利用北斗傳輸?shù)暮Ｑ笥^測(cè)航道浮標(biāo)

◎ 許娟 廖銘勝 郭婧 天津海事局

李棟 天津天元海科技開發(fā)有限公司

1.引言

港域環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)建于港口，用于監(jiān)測(cè)港域海洋環(huán)境素（如水溫、潮流、流向、水位、風(fēng)力、風(fēng)向等），并為船舶進(jìn)出港、離靠泊提供安全保障的監(jiān)測(cè)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。其核心是及時(shí)將海洋環(huán)境要素觀測(cè)值予以傳輸和顯示。

為通航服務(wù)的海洋觀測(cè)浮標(biāo)，最好是布設(shè)在航道，如果遠(yuǎn)離航道，其數(shù)據(jù)有效性將會(huì)大大降低。但傳統(tǒng)的多功能浮標(biāo)，忽略了浮標(biāo)做為導(dǎo)助航設(shè)施的基本功能。為有效利用導(dǎo)航浮標(biāo)，提高多功能浮標(biāo)采集數(shù)據(jù)的可靠性。

天津港復(fù)式航道是國內(nèi)首條采用復(fù)式交通組織方式、世界最大集裝箱船舶可便捷進(jìn)出港、雙進(jìn)雙出“四車道”大幅提升通行效率，在復(fù)式航道保駕護(hù)航下，天津港已經(jīng)同世界上180多個(gè)國家和地區(qū)的500多個(gè)港口實(shí)現(xiàn)貿(mào)易往來，120條集裝箱航線和每月550余班航班直達(dá)世界各地。復(fù)式航道口門，距離河北省唐山市曹妃甸區(qū)南堡鎮(zhèn)10海里，距離大沽燈塔11海里，距離天津市濱海新區(qū)東突堤16海里，移動(dòng)、電信、聯(lián)通三大運(yùn)營商信號(hào)覆蓋比較弱，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的短報(bào)文功能可以實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回傳。

2.信號(hào)測(cè)試

2.1 2019年2月27日現(xiàn)場(chǎng)勘查拋投位置

圖1是2019年2月27日，攜帶電信設(shè)備進(jìn)行拉距測(cè)試信號(hào)圖，實(shí)線是有信號(hào)區(qū)域，虛線是無信號(hào)區(qū)域。在大沽燈塔以內(nèi)信號(hào)很好，在東北和正東以及東南方向，離大沽燈塔12公里左右沒有信號(hào)。

2.2 2019年4月2日現(xiàn)場(chǎng)勘查拋投位置

圖2是2019年4月2日，攜帶電信設(shè)備進(jìn)行拉距測(cè)試信號(hào)圖，實(shí)線是有信號(hào)區(qū)域，虛線是無信號(hào)區(qū)域。在大沽燈塔以內(nèi)信號(hào)很好，在正東以及東南方向，離大沽燈塔12公里左右信號(hào)非常弱，在1號(hào)燈浮標(biāo)開始陸續(xù)有信號(hào)是河北省電信基站的信號(hào)，推測(cè)是唐山市豐南區(qū)黑沿子鎮(zhèn)或者唐山市曹妃甸區(qū)南堡鎮(zhèn)轄區(qū)內(nèi)的基站。

圖3是2019年4月2日，攜帶移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行拉距測(cè)試信號(hào)圖，實(shí)線是有信號(hào)區(qū)域，虛線是無信號(hào)區(qū)域。在大沽燈塔以內(nèi)信號(hào)很好，但在大沽燈塔以東信號(hào)就非常弱，在錨地和錨地東部航道，有河北省移動(dòng)基站的信號(hào)，推測(cè)是豐南區(qū)黑沿子鎮(zhèn)轄區(qū)內(nèi)的基站。

2.3 2019年5月9日-6月19日測(cè)試情況

2019年5月9日-6月19日在3號(hào)浮標(biāo)附近的2號(hào)浮標(biāo)，進(jìn)行了長時(shí)間電信和移動(dòng)信號(hào)測(cè)試，在24號(hào)浮標(biāo)進(jìn)行了電信信號(hào)測(cè)試。

從圖4得知，2號(hào)浮標(biāo)電信信號(hào)通訊成功率20%左右，移動(dòng)信號(hào)通信成功率55%左右，但存在長時(shí)間無信號(hào)的情況，2019年6月11日-6月18日，移動(dòng)和電信信號(hào)都出現(xiàn)長達(dá)數(shù)小時(shí)無信號(hào)情況。無論是電信還是移動(dòng)信號(hào)都不穩(wěn)定。

圖1 2019年2月27日電信拉距測(cè)試圖

2019年6月2日-2019年6月6日，因大沽燈塔電信基站故障，導(dǎo)致2號(hào)浮標(biāo)和24號(hào)浮標(biāo)電信信號(hào)中斷。

3.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)介紹

中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（英文名稱：BeiDou Navigation Satellite System，簡稱BDS）是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也是繼GPS、GLONASS之后的第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）和美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO，是聯(lián)合國衛(wèi)星導(dǎo)航委員會(huì)已認(rèn)定的供應(yīng)商。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并具備短報(bào)文通信能力，已經(jīng)初步具備區(qū)域?qū)Ш健⒍ㄎ缓褪跁r(shí)能力，定位精度10米，測(cè)速精度0.2米/秒，授時(shí)精度10納秒。

2020年7月31日上午10時(shí)30分，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成暨開通儀式在人民大會(huì)堂舉行，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習(xí)近平宣布北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通。

3.2 短報(bào)文功能

北斗衛(wèi)星的短報(bào)文通信功能是北斗衛(wèi)星系統(tǒng)相比于其他衛(wèi)星定位系統(tǒng)非常獨(dú)特和實(shí)用的功能，在海事系統(tǒng)應(yīng)用中，相對(duì)于其他的無線通信技術(shù)，具有獨(dú)特的價(jià)值和優(yōu)勢(shì)。如AIS系統(tǒng)、公用無線蜂窩通信系統(tǒng)（3G、4G、GPRS）、海事VHF電臺(tái)無線通信方式的覆蓋范圍只能達(dá)到沿海數(shù)十海里的范圍，無法在廣闊的中國海域提供通信服務(wù)；而海事衛(wèi)星或者其他衛(wèi)星通信服務(wù)的通信費(fèi)用非常昂貴，北斗衛(wèi)星的短消息通信功能對(duì)于在廣闊的中國沿海海域范圍內(nèi)，可以提供費(fèi)用非常低的低帶寬通信功能，每個(gè)短消息可以發(fā)送約70個(gè)字節(jié)的信息量，這些信息量，對(duì)于海上船舶的指令傳遞、船舶、人員、貨物信息傳輸?shù)却罅筷P(guān)鍵的信息傳輸需求，具有很好的解決效果，同時(shí)，可針對(duì)位置報(bào)告、指揮控制、身份識(shí)別、情況通報(bào)、海上救援、北斗系統(tǒng)公告等典型北斗通信應(yīng)用，設(shè)計(jì)精干高效、可靈活擴(kuò)展的專用短信代碼協(xié)議，實(shí)現(xiàn)基于北斗系統(tǒng)的海事業(yè)務(wù)信息的高效傳輸和精確應(yīng)用。

4.北斗傳輸實(shí)現(xiàn)

4.1 實(shí)現(xiàn)思路

利用北斗傳輸?shù)暮Ｑ笥^測(cè)航道浮標(biāo)采用“北斗通信終端”替換原有的數(shù)據(jù)傳輸單元，把原來的公網(wǎng)傳輸和北斗傳輸改造升級(jí)為北斗傳輸。在天津海事局船舶交通管理中心機(jī)房增加一臺(tái)“北斗指揮機(jī)”，該指揮機(jī)外接北斗天線，收發(fā)多功能浮標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，該指揮機(jī)通過串口連接“北斗中轉(zhuǎn)服務(wù)器”，通過互聯(lián)網(wǎng)將多功能浮標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給“服務(wù)器接收程序”并與之交互，在經(jīng)過改造后的“數(shù)據(jù)接口接入服務(wù)”程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)處理和保存。

4.2 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收機(jī)制

當(dāng)要發(fā)送的消息長度超出北斗單條短消息最大允許長度時(shí)，需要做好拆包、排序以及接收端的組包工作；做好數(shù)據(jù)丟包的續(xù)傳工作。

4.3 分包組包規(guī)則

完整信息采用二進(jìn)制信息方式，以字節(jié)方式傳送。

指定文件被拆開并分包，每包為76個(gè)字節(jié)，尾包不足76字節(jié)，使用0填充為76個(gè)字節(jié)，分包規(guī)則為：

（1）首包：

包標(biāo)識(shí)（1byte）＋包數(shù)標(biāo)識(shí)（1byte）＋有用信息總長度（2byte）＋信息內(nèi)容（71byte）

包標(biāo)識(shí)：一個(gè)數(shù)字，標(biāo)識(shí)此信息號(hào)碼，以后所有此信息子包均包含此包標(biāo)識(shí)。軟件自動(dòng)從16至255自動(dòng)輪流使用。0表示此包內(nèi)容為命令類型。（命令類型包用于保證包通訊中的重發(fā)流程）。1表示位置信息包。2－15數(shù)字暫時(shí)備用。

包數(shù)標(biāo)識(shí)：表示此包在信息包流的位置。首包為1，類推。最多255包。（表示最大發(fā)送約255＊74個(gè)字節(jié)。）

有用信息總長度：表示有用信息的總字節(jié)數(shù)，不含包標(biāo)識(shí)、包數(shù)標(biāo)識(shí)，有用信息總長度、校驗(yàn)碼等附加信息長度。

（2）中間包：

包標(biāo)識(shí)（1byte）＋包數(shù)標(biāo)識(shí)（1byte）＋有用信息總長度（2byte）+信息內(nèi)容（74byte）

（3）尾包：

包標(biāo)識(shí)（1byte）＋包數(shù)標(biāo)識(shí)（1byte）＋有用信息總長度（2byte）+信息內(nèi)容（74byte）

圖2 2019年4月2日電信拉距測(cè)試

圖3 2019年4月2日移動(dòng)拉距測(cè)試?yán)鄿y(cè)試

尾包中信息內(nèi)容不足74字節(jié)，使用0填充為74字節(jié)。解包時(shí)候，在保證有用信息總長度正確的前提下，系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)判斷接收所有包數(shù)，同時(shí)尾包內(nèi)填充字節(jié)自動(dòng)忽略。

（4）命令包

包標(biāo)識(shí)為0（1byte）＋命令符（1byte）＋參數(shù)（76byte）

包標(biāo)識(shí)為0，標(biāo)識(shí)命令型包。

有用信息長度：信息內(nèi)容中有用的字節(jié)數(shù)目。

命令包主要用于北斗通訊丟包時(shí)候的重發(fā)機(jī)制。

命令包內(nèi)容如下：

①ACK包

表示接收完整的命令包。

命令符：1（二進(jìn)數(shù)），參數(shù)：可以為無。

包內(nèi)容格式：

00 01

② END包

表示發(fā)送完畢，等待下一步的命令。

命令符：2（二進(jìn)數(shù)），參數(shù)：可以為無。

包內(nèi)容格式：

00 02

3）RESEND包

表示要求重發(fā)的命令包。

命令符：3（二進(jìn)數(shù)），參數(shù)：需要重發(fā)的包數(shù)標(biāo)識(shí)，一個(gè)字節(jié)表示一個(gè)包。如果是0，表示全部重發(fā)。參數(shù)數(shù)目由消息長度決定。

圖4 2019年5月9日-6月19日長時(shí)間測(cè)試

圖5 信息接收流程圖

圖6 數(shù)據(jù)接收流程圖

圖7 信息發(fā)送流程圖

包內(nèi)容格式：示例

00 03 00 resend命令全部重發(fā)

00 03 01 02 03 表示重發(fā)1，2，3號(hào)包

00 03 04 06 表示重發(fā)4，6號(hào)包

00 03 24 30 表示重發(fā)24，30號(hào)包

如果一條resend命令無法表示所有重發(fā)的包數(shù)（超過76個(gè)包），用戶則需要利用協(xié)議分步發(fā)送resend包。即先要求一部分重發(fā)，再要求另外一部分重發(fā)。

4.4 加密解密和壓縮算法

（1）加密。采用DES密機(jī)制。針對(duì)信息文件采用密鑰進(jìn)行加密運(yùn)算。后臺(tái)計(jì)算機(jī)采用同樣密鑰進(jìn)行解密。

（2）壓縮。采用ZIP壓縮方式。利用JAVA壓縮代碼庫進(jìn)行壓縮。北斗硬件包發(fā)送和接收規(guī)則

約定：一個(gè)完整信息稱為“一條記錄”。

一個(gè)記錄被分包發(fā)送后，每一個(gè)發(fā)送包稱為“一個(gè)數(shù)據(jù)包”

發(fā)送方為：T方

接收方為：R方

考慮到多點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)的情況（船對(duì)岸）以及北斗1分鐘發(fā)送的限制，通訊無法采用雙向握手通訊機(jī)制。故采用如下對(duì)話機(jī)制。

①理想情況無丟包

T方掃描數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)新的“一條記錄”后，將此記錄讀出，拆包，隨后將每個(gè)“發(fā)送包”存入發(fā)送臨時(shí)表中。

T方向R方發(fā)送首包。

R方收到首包后，存入接收臨時(shí)表中。

T方等待1分鐘，隨后發(fā)送第二包。

R方收到包后，存入接收臨時(shí)表中。

圖8 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

圖9 確認(rèn)接收幀流程圖

圖10 確認(rèn)超時(shí)流程圖

T方發(fā)送尾包后，等待R方回應(yīng)。

R方收到尾包后，如果完整收到，發(fā)送命令包（ACK）至T方。表示完整收到。

T方接收到ACK包，則刪除臨時(shí)表，寫入正是表信息發(fā)送正確，表示一條信息發(fā)送順利完成。

② 存在丟包T方

T方發(fā)送時(shí)，任何時(shí)候都可能丟包，包括首、中、尾包。T方始終每分鐘發(fā)送，直至所有包發(fā)送結(jié)束。隨后進(jìn)入等待狀態(tài)。等待時(shí)間為W（W一般可以設(shè)定為3）分鐘，如果依然沒有回應(yīng)，則重復(fù)發(fā)送命令包（END），直至回應(yīng)。如果發(fā)送N（一般為5）次后，依然沒有回應(yīng)，則結(jié)束此記錄發(fā)送。

T方收到ACK命令包，則結(jié)束此記錄發(fā)送。

T方收到RESEND包，則依照RESEND內(nèi)容規(guī)定，連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包，直至所有resend包發(fā)送結(jié)束，進(jìn)入等待狀態(tài)（重復(fù)上面等待過程）。等待時(shí)間為W（W一般可以設(shè)定為3）分鐘，如果依然沒有回應(yīng)，則重復(fù)發(fā)送命令包（END），直至回應(yīng)。如果發(fā)送N次后，依然沒有回應(yīng)，則結(jié)束此記錄發(fā)送。

③存在丟包R方

圖11 浮標(biāo)圖片

圖12 系統(tǒng)展示圖

R方收到任何一個(gè)信息包后，均可以根據(jù)包內(nèi)容，獲取信息總字節(jié)數(shù)目，計(jì)算出總信息包數(shù)目。進(jìn)而判斷出自接收到此包后，至最后尾包發(fā)送結(jié)束，需要等待的分鐘數(shù)。如果收到命令包，則無需等待，直接回復(fù)。

R方待等待時(shí)間（等待所有包發(fā)送結(jié)束）過后，檢索接收臨時(shí)表，如果有遺漏數(shù)據(jù)包，則發(fā)送命令包（RESEND）至T方，同時(shí)計(jì)算出等待時(shí)間。

R方持續(xù)等待，待T 方將遺漏數(shù)據(jù)包發(fā)送。檢索接收臨時(shí)表，如果有遺漏數(shù)據(jù)包，則發(fā)送命令包（RESEND）至T方，同時(shí)計(jì)算出等待時(shí)間。

等待時(shí)間過后，R方如果接收完整，則給出ACK命令包。如果未完整，則給出RESEND命令包。

如果R方在等待期間收到任何END命令包，則按照等待時(shí)間結(jié)束處理。則根據(jù)信息完整性，給出RESEND或ACK命令包。如果此時(shí)R方臨時(shí)表為空（即沒有收到任何數(shù)據(jù)包），則R方給出的RESEND包中，參數(shù)為ALL，等待時(shí)間為2分鐘。

4.5 浮標(biāo)拋設(shè)和系統(tǒng)展示

如圖11，12。

5.總結(jié)

本文介紹了利用北斗傳輸?shù)暮Ｑ笥^測(cè)航道浮標(biāo)，該浮標(biāo)在2020年1月17日拋設(shè)，經(jīng)歷了兩個(gè)冬季冰期考驗(yàn)，連續(xù)1年運(yùn)行正常。