北斗導航通信技術在船舶互聯控制中的應用

曹 翔

(江蘇航運職業技術學院，江蘇 南通 226010)

0 引 言

近年來，海上航運業的飛速發展使船舶數量迅速增加，海上航道和港口的船舶密度越來愈大，船舶碰撞事故時有發生，對海上航運交通管理提出了更高要求。航運船舶的精確定位、航線相鄰船舶動態信息的準確收集是提高船舶航行安全性的重要保障，對于船舶的監控、交通管理等領域也有具有重要的意義。GPS 作為高精度導航與定位衛星系統的代表，在船舶、汽車等領域應用非常廣泛，能夠實現全天候的準確定位，目前，GPS 導航系統已經成為一項必要的裝備[1]。

相對于GPS 衛星導航系統，北斗衛星導航系統不僅有定位的功能，也有通信的功能，可以為用戶提供無源定位、授時等輔助功能。

本文的研究內容是北斗導航通信技術在船舶互聯控制網絡中的應用，基于北斗衛星短報文通信功能，開發了船舶互聯控制系統，提高海上交通安全管理水平。

1 北斗衛星導航定位系統研究現狀

北斗衛星導航系統由空間衛星、地面控制段和用戶終端設備三部分組成。致力于向全球用戶提供高精度、高可靠性的定位、導航、授時服務并兼具短報文通信功能。短報文通信是北斗導航的特色功能，具有用戶與用戶，用戶與地面控制中心的雙向短報文通信功能。當前北斗三號系統區域短報文通信能力達到每次14000bit（1000 漢字），全球短報文通信能力達560bit（40 個漢字）。不僅可進行點對點通信，還可進行點對多點的廣播通信。

北斗短報文通信流程如圖1 所示。

圖 1 北斗短報文通信流程圖Fig. 1 Beidou navigation system short message communication flowchart

北斗短報文通信流程如下：

1）首先用戶與地面控制中心建立數據通信鏈路，發送方將包含接收方識別碼和通信內容的詢問信號加密后經衛星中繼轉發給地面控制中心；

2）地面控制中心接收到詢問信號后，經解密和再加密處理后加入持續廣播的出站廣播電文中，通過衛星中繼轉發給接收方；

3）接收方收到出站電文后，進行解調和解密處理，得出電文內容，即完成一次通信。短報文通信延時約0.5s，最大數據傳輸速率為1 秒1 次[2]。

與GPS 及其他全球衛星導航系統相比，北斗衛星導航系統的優勢在于：

1）不同于GPS 僅具備定位功能，北斗定位導航系統具有通信功能，應用場景更加廣泛。

2）北斗導航系統的衛星數量多，可實現全球零盲區的覆蓋，滿足各類需求。

3）北斗系統是我國自主研發的定位導航系統，數據的安全性更高，保密性非常強，不論在軍事領域還是商業領域，都具有GPS 定位系統不具備的應用前景。

2 基于北斗導航通信的船舶互聯控制系統開發

2.1 船舶互聯控制系統

船聯網是近年來興起的一種前沿技術，隨著互聯網、通信系統的發展，船舶之間的通信網絡已逐漸建立，基于通信網絡實現船舶互聯控制，提高海上交通管理水平，是船聯網的研發目標。

基于北斗導航與定位系統的通信功能，設計一個綜合性的船互聯控制系統，系統的關鍵部件包括北斗地面設備、北斗船載設備、數據總線、智能終端等，基于北斗導航系統的船舶互聯控制系統工作流程如圖2所示。

圖 2 基于北斗導航系統的船舶互聯控制系統工作流程Fig. 2 Workflow of ship interconnection control system based on Beidou navigation system

此系統實現的功能包括：

1）船舶定位導航

船舶自身的定位與導航是船舶互聯控制網絡的基本功能，基于北斗系統的無源BD 導航定位功能，船舶終端可實現米級的精確定位[3]。

2）區域內船舶的信息獲取

首先，互聯控制系統的各個船舶將自己的定位信息通過北斗短報文發送至控制中心，短報文信息包括船舶類型、名稱、位置、航線、航行速度等。控制中心獲取區域內船舶的數據后，利用電子海圖等工具將區域內船舶的相關數據分享給周圍船舶，實現信息的共享和互聯互通。

3）船聯網功能

船舶互聯控制系統利用現場總線和北斗衛星的無線通信能力，構建以船舶終端、陸地基站、服務中心等為節點的船聯網。

2.2 基于北斗導航通信系統的定位解算與數據傳輸模式

船舶互聯控制系統的通信過程通過天線單元、接收器、船舶用戶終端等完成，通信過程中需采集星歷參數、時間參數等，船舶互聯控制系統的北斗衛星數據傳輸如圖3 所示。

圖 3 互聯控制系統的北斗衛星數據傳輸原理圖Fig. 3 Beidou satellite data transmission schematic diagram of the interconnected control system

北斗導航系統的通信模式是一種擴頻通信，這種通信模式的可靠性高，信號模型可描述為：

式中：C為北斗通信的信號容量，B為信道的帶寬，S為信號的傳輸功率，N為衛星通信的噪聲功率[4]。

擴頻通信的優點在于：

1）節省能量

在遠距離的衛星通信中，使用擴頻通信可通過更小的信號發射功率獲得較客觀的通信容量，能夠降低衛星通信系統的功率和能耗。

2）保密性強

信號通過頻帶寬度擴大后，白噪聲含量較高，此時導航通信信號具有較高的隱蔽性，淹沒在白噪聲中。

船舶互聯控制系統的通信數據解析流程如圖4 所示。

圖 4 船舶互聯控制系統的通信數據解析流程Fig. 4 Communication data analysis flow of ship interconnection control system

北斗導航定位解算原理如下：

假設某時刻船舶終端的位置坐標為（x，y，z），第j顆衛星在空間直角坐標系中的位置表示為（xj，yj，zj），北斗終端接收機鐘差為，可得定位解算方程為：

導航衛星的位置可從導航電文中得知，方程中有4 個未知數，因此 ，要想解算出船舶終端的位置，必須要4 個方程，也就是說，至少需要測得4 顆衛星至北斗終端設備的偽距，可得四維非線性方程組：

3 基于北斗導航通信的船舶互聯控制系統軟硬件設計

3.1 接收機天線與射頻前端設計

船舶互聯控制系統采用的北斗終端天線能夠兼容多個工作頻率，采用的終端天線包括貼片天線、螺旋天線等。

系統的射頻前端負責北斗衛星模擬信號的放大、變頻和AD 轉換等功能，包括帶通濾波器、噪聲放大器、本地振蕩器和AD 轉換等。

船舶互聯控制系統的射頻前端如圖5 所示。

圖 5 船舶互聯控制系統的射頻前端示意圖Fig. 5 Radio-frequency front end diagram of ship interconnection control system

3.2 船舶互聯控制系統的軟件程序開發

基于北斗導航通信的船舶互聯控制系統的軟件以數據庫為核心，主要包括通信控制模塊、信息顯示模塊和數據庫維護模塊。

數據庫為船舶互聯控制系統數據的存儲、管理、共享提供了平臺，是系統的核心部分。短報文通信信息及船舶信息均存儲在數據庫中，因此，通信控制模塊、信息顯示模塊、數據庫維護模塊必須訪問數據庫才能實現各自功能。

通信控制模塊基于北斗短報文通信模塊，可實現船與船之間、船與岸之間、船與控制中心之間的短報文通信功能。

信息顯示模塊可實現對船舶位置及其他船舶信息的查詢，并在系統界面上顯示。

數據庫維護模塊負責數據的導入、導出及用戶管理，實現對數據庫的日常維護。

北斗短報文通信模塊軟件設計流程如圖6 所示。

圖 6 基于北斗的船舶互聯控制系統顯示界面Fig. 6 Display interface of ship interconnection control system based on Beidou

船舶互聯控制系統軟件在windows 操作系統下開發，采用的開發工具為Visual Studio2012，使用的編程語言為C 語言，采用的數據庫為SQL 數據庫[5]。基于Visual Studio2012 開發的船舶互聯控制系統應用功能包括：

1）串口通信功能

船舶互聯控制系統需要具備計算機之間、計算機與外部硬件設備之間的串口通信，本文結合MSComm通信控件，建立了基于Windows 系統的串口通信功能。

2）信息顯示與參數設置功能

本文使用API 函數和HTML 控件，實現了船舶互聯控制系統的信息顯示界面，界面集成了船舶定位、通信信息顯示、系統參數設置按鈕，基于北斗的船舶互聯控制系統顯示界面如圖7 所示。

圖 7 基于北斗的船舶互聯控制系統顯示界面Fig. 7 Display interface of ship interconnection control system based on Beidou

4 結 語

北斗導航與通信系統是我國具有自主知識產權的全球導航與通信系統，對我國船舶、汽車等工業領域有巨大的應用潛力。本文結合北斗導航與通信系統的通信功能，開發了船舶互聯控制系統，并對系統的軟件硬件構成、通信模式等內容進行了詳細的分析和研究。