基于物聯網通信技術的艦船導航控制系統

潘紅娜，蔡振興，張婷婷

(江西工程學院 智能制造與能源工程學院，江西 新余 338000)

0 引 言

艦船導航控制系統對于保障艦船航行安全具有非常重要的作用。在航行過程中，艦船需要對自身的航線進行規劃，同時岸基作戰中心也希望能夠對艦船進行全程跟蹤，以便對所有的艦船進行全方位的控制和管理。傳統的艦船導航依賴于GPS 導航或者艦載的AIS 系統等，AIS 在航行過程中會遇到通信盲區，很容易出現定位丟失的情況，而GPS 導航雖然應用較為成熟，定位精度也較高，但是屬于西方國家的技術產品，在戰時非常容易受到干擾或者掐斷信號的情況。因而嘗試將北斗導航系統和物聯網技術充分融合以解決當前受制于GPS 通信的情況，同時物聯網技術可以很好地將北斗導航系統短報文的功能加以融合，并將精確授時功能應用到導航控制系統中，從而實現對艦船航線的精確規劃。

國內外有很多學者對智能導航進行了相關研究，如田向陽[1]研究了北斗導航系統在船舶導航中的應用，并和GPS 導航進行對比。張寧[2]對北斗導航及通信技術中的關鍵技術進行了研究，設計了低噪音的信號放大模塊。肖學玲[3]提出使用物聯網技術進行多源融合，從而使得船舶能夠獲取更多的位置信息，包括和其他船舶的相對位置以及導航定位位置等，最大程度地避免船舶碰撞問題。

本文對北斗導航技術、物聯網技術等進行總結，提出一種基于物聯網通信技術的艦船導航控制系統，旨在解決艦船導航和定位容易在戰時受到干擾的情況，提升艦船在戰時的作戰能力。

1 關鍵技術

1.1 北斗導航技術

北斗導航是北斗衛星導航技術的簡稱，在2003 年完成了第一代系統的組建，隨后進入了大規模的應用階段。北斗衛星導航共包括35 顆衛星，其中27 顆為中軌道衛星，5 顆靜止軌道衛星，3 顆為傾斜軌道衛星。北斗衛星導航技術實現的原理如圖1 所示[4-5]。

圖1 北斗導航原理Fig.1 Principle of Beidou navigation

當船舶在行駛過程中，建立（X，Y，Z）坐標系，則行駛的船舶和空中的導航衛星都具有一個唯一的空間坐標，衛星1～衛星4 和船舶之間的距離為P1～P4，這些變量之間滿足以下關系[6-7]：

式中：c為光速，Δt為地面接收的時間差值，均為已知數值，因而可以根據上述關系計算出船舶當前的坐標，進而結合電子海圖實現導航。

1.2 物聯網技術

物聯網技術是目前應用非常廣泛的技術之一，其可以用于船舶貨物運輸的跟蹤、艙室監控等。物聯網技術是通過各種感知技術，包括各類傳感器、射頻技術、激光掃描、全球定位技術等，將各類不同的物體連接到一個網絡中，實現信息的傳遞和共享。

物聯網系統包括感知層、網絡層和應用層，如圖2所示。感知層包括傳感器、RFID 條形碼、北斗接收機等獲取當前目標的位置信息和其他信息；網絡層是利用以太網以及4G 網絡將獲取的目標信息發送出去；應用層直接面對用戶，用戶可以通過獲取的信息并在此基礎上構建頁面，實現功能的具體化表達。在物聯網架構中，感知層是物聯網技術的關鍵，感知的方法多種多樣，在物聯網中不僅可以使用RFID 技術通過標簽讀取的方法來獲取目標信息，同時還可以通過底層傳感器節點來獲取信息，而這些傳感器節點不僅可以是有線的，也可以通過無線網絡來實現感知信息的傳遞，因而具有極大的靈活性。

圖2 物聯網架構Fig.2 IOT architecture

2 基于物聯網通信技術的艦船導航控制系統設計

2.1 基于物聯網的北斗導航節點設計

由于AIS 在艦船導航中會存在信號盲區的問題，因而一般AIS 系統都需要和雷達聯合使用，但是仍然存在著導航精度不高的問題。為了提升艦船的作戰能力，保證艦船能夠在不同情況下實現不間斷地高精度導航，使用物聯網技術設計專門的北斗導航模塊是有必要的，設計的北斗導航模塊是現有導航系統的必要補充。

設計的基于物聯網的北斗導航節點硬件結構框圖如圖3 所示。

圖3 基于物聯網的北斗導航節點硬件結構Fig.3 Hardware structure of Beidou navigation node based on Internet of Things

1）信號輸入及濾波：在天線處接收到北斗衛星導航信號后，使用專門設計的濾波電路將信號中的雜波濾除掉，以保證通信信號的穩定性。

2）射頻信號處理：在進行射頻信號處理前，考慮到艦船在航行時溫度差距會非常大，因而設計溫度補償電路，對整個電路中存在的溫度漂移進行補償，有效提升電路的穩定性和可靠性。

3）處理器：處理器采用低功耗的ARM 芯片，包括SDRAM、Flash 等，在低功耗處理器中不僅可以實現對導航衛星數據的解算，同時還可以實現對相關數據的存儲。在完成數據解算后通過串口UART0、UART1 或者無線網絡向外傳輸數據，同時還可以對艦船上的其他物聯網感知節點實現時間同步，以保證整個艦船物聯網中感知的信息和時間完全同步，這個功能的實現是通過向外輸出高精度的同步時鐘，其精度可以達到1 PPS，其他節點或者感知傳感器模塊通過物聯網接收同步秒脈沖，從而實現網絡內時間的高度同步。

4）電源管理：基于物聯網的北斗導航節點采用了低功耗設計，整個節點需要嚴格地進行電源管理，包括控制電源時鐘、電源輸入以及電源控制。為了盡量減小誤差，整個系統冷啟動的時間非常短，本文設計的節點冷啟動時間<40 s，熱啟動時間<2 s。

2.2 物聯網數據通信實現

本文采用Zigbee 技術來實現導航數據的傳遞，其通信距離最大可以達到100 m，但是通信速率<250 kbps，在艦船上由于存在較多節點，因而使用Zigbee 技術非常容易組成物聯網的無線傳輸網絡，且采用Zigbee 無線傳輸具有非常大的靈活性，功耗很低，特別適用于輔助導航系統。艦船的導航位置信息需要極高的安全性，Zigbee 技術采用AES128 對稱密碼，符合高級加密標準，因而滿足艦船的保密性要求。

艦船的位置信息數據較小，Zigbee 的數據通信速率完全滿足這種小數據量的傳輸要求，Zigbee 無線通信頻率有多種，如圖4 所示，不同的通信頻率信道數量也不一樣，868 MHz 只有一個信道，915 MHz 有10 個通信信道，2.4 GHz 有16 個通信信道，選擇通信頻率為2.4 GHz，這樣能保證不同的通信信道不會發生串擾。

圖4 Zigbee 通信信道分布Fig.4 Zigbee communication channel distribution

Zigbee 無線通信是基于物聯網的艦船導航控制系統的關鍵組成部分，通過Zigbee 無線網絡將北斗衛星導航位置信息發送到艦船控制中心，使得艦船在航行過程中可以不間斷接收AIS 以及導航控制系統的位置信息。在通過信號盲區或者受到外界信號干擾時，艦船船員通過對比兩者數據就可以更加準確地判斷當前艦船的行駛狀態，并通過和其他艦船的通信獲取相對位置信息，為戰時提升作戰能力提供必要輔助。

2.3 系統測試

1）抗干擾能力測試：本文設計的導航控制系統是對AIS 系統和雷達的有效補充，因而抗干擾能力是系統的重要指標之一。使用誤比特率作為系統測試指標，其基本定義為：

物聯網技術具有極高的安全性和穩定性，和北斗衛星定位導航技術相結合，可以為艦船提供穩定的導航輔助。本文對物聯網技術和北斗導航定位技術進行了闡述和分析；設計了基于物聯網的北斗導航節點，分析了節點中各個模塊的基本作用和實現原理；闡述了物聯網數據通信實現的基本原理，對構建的基于物聯網的艦船導航控制系統的抗干擾能力、靜態和動態定位進行了測試，測試結果表明系統具有良好的抗干擾能力，同時靜態和動態定位精度都較高。

對系統進行仿真測試，改變系統信噪比，測試不同信噪比下系統的抗干擾能力，圖5 為基于物聯網的艦船導航控制系統抗干擾能力測試結果，可以發現：系統的誤比特率曲線和理論曲線相差很小，同時在信噪比較低時，艦船導航控制系統的誤比特率為10-4，信噪比為8 db 時誤比特率為10-9，因而說明系統具有較好的抗干擾能力。

圖5 系統抗干擾能力測試結果Fig.5 The test result of anti-jamming ability of the system

系統具有良好的抗干擾能力，這是由于在系統設計時實行了動態信道選擇，在艦船上構建的Zigbee 網絡具有很多的無線網絡節點，包括溫度、濕度、壓強、武器設備的無線網絡節點等，在進行動態掃描時會根據當前Zigbee 網絡全部信道的空閑狀態來設置相關參數，這樣就能夠降低不同信道干擾的可能性。當所有無線網絡節點都開始工作時，整個Zigbee 網絡會變得非常擁擠，在發送導航數據前偵聽所有信道，可以有效減少由于信道擁擠而造成數據丟失。

2）導航定位能力靜態測試：導航定位能力的測試分為靜態測試和動態測試。靜態測試是在不同的時間段讓船舶行駛到不同的位置，使用AIS、GPS 以及本文設計的船舶導航控制系統對船舶進行定位，以測試船舶的單點定位精度。在測試中發現本文設計的導航控制系統和其他系統測試的結果存在差距，其原因是本文設計的北斗導航控制系統在獲取北斗衛星數據后，在位置解算時沒有考慮平流層對信號傳輸產生的影響，在采用相關算法對數據進行修正后，系統的靜態定位精度得到了明顯提升。

通過算法計算修正得到的測試結果如表1 所示，和AIS 系統的測試結果對比，誤差均在0.1%以內，證明基于物聯網的導航控制系統具有較高的精度。

表1 導航控制系統靜態定位測試Tab.1 Static positioning test of navigation control system

使用不同系統測試并監控該船舶在一段時間內的軌跡。在船舶上配置有高精度的AIS 系統和GPS 系統，將本文測得的船舶軌跡和AIS 記錄的軌跡進行對比，如圖6 所示，可以發現本文設計的導航控制系統測試的動態軌跡和AIS 動態軌跡基本重合。

圖6 導航系統動態測試軌跡對比Fig.6 Comparison of dynamic test trajectories of navigation systems

3 結 語

物聯網技術具有極高的安全性和穩定性，和北斗衛星定位導航技術相結合，可以為艦船提供穩定的導航輔助。本文首先對物聯網技術和北斗導航定位技術進行闡述；然后，設計了基于物聯網的北斗導航節點，分析了節點中各個模塊的基本作用和實現原理；最后，對構建的基于物聯網的艦船導航控制系統的抗干擾能力、靜態和動態定位進行測試，測試結果表明系統具有良好的抗干擾能力，同時靜態和動態定位精度都較高。