基于BD/GPS通信原理的便攜式北斗 航標(biāo)檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與研制

陳國(guó)偉 岳添韻 任虹 秦宇

摘? 要：隨著北斗海事應(yīng)用深入，北斗航標(biāo)終端在航標(biāo)管理部門得到推廣。但是，目前航標(biāo)管理人員沒有專門的北斗航標(biāo)終端檢測(cè)儀器，無法對(duì)北斗航標(biāo)終端性能和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。尤其在現(xiàn)場(chǎng)航標(biāo)人員完成終端安裝后，須通過其他通信方式和北斗航標(biāo)管理中心確認(rèn)數(shù)據(jù)通信是正常的，一旦通信受限而無法進(jìn)行確認(rèn)，北斗航標(biāo)安裝的可靠性就無法保證，可能會(huì)導(dǎo)致北斗航標(biāo)后續(xù)反復(fù)安裝，造成船舶、人力等成本浪費(fèi)和時(shí)間的消耗。為了有效解決北斗航標(biāo)質(zhì)量、安裝調(diào)試和巡檢維護(hù)等全過程檢測(cè)，提出研制一款基于BD/GPS通信原理的便攜式北斗航標(biāo)檢測(cè)儀。

關(guān)鍵詞：北斗航標(biāo);便攜式;檢測(cè)儀;BD/GPS

0 引 言

航標(biāo)是保障船舶安全、經(jīng)濟(jì)、便利航行的重要設(shè)施，對(duì)發(fā)展水上交通運(yùn)輸、海洋資源開發(fā)、漁業(yè)捕撈、國(guó)防建設(shè)和維護(hù)國(guó)家主權(quán)均起著重要的作用。為了方便航標(biāo)的管理，在傳統(tǒng)的航標(biāo)上增加了遙測(cè)遙控功能，特別是北斗短報(bào)文進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的遙測(cè)遙控的采用，大大提高了航標(biāo)的管理范圍，使原來的近海航標(biāo)管理，擴(kuò)展到遠(yuǎn)海航標(biāo)管理。由于北斗航標(biāo)采用衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，具有通信距離遠(yuǎn)，通信受電磁干擾小的特點(diǎn)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有航標(biāo)遙測(cè)系統(tǒng)公用網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋不均衡的不足，因此在北斗海事應(yīng)用深化的背景下，近年北斗航標(biāo)終端在我國(guó)沿海航標(biāo)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(biāo)遙測(cè)終端的安裝數(shù)量接近1 600座。

隨著北斗航標(biāo)終端的推廣使用，在設(shè)備管理和運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)的問題。目前，航標(biāo)用戶在獲得北斗航標(biāo)終端后，沒有專門的測(cè)試儀器來檢測(cè)北斗航標(biāo)的質(zhì)量和工作狀態(tài)，對(duì)有故障的北斗航標(biāo)不能及時(shí)地排除，導(dǎo)致北斗航標(biāo)后續(xù)反復(fù)安裝，造成了極大的成本和時(shí)間的消耗。特別是現(xiàn)場(chǎng)航標(biāo)人員在安裝完成后，還需要打電話和北斗航標(biāo)管理中心確認(rèn)是否數(shù)據(jù)通信正常，如果因現(xiàn)場(chǎng)公網(wǎng)信號(hào)不足無法和北斗航標(biāo)中心進(jìn)行確認(rèn)，北斗航標(biāo)安裝的可靠性就無法得到保證，就存在通信失敗的風(fēng)險(xiǎn)。另外，北斗航標(biāo)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(biāo)出入庫(kù)的質(zhì)量檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試前后的檢測(cè)、后期的巡檢和維護(hù)檢測(cè)，迫切需要研制一款便攜式北斗航標(biāo)檢測(cè)儀。

1? ?研制目標(biāo)

依據(jù)信息化、數(shù)字化、立體化、現(xiàn)代化海事管理建設(shè)理念，研發(fā)建設(shè)具有集成度較高、能耗低、實(shí)時(shí)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(biāo)檢測(cè)儀系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)海上航標(biāo)運(yùn)行狀況進(jìn)行有效實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，進(jìn)而保障船舶安全、海上經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及便利航行。

設(shè)計(jì)的便攜式北斗航標(biāo)檢測(cè)儀研制的主要目標(biāo)如下：

（1）檢測(cè)北斗航標(biāo)本身定位信息是否準(zhǔn)確

便攜式北斗航標(biāo)檢測(cè)儀可以接收到北斗航標(biāo)上傳的自身坐標(biāo)信息，檢測(cè)儀器將上傳的坐標(biāo)信息和參考坐標(biāo)信息進(jìn)行比較來確認(rèn)航標(biāo)設(shè)備定位是否準(zhǔn)確。參考坐標(biāo)信息有2種來源，一種是通過人為的設(shè)置經(jīng)緯度坐標(biāo)點(diǎn)，另一種是通過檢測(cè)儀器自身帶的定位信息作為參考。

（2）檢測(cè)北斗航標(biāo)本身電壓電流采集是否正常

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

（3）檢測(cè)北斗航標(biāo)北斗短報(bào)文通信狀態(tài)和參數(shù)是否正常

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

（4）北斗航標(biāo)檢測(cè)儀設(shè)備體積小巧、操作使用方便

北斗航標(biāo)檢測(cè)儀是一個(gè)輔助檢測(cè)設(shè)備，考慮到航標(biāo)管理現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境局限性，研制的目標(biāo)是設(shè)備盡量的體積小，重量輕，界面簡(jiǎn)單，方便使用。

2 技術(shù)路線

根據(jù)研制目標(biāo)和應(yīng)用場(chǎng)景，便攜式北斗航標(biāo)檢測(cè)儀主要用于安裝前設(shè)備性能檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工作狀態(tài)檢測(cè)，用戶可根據(jù)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的通信環(huán)境選擇北斗短報(bào)文或網(wǎng)絡(luò)訪問（3G/4G/局域網(wǎng)）來檢測(cè)北斗航標(biāo)終端，如圖1所示。檢測(cè)查詢系統(tǒng)包含便攜式北斗航標(biāo)檢測(cè)儀、航標(biāo)終端設(shè)備、通信中繼設(shè)備（衛(wèi)星、4G基站等）以及后臺(tái)管理服務(wù)器。

（1）北斗航標(biāo)終端數(shù)據(jù)上傳

目前，北斗航標(biāo)終端設(shè)備的工作機(jī)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(shè)備本身的位置信息等），以北斗短報(bào)文的方式通過北斗衛(wèi)星、衛(wèi)星地面站或指揮機(jī)將這些參數(shù)上傳給岸上航標(biāo)數(shù)據(jù)管理中心。

（2）便攜式北斗航標(biāo)檢測(cè)儀查詢（2種方式：北斗短報(bào)文和3G/4G）

①北斗短報(bào)文方式查詢：根據(jù)北斗航標(biāo)終端設(shè)備的工作機(jī)制，便攜式北斗航標(biāo)檢測(cè)儀主要是采用數(shù)字處理芯片來控制北斗短報(bào)文模塊，以北斗短報(bào)文形式通過自檢、目標(biāo)查詢申請(qǐng)等指令，通過軟件管理后臺(tái)從航標(biāo)管理中心后臺(tái)服務(wù)器得到相關(guān)航標(biāo)狀態(tài)參數(shù)查詢信息，從而達(dá)到檢測(cè)北斗航標(biāo)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(hào)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(biāo)檢測(cè)查詢指令，通過軟件直接訪問航標(biāo)管理中心后臺(tái)服務(wù)器得到相關(guān)航標(biāo)狀態(tài)參數(shù)，用于檢測(cè)北斗航標(biāo)設(shè)備功能是否正常。

3 設(shè)備研制

（1）研制內(nèi)容

便攜式北斗航標(biāo)檢測(cè)儀研制內(nèi)容分為便攜式北斗航標(biāo)檢測(cè)儀的硬件開發(fā)與軟件開發(fā)，以及航標(biāo)數(shù)據(jù)中心的后臺(tái)管理軟件的開發(fā)工作。其中，硬件開發(fā)包括北斗短報(bào)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?jìng)髂K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(tái)軟件開發(fā)，終端軟件開發(fā)主要為便攜式北斗航標(biāo)檢測(cè)儀提供良好的人機(jī)交互操作界面，而后臺(tái)軟件開發(fā)則主要是提供Web服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)、數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)以給操作用戶提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口、存儲(chǔ)、查詢、轉(zhuǎn)發(fā)及應(yīng)用等服務(wù)。

（2）系統(tǒng)組成

便攜式北斗航標(biāo)檢測(cè)儀主要由主機(jī)和顯示終端兩部分組成，主機(jī)和顯示終端之間通過無線WIFI進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，下圖2所示。①為便攜式北斗航標(biāo)檢測(cè)儀主機(jī)，②為便攜式北斗航標(biāo)檢測(cè)儀顯示終端（手機(jī)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(biāo)準(zhǔn)12 V電源，MCU通過串口分別與北斗短報(bào)文模塊、北斗/GPS定位模塊進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)，針對(duì)不同的指令或信息內(nèi)容進(jìn)行打包或解包，再通過系統(tǒng)內(nèi)部作為SERVER模式、具有透?jìng)鞴δ艿腤IFI模塊的不同端口與顯示終端進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信，在顯示終端的人機(jī)界面上操作APP相應(yīng)功能區(qū)域，即可進(jìn)行設(shè)置、發(fā)送相關(guān)查詢指令或閱覽相關(guān)查詢信息等操作。

（4）系統(tǒng)軟件

便攜式北斗航標(biāo)檢測(cè)儀軟件，如圖4所示，包括終端APP軟件和后臺(tái)軟件，其中終端APP軟件安裝于顯示終端（手機(jī)或PAD），具有北斗航標(biāo)檢測(cè)、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(yīng)功能區(qū)及設(shè)置相關(guān)IP及端口配置，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能顯示及查詢，見圖5。

后臺(tái)軟件為用戶提供一套管理后臺(tái)應(yīng)用、服務(wù)、參數(shù)配置、數(shù)據(jù)查詢的人機(jī)交互界面。可接收到的北斗報(bào)文、便攜式終端請(qǐng)求響應(yīng)狀態(tài)、設(shè)備通訊狀態(tài)及便攜式終端在線列表進(jìn)行查詢，通過對(duì)上述數(shù)據(jù)的查看可以及時(shí)了解目前系統(tǒng)的工作狀態(tài)，便于在問題出現(xiàn)時(shí)進(jìn)行排查、解決。后臺(tái)服務(wù)主要由Web服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)、數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)等三大部分組成，見圖6。

4? ?設(shè)備特性

（1）本檢測(cè)設(shè)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(biāo)檢測(cè)儀主機(jī)集成了定位、通訊、控制處理等模塊，并內(nèi)置電池來給設(shè)備進(jìn)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(biāo)檢測(cè)儀主機(jī)底座有磁性可吸附在船舶甲板上，以保證衛(wèi)星信號(hào)接收良好，本設(shè)備外配顯示設(shè)備，用戶可通過無線方式和主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換來提供操作使用。

（2）設(shè)備采用雙串口&WiFi透?jìng)魍ㄓ嵞K設(shè)計(jì)

便攜式北斗航標(biāo)檢測(cè)儀系統(tǒng)采用雙串口&WIFI透?jìng)髂K設(shè)計(jì)，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(bào)文模塊、北斗/GPS授時(shí)定位模塊，兩通道間數(shù)據(jù)收發(fā)相互獨(dú)立、互不干擾。在AP模式下，通過在顯示終端設(shè)置各通道模式下的服務(wù)器地址、對(duì)應(yīng)端口號(hào)以及設(shè)定通道數(shù)據(jù)波特率，就可方便地在便攜式北斗航標(biāo)檢測(cè)儀主機(jī)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(chǎng)信號(hào)情況智能判斷檢測(cè)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(hào)和工作數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的APP軟件，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)衛(wèi)星、3G/4G等信號(hào)強(qiáng)度選擇相應(yīng)的檢測(cè)模式（北斗短報(bào)文模式和4G模式）。使用北斗短報(bào)文模式APP會(huì)自動(dòng)連接檢測(cè)設(shè)備主機(jī)WIFI網(wǎng)絡(luò)，通過主機(jī)發(fā)送查詢指令查詢并獲取目標(biāo)北斗航標(biāo)終端的工作狀態(tài);使用3G/4G/局域網(wǎng)模式APP通過網(wǎng)絡(luò)訪問后臺(tái)服務(wù)器，實(shí)際上不需要通過主機(jī)中轉(zhuǎn)而直接獲取目標(biāo)終端的工作狀態(tài)，操作方便，檢測(cè)效率更高。

5? ?應(yīng)用與展望

隨著便攜式北斗航標(biāo)檢測(cè)儀的成功研制以并投入使用，不僅能夠完美解決北斗航標(biāo)終端使用周期中性能和運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)的問題，對(duì)北斗航標(biāo)終端后期的巡檢和維護(hù)檢測(cè)也可提供方便快捷的支持，從而保障北斗航標(biāo)終端正常、穩(wěn)定的運(yùn)行，很好地促進(jìn)了北斗航標(biāo)設(shè)備在海事航保的推廣應(yīng)用。同時(shí)在現(xiàn)有檢測(cè)功能基礎(chǔ)上，將逐步拓展北斗船臺(tái)、北斗示位標(biāo)等海事北斗設(shè)備的檢測(cè)功能，進(jìn)一步提升檢測(cè)設(shè)備的通用性，為海事北斗全面深化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

陳國(guó)偉，高級(jí)工程師

岳添韻，助理工程師

任虹，高級(jí)工程師