L波段)[9]。目前,正在進行的是“北斗二號”(BD-2)衛星導航系統的組網,到2016年3月,已發射了21顆北斗衛星,覆蓋范圍為亞太地區國家,并且已實現了無源定位。計劃到2020年,總共發射35顆北斗衛星形成全球組網覆蓋[10]。我國現在的北斗系統不同于其它衛星導航系統的一個最大特點是,它不僅具有定位、授時、測速的共有功能,而且它還保留了BD-1所特有的雙向短報文通信功能,單次最多可發送120個漢字[11],這是別的導航系統所不具備的,同時這也是我們設計的北斗船舶航線監管平臺系統基礎所在。

該系統的基本工作流程是,通過船載北斗接收機觀測北斗衛星原始數據,在本地解算出位置信息,然后將其或其它信息,經過船載北斗接收機發射給北斗衛星,再由其轉發給地面監控中心的北斗指揮機,由指揮機經過數據處理再交由監控中心各類服務器和存儲,然后進行數據的處理、存儲、展示等。同樣,監控中心的調度信息也可通過北斗指揮機、北斗衛星到達北斗船載終端。系統的整體結構圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

采用的北斗船載機型號為GGBD-ST-02型,如圖2所示,它是針對船舶通信和導航應用推出的一款支持北斗RDSS/RNSS功能的船載機,包含北斗多頻天線、射頻、基帶以及主控板,顯示屏,可實現RDSS定位、短報文通信和RNSS導航定位等功能。

北斗指揮機型號為GGBD-SC-100,如圖3所示,它能夠實時提供其所在位置的經度、緯度與高程,并以標準形式顯示,能進行電文鍵入、編輯、發送、接收和顯示;可同時兼收多個下轄用戶,包括這些用戶的所有通信、定位情況;可向下轄用戶一次同時發送通播信息。即類似于廣播形式,發送一條通播數據后,所有下轄終端可同時收到此條信息;可同時鎖定北斗系統全部6個信道,這樣可大大增強通信成功率,保證在北斗任何一個信道上的數據都可接收至指揮機。

圖2 GGBD-ST-02型北斗船載機

圖3 GGBD-SC-100型北斗指揮機

2 系統關鍵技術原理與優化

2.1 船載機與普通手機及相互之間互發短信

北斗船載機向普通手機發送短信,需要經過指揮機的通信服務進行轉發。其原理為:北斗船載機發送短報文發至指揮機,指揮機的通信服務通過串口收到短報文。當北斗指揮機判斷短報文內容的前11位為手機號碼時,將短報文通過網絡推送至短信網關,再由短信網關發至授權手機,以實現北斗船載機與授權手機之間的短報文通信功能。相反,授權手機也可以向北斗船載機發送短報文,指揮機的通信服務收到來自手機的短信之后,通過識別短信內容的前6位判斷其發送目標,通過調用指揮機的接口,由指揮機發送至船載機,達到授權手機發送短信至船載機的目的。

同樣,北斗船載機發送短報文至船載機也是通過衛星通道直接發送。但是如果船載機卡綁定了一張主卡的話,子卡的船載機發出的短報文將會往主卡的指揮機發一份短報文。此時,主卡的指揮機將具有了廣播的功能,主卡指揮機可以向綁定其的所有子卡廣播短報文,類似短信群發的功能。此功能可應用在海洋船舶監管系統中的天氣播報、緊急通知等。

2.2 性能優化

基于WebGIS 實現目標監控時,網絡平臺需要進行大量的地圖數據與監控數據的交互,為了提高網絡數據的傳輸性能并對交互過程進行高效管理以滿足多用戶訪問的需求,需要對網絡性能進行優化。我們主要通過在WebGIS 中采用AJAX 技術對數據交互性能與利用對象池方法對狀態管理性能進行優化。在傳統的Web 交互中,用戶在瀏覽器客戶端提交操作請求后,Web 服務器接收并處理傳來的請求,返回一個新的頁面,當傳輸數據量大、交互頻繁的時候,頁面運行遲緩。AJAX采用異步交互模式,其最顯著的效果就是用戶獲得服務器返回結果時不需要刷新頁面,這樣,用戶屏幕上的表單便不會閃爍、消失或延遲。將AJAX 技術應用于基于WebGIS 的目標監控中,可以優化地圖加載的響應速度,提高目標監控的效率。

3 系統的功能設計與開發

3.1 系統軟件功能

北斗船舶航線監管平臺系統基于北斗系統所具有的雙向通信功能,實現了船舶的監控和管理、短報文的互發、港口的管理等功能,其主要分為船舶管理模塊、通訊管理模塊、港口管理模塊、報表管理模塊、系統管理模塊。

船舶管理模塊的功能包括實時顯示船舶位置,顯示船舶最近或過去一段時間的船航定位軌跡信息,根據地圖的縮放比例,對船舶定位軌跡節點進行稀疏處理,在地圖上,以小時為單位,在船舶定位軌跡點標注定位時間信息,對船舶定義圓形和多邊形電子圍欄等功能。另外,還具有測速、精密授時的功能,定位精度為10 m,測速精度為0.2 m/s、授時精度為10 ns.此外,該模塊還具有防撞報警和航跡偏差告警等功能,能正確引導船舶按計劃航線航行,一旦船舶偏離計劃航線,能及時修正航向返回計劃航線,以保證船舶的航行安全。

通訊管理模塊的功能包括監控中心通過北斗指揮機對單一船舶或多船舶發送基于文字的短報文信息,如天氣播報、緊急通知等,并可接收船舶發送的基于文字的短報文信息,如遇險救援信息等,一次最多可發送120個漢字。另外,它還具有船舶和岸上授權手機之間互發短信的功能。

港口管理模塊的功能包括劃定船舶出入港口的作業區域并標注,查詢船舶的航班執行情況,為每個執行港口運輸任務的船舶建立任務單等功能。

報表管理模塊的功能包括可按設置的時間生成船舶、航班、港口及通信記錄的報表,并可對其統計和分析,以及進行多種方式的圖形化展示。

系統管理模塊的功能包括定位終端載體使用者的個人身份信息、組織關系信息、身份權限角色信息的管理,平臺及分組管理人員帳戶信息管理,修改當前用戶的登錄密碼等功能。

3.2 系統集成開發模式

本系統采用了集成開發模式,選用Visual C++作為程序設計語言,集成GIS組件式二次開發模式,GIS開發組件選擇ESRI的ArcGIS Engine。它是一套完備的嵌入式GIS 組件庫和工具庫,常用于普通的開發框架中,支持包括COM、.NET框架、Java和C++等多種開發語言,可以方便地將GIS功能嵌入到目標開發軟件中。它的優點是既可以充分利用地理信息系統工具軟件完備的空間數據庫管理、分析功能,又可以利用其他面向對象可視化開發語言具有的高效、方便等編程優點,集二者之所長,不僅能大大地提高應用系統的開發效率,而且使用可視化軟件開發工具開發出來的應用程序具有更好的外觀效果,更強大的數據庫功能,可靠性好,易于移植,便于維護。

本系統已應用于武漢市港航局所管理的航線船舶,其典型的應用展示界面如圖4所示。

圖4 系統應用界面 (a)登錄首頁界面;(b)短信互動界面;(c)船舶管理界面 ;(d)軌跡回放界面

4 結束語

光谷北斗研發的北斗船舶航線監管平臺系統以創建智能船舶監控為目標,通過在武漢市港航局的實際運用,使其管轄下所有航線的船舶都實現了實時監控和全程調度,切實提高了其船舶管理監控業務水平。另外,由于北斗系統是由我國自主研發,安全可控的衛星導航系統,國新辦已于2013年12月27日正式公布了其接口ICD文件,這標志著北斗民用導航正式起步。基于這個契機,我們研發了該套系統,并在武漢港航局進行了正式實施和運用。事實證明,該系統的運用不僅加強了該局對所轄航線船舶的監管和調度,降低了業務運行成本,而且也推動了我國北斗技術的創新和發展,具有較大的實用和推廣價值。

[1] 黎峻宇,劉立龍,蔡成輝,等.北斗RTK在地形測繪中的優越性[J].地理空間信息,2014(6):33-35.

[2] 戴邵武,馬長里,廖劍.“北斗一代”導航定位系統分析與研究[J].計算機與數字工程,2010,38(3):57-59.

[3] 鄭逸璇,徐灝.基于北斗系統的船舶應急救援及預警系統設計[J].硅谷,2012(15):61-63.

[4] 張之孔,馬懷武,張海波.基于“北斗一號”的地圖匹配可行性與方法探討[J].地理空間信息,2011(4):22-24.

[5] 周玲.北斗衛星導航系統的船舶監控應用及展望[J].中國水運,2014(7):82-83.

[6] 李焱,苗勇,劉冬,等.北斗系統在智慧航運領域的應用研究[J].數字通信世界,2013(Z2):19-21.

[7] 安慶,李巖,張婷婷.橋梁安全監護系統設計與應用[J].城市勘測, 2016(1):11-15.

[8] 王艷軍,王曉峰.AIS和北斗終端組合在船舶動態監控中的應用[J].上海海事大學學報,2011,32(4):17-21.

[9] 梅強,胡勤友,楊春.基于Android平臺的船用北斗通信導航系統設計[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2013(5):595-598.

[10]郭毅.基于北斗衛星導航系統的船聯網應用研究[J].交通標準化,2014(21):63-71.

[11]鄭乃龍,徐軼群.基于北斗衛星通信的船舶綜合信息系統[J].廈門科技,2011(4):33-36.

Design and Implementation of the System of Vessels′ Courses Supervision Platform Based on BDS

AN Qing1,WU Shusen2

(1.WuhanOpticsValleyBeiDouHoldingsGroupCo.,LTD,Wuhan430206,China;2.HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

In view of the existence of the pain points of blind spots and expensive costs to marine vessels by traditional supervision means,by using positioning、velocity measuring、time granting and the unique two-way short message communication function of BeiDou satellite navigation system,designed a set of vessels' courses supervision platform system based on BDS,and made use of it in the supervision of vessels’ route in Wuhan Port and Shipping Authority. The results proved the system can achieve the function of real-time positioning、velocity measuring、precious time granting of the vessels,and the function of the two-way communication between vessels, with the vessels’ monitoring center and with mobile phones,under the premise that the system does not depend on other communication technology. In addition,the system has the function of Collision and deviation warning,and the advantages of all-weather, no blind spots, low rates, high reliability,and has great practical value.

Beidou generation one; short message; vessels monitoring; two way communication

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.011

2016-09-19

P228.4

A

1008-9268(2017)02-0050-05

安慶 (1969-),男,高級工程師,研究方向為3S技術集成與應用。

吳樹森 (1961-),男,教授,研究方向為智慧城市建設。

聯系人: 安慶 E-mail: 490756729@qq.com