基于北斗的航標遠程監測系統分析

蔣海城 郜喆

摘? 要：航標是重要的港內基礎設施，對其運行狀態進行監測和管理是保證船舶進出港安全和經濟航行的關鍵前提。長期以來，我國的航標監測多采用GSM+GPS的方式，但GPS在安全性上無法保證，GSM則在信號覆蓋上有較大不足。北斗系統是我國自主研發的技術，無論是安全、覆蓋、精度和速度等方面都有著獨特的優勢。北斗系統的廣泛應用給航標的遠程監測提供了新的思路。文章介紹了北斗系統的特點及應用，分析了航標監測領域存在的主要問題，然后根據實際需求設計開發了一款基于北斗的航標遠程監測系統，具有重要的實用價值。

關鍵詞：北斗系統;航標;遠程監測

中圖分類號：U644.8 文獻標志碼：A 文章編號：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

航標是建設在港口、航道和港區的重要水上交通基礎設施，可以為船舶提供航行的引導及障礙物標示。航標是否充分發揮其應有的作用，不僅影響船舶的安全航行，甚至可能危及船員的人身安全。隨著海運的迅速發展，水上航標數量越來越多，如何對其進行高效管理成為當前面臨的一大難題[1]。傳統的人工巡檢模式已不能滿足大量航標的高效管理，因而信息化技術開始在航標監測領域得到廣泛應用。北斗技術是我國自主研發的導航技術，將其應用于航標遠程監測是海運事業發展的必然要求[2]。

1 北斗系統概述

從2003年開始，我國自主研發的北斗導航系統（COMPASS）正式進入大規模應用階段[3]。北斗導航系統不僅為用戶提供了精準定位功能，還兼顧了強大的數據通信功能。經過多年的發展，北斗系統已經在航空航天、航海、交通運輸、氣象、森林防火、通信、國防等領域得到了極為廣泛的應用。

北斗系統采用三點定位，再提供一顆修正衛星以保證定位精度。北斗的授時精度約為50nS，還提供了特殊的短報文通信能力，實現了終端之間或者終端與控制中心之間的雙向通信。北斗的這種短報文通信無需依賴于第三方系統，可以完成獨立組網和數據通信，是實質上的全球衛星通信系統。北斗系統首次實現了短報文通信，也就是導航系統的雙向數據通信[4]。這為北斗導航系統在船舶動態監控中的應用提供了較好的技術基礎。

在北斗系統誕生之前，美國的GPS系統在我國得到了極為廣泛的應用，占據了我國導航定位的幾乎所有市場。然而GPS是美國研發的民用軍用一體化高科技系統，我國不具有相應的知識產權，在敏感時期使用GPS系統將使我國陷入十分被動的局面。北斗系統的正式投入運行，為我國自主導航技術的開發奠定了堅實的技術基礎。從國家安全和核心技術突破的角度上看，采用北斗系統是我國發展航海事業、保護船舶航行、保障國家安全的必然選擇。

2 航標監測的現存問題

航標是一種重要的港口基礎設施，我國幾乎所有港口都備了數量相當的航標。但是大量的航標投入運行之后是否能持續發揮其引航作用則很少受到管理部門的關注。也就是說，我國大部分地區都只注重航標的使用，而不夠注重航標的維護。調查發現，我國許多港口對航標的管理仍以人工巡檢為主，這種傳統的模式不僅效率低下，而且容易出錯誤，對航標的維護也不及時，尤其是在氣象條件較差的時候，依靠人工進行航標維護就變得更加困難了。

在這種情況下，航標信息化開始受到許多港口管理人員的關注，一些大型港口已經嘗試采用信息化航標對大量航標進行遠程監測和管理。這些信息化工作主要依靠了GPS或GSM等進行數據傳輸，但GSM不能獨立運行，需要與地面基站相互配合才可以完成數據的傳輸，因而GPS在一些重要港口十分常用。但GPS受美國軍方管控，安全性難以保證。

隨著我國北斗系統的投入使用，采用北斗系統代替GPS和GSM的方案已經在很多文獻和港口現場中可以看到。但是，北斗系統在航標監測領域的應用還很不規范，仍未形成統一的標準，因而航標監測系統必須由不同的廠家定制開發，通用性和實用性都還有很大的發展空間。

3 基于北斗的航標遠程監測系統分析

（1）系統功能需求。航標監測主要是指通過某種技術手段遠程取得航標當前的位置和狀態信息，因此航標監測系統應包括監測部分和管理部分。根據航標監測的一般特點，系統需要包括的功能主要有：自主查詢、信息匯總與檢索、狀態信息獲取、系統工作記錄、自動報警、設定工作指標、航標管理、遠程控制、權限及名單管理、顯示航標的坐標和軌跡。當然以上功能的實現需要利用電子海圖、數據庫、無線通信等一系列技術。（2）關鍵技術選型。航標監測系統涉及的關鍵技術包括定位算法、定位方案和通信方案。北斗系統采用了差分定位技術使定位誤差控制在較低水平，例如偽距單點定位算法。采用偽隨機碼測距的誤差通常在百分之一碼元寬度的范圍。載波相位測量通過運用衛星載波信息和本振參考信息進行一系列復雜的相位運算，得到目標的位置，無需碼元信息，因而不受碼元控制。兩種算法各有優點，應同時提供給用戶選擇使用。無線電定位技術被廣泛用于遠程監測領域，例如移動網定位、地面無線電定位、衛星定位等。導航系統。移動網絡定位只需要一部手機即可實現定位，無需額外設備，但其準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用，因而不完全適用于航標監測。陸基無線電系統可以精確定位快速移動的目標，例如飛機、汽車、導彈等，但其定位精度與目標的距離有關，這種技術主要用于軍事領域，對于航標監測而言成本過高。（3）系統總體結構分析。傳統的航標監測系統已得到較廣泛應用，其整套系統主要由GSM模塊、北斗通信模塊、自檢模塊、電源模塊、數據采集模塊等部分組成。通信模塊通過衛星獲得自身地理坐標，然后通過自檢模塊讀取航標的當前狀態數據，數據集中匯總后由GSM模塊向遠端發送出去，遠程監控中心收到數據后得到當前航標位置及狀態，從而實現遠程監測。本系統以北斗系統為核心，充分借鑒傳統的GSM技術的思路，構成一套先進的航標遠程監測系統。采用北斗芯片代替GSM模塊可以克服GSM的覆蓋問題，因為衛星系統的覆蓋是全球性的，并且北斗具備報文傳輸能力，因此非常適合用于航標的遠程監測。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，再與海況、航標位置、狀態等信息匯總起來，通過通信芯片傳輸到衛星上，由衛星轉發至遠程監控中心。

4 功能模塊分析

（1）數據采集終端。數據采集終端包含參數配置、北斗定位芯片和各類傳感器組成，數據采集終端通常被安裝在航標上，可以實時采集海況參數、航標狀態、氣象參數等參數。海況主要是指水文狀態和交通狀態，有時候也包含氣象信息，可以實現對溫濕度、能見度、風速風向、水流速度等一系列的參數進行采集。航標狀態則是指航標的電壓、電流以及燈器工作狀態。航標上還配備了采集控制芯片，集成高性能CPU芯片，可以實現閃光頻率調整、報警參數設備等功能。采集到的數據與衛星定位數據一起打包向遠端監控中心發送，也可以接收監控中心下發的控制指令。（2）北斗定位通信模塊。前已敘及，北斗系統既可以進行目標定位，又可以傳輸數據報文，但這并不是說北斗芯片集成了兩種功能，而是通過采用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。由于北斗系統在本系統中處于核心地位，因此相關的芯片選型直接決定了整個系統的性能。綜合各種因素，本文采用STC12C5A32S2單片機為主控模塊，采用TYMD052為RDSS模塊以完成數據的收發，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，該芯片是國產芯片，不僅性能較高，而且擁有自主知識產權，因此在航標監測領域中應優先使用。（3）電源模塊。電源是保證系統正常運行的前提條件，考慮到航標所處位置通常比較特殊，不可能直接采用有線的電路進行供電，因此本系統采用了太陽能電源，配備高性能電池控制器，對太陽能轉化成的電能進行分配和管理。根據系統功耗，太陽能電池板共180W，共分為四塊。當太陽能轉化的電量多于系統耗電量時，采用蓄電池將多余的電能存儲起來，當天氣狀況不佳無陽光時，則通過蓄電池進行供電。為了使電源模塊的輸電壓保持穩定，系統采用了LM1117芯片進行電壓調節和比例變換。（4）數據處理模塊。數據處理由于涉及比較復雜的算法和較大的運算量，因此很難在芯片上完成。本文將原始數據發送到數據處理模塊中進行統一處理，數據處理模塊在監控中心服務器上，配套了專用的監測軟件平臺，不僅可以實現數據接收和存儲，還可以實現數據預處理、數據解析、數據儲存和數據轉發等多種功能。

數據處理模塊的處理程序是根據數據類型的不同而不同的，因此本文對數據的傳輸協議進行了設計，以實現多種數據的處理。經分析，本系統的數據共分為5類，分別是海況數據、天氣數據、報警數據、位置數據以及航標狀態，其中報警數據會得到系統的優先處理。

5 結束語

隨著我國對海洋資源和航運的重視，海上或港口的船舶數量必然會不斷上升，航標的管理難度將日益加大。北斗系統的應用是解決航標遠程監控的重要技術手段。十多年來，北斗系統不斷得到發展和完善，其應用領域正在不斷擴張。根據國家總體部署，到2020年，北斗系統將實現全球覆蓋，新的技術也將得到應用和驗證。這些發展都為航標的動態監控提供了更加有利的條件，必將更好地促進航海航運事業的快速發展，大大提高船舶航行的安全性。

參考文獻：

[1]盧好陽，戴玉麟，盛曉春，等.北斗衛星定位技術在SAVONIUS型航標中的應用[J].中國水運（下半月），2019，19（01）：109-110.

[2]邢天任，朱偉.北斗系統在航運安全管理中的應用研究[J].珠江水運，2018（16）：94-95.