改進型北斗定位的海上安全與通信系統設計與研究

趙鳳龍

（交通運輸部北海航海保障中心天津通信中心，天津 300451）

隨著我國海上業(yè)務的不斷發(fā)展，大型船只作業(yè)也越來越頻繁，但由于船只變方向的周期較長，導致船只碰撞率的增加，所以構建一個北斗定位的海上安全與通信系統迫在眉睫[1]。

針對上述問題，文獻[2]提出利用RS、GPS 定位和無人機組成一個三維體結構來實現對電網系統電纜局部放電檢測，這種方法能夠全面得到系統完善的放電數據，也能達到實時監(jiān)測的目的，但是利用的技術造價較高，設備較昂貴；文獻[3]提出利用物聯網來解決定位數據源傳輸的問題，此方案雖然能夠全面快速的達到數據傳輸的效果，但在使用過程中，其安全性不穩(wěn)定，容易造成數據丟失等情況，不利于系統的穩(wěn)定和安全；文獻[4]提出SAR 圖像船舶目標定位方法，該方法通過采集船舶SAR 圖像，利用圖像處理方式得到船舶目標位置，但該方法采集的船舶SAR 圖像清晰度低，導致其定位船舶目標位置存在較大的偏差。

針對上述不足，本研究設計了一個北斗定位技術的海上安全與通信系統，旨在進一步提高航線的正確度和距離的安全度。

1 北斗定位系統的實施

北斗定位系統功能框圖如圖1 所示。

圖1 系統融合示意圖Fig.1 Schematic diagram of system fusion

圖1 中，各傳感器將檢測的信號分解成兩路信號，一路是脈沖信息，一路是行波信息。所有信息都經過芯片采樣處理，采樣中心將電纜局部放電區(qū)出現時間記錄[5]，檢測信息通過北斗短信通信發(fā)送到電力系統主機，然后通過雙端法計算距離，以便于定位實施。

信息采集模塊：信號首先由FPGA 分析，采集模塊收到的二次信號轉化成多路模數轉換集成電路端口可容納的信號，對北斗的電文進行解調；然后和內部通信協議進行對接，進一步轉換成數字信號傳遞到ARM 中；最后傳遞到電力監(jiān)控部門[6]。

北斗相關傳輸數據如表1 所示。具體定位實施步驟如圖2 所示。由圖2 可知，北斗系統依照碼跟蹤和載波跟蹤計算出原始震蕩波和反射震蕩的時間差，結合信號傳輸速度，能夠實現對局部海上區(qū)域的準確定位。但是該系統接收的定位信息較單一，實時度較差，所以，本研究通過移動互聯技術對其進行改進。

表1 北斗傳輸數據Tab.1 Beidou transmission data

圖2 北斗實施流程Fig.2 Flow chart of Beidou implementation

2 改進型北斗定位海上安全與通信模型設計

本研究利用移動互聯技術對北斗系統進行改進，系統框圖如圖3 所示。

圖3 北斗系統框圖Fig.3 Block diagram of the Beidou system

由圖3 可知，北斗定位系統實現了對無線通信網絡的覆蓋，尤其是北斗短報文通信的制定，克服了眾多因環(huán)境原因造成的通信盲區(qū)的問題。對本研究海上定位區(qū)安全航行距離數據的實時獲取達到了精確定位和信息快速傳輸的目的[7]。

北斗海上安全與通信邏輯模型如圖4 所示。由圖4 可知，將系統運用船舶或海上設備，通過系統終端的綜合船橋系統和綜合平臺管理系統獲取通信節(jié)點狀態(tài)來推論船舶安全信息，由北斗系統RDSS數據通道發(fā)送到陸地管理終端[8]，達到及時、準確地獲取船舶海上安全狀態(tài)信息的目的，實現船舶和陸地管理用戶間的安全信息互聯互通，提高安全管理水平。

圖4 北斗海上安全通信模型Fig.4 Beidou maritime security communication model

通過北斗系統RDSS 數據通道接收海上安全信息的業(yè)務，進一步提高船舶的海上航行安全度。

3 移動互聯技術的船只通信定位模型設計

在船舶移動互聯網絡內，本研究使用Q×Q 表示該通信網絡內的一個海區(qū)，Q 是具體定位區(qū)的長度，在海區(qū)存在N 個船只通信傳感節(jié)點，通信海區(qū)半徑用r 表示，在實施船只定位時，其通信節(jié)點發(fā)出的信號受到繞射、障礙物阻擋等因素影響，船舶通信節(jié)點信號傳播具備各向異特征[9]，所以本研究使用對數正態(tài)傳播模型計算船舶通信節(jié)點信號功率大小。d0，d 是船只通信的上傳節(jié)點和獲取節(jié)點的估計距離和真實距離，船舶移動互聯網絡接收節(jié)點信號功率，計算公式為

式中：n 是通信信號上傳通道衰減系數；pr是接收節(jié)點信號傳輸功率；pt是發(fā)出信號功率；Ω（d0）是無線模塊傳輸模型；Nσ是高斯隨機噪聲。

移動互聯模塊的傳輸天線增益用Gt表示，獲取信息的天線增益用Gr表示，無線電自由空間傳輸模型計算公式為

式中：λ 是通信信號波長；η 是信號獲取模塊的衰減系數。

在定位目標海區(qū)中，設定2 個任意的網絡節(jié)點，如果兩節(jié)點距離是d 時，設定：

所以船只在移動互聯區(qū)內基點和獲取傳輸信號的大小能夠通過正態(tài)傳輸表示，計算公式為

式中：令κ＝pr（d0）+Nσ，則式（4）可表達為

將式（5）代入式（4）得出10nlgd＝κ-pr（d）。

3.1 海上距離估算實施

由于多船舶通信節(jié)點在移動互聯網區(qū)域內為均勻隨機分布狀態(tài)，且每個多船舶通信節(jié)點的通信半徑均相同，其作用范圍為規(guī)則的圓，依據接收信號強度和節(jié)點距離之間的近似特征[10]，則最小接收信號強度與對應最大節(jié)點距離的關系計算公式為

式中：pmin、dmax是最小接收傳輸速率及節(jié)點的最遠距離。

信號在傳輸時的衰減系數的計算公式為

將式（6）、式（7）代入式（5），多艦船通信節(jié)點距離的估算公式為

通過上式獲取船只在移動網絡區(qū)內，所有通信節(jié)點的距離大小。

3.2 通信節(jié)點距離誤差補償

由于移動互聯網絡內通信信號內存在干擾噪聲以及信號傳輸的衰減性，導致計算相鄰船舶通信節(jié)點距離存在一定誤差，為提升多船舶通信目標定位精度，需對相鄰船舶通信節(jié)點距離誤差進行補償處理，其詳細過程如下：d 表示2 個多船舶通信節(jié)點距離，該距離與距離誤差之間的計算公式為

式中：φ（d）是兩船之間的距離誤差；ε、ξ 是一次誤差系數和常誤差系數。誤差系數函數的計算公式為

式中：I（ε，ξ）是誤差系數函數；di是真實數據；φ（di）是真實距離和估計距離的差量。

將式（10）誤差系數求導，計算公式為

將式（11）求解后，獲取一次誤差系數和常誤差系數數值，計算公式為

式中，鄰船舶通信節(jié)點距離誤差補償后的修正數的計算公式為

3.3 海上目標定位實施

海上多目標移動時，在本研究移動網絡區(qū)中，目標在移動互聯網絡內的移動信標會隨著船舶的航行向網絡內不斷發(fā)送位置信息包，此時未知的多船舶通信目標節(jié)點可依據概率推算其位于某個信標節(jié)點周圍，從而實現多船舶通信目標的定位。以補償后的相鄰船舶通信節(jié)點距離為基礎。xi、yi是誤差補償后的船只通信節(jié)點的坐標，多船只的節(jié)點位置限制公式為

想要實現多船只通信目標定位更加準確，設置其連通性通信節(jié)點位置約束方程，計算公式為

如果某個船的通信節(jié)點被獲取，則其連通性通信節(jié)點位置約束方程計算公式為

式中：xa、ya是通信區(qū)的坐標；s 是通信半徑。

依據上述過程更新多船舶通信目標通信節(jié)點區(qū)域后，獲取多船舶通信目標未知點的定位信息的計算公式為

式中：O（x，y）是該通信區(qū)內通信目標未知點的位置，x，y∈ui；FRSSI（·）是不確定節(jié)點和確定節(jié)點距離似然概率函數。

3.4 定位數據檢測評判標準

海上船只定位檢測測試中，通信傳輸信號識別準確度的判斷指標計算公式為

式中：TP、TN 是準確識別的傳輸信號和無傳輸信號；FP、FN 是錯誤判斷的傳輸放電和無傳輸信號。LQ越大表示判斷的正確度越高。

4 試驗流程與結果

在試驗過程中，通過測量發(fā)送接收傳感終端電壓和電流的測量，可以推算出本系統的穩(wěn)定性，實時推算的數據如圖5 所示。

圖5 系統穩(wěn)定度示意圖Fig.5 System stability diagram

圖5 中，本研究系統在工作中的誤差率和浮動率都較低，表明本系統擁有穩(wěn)定和高效率的特點，在運行中可以有效地面對諸多挑戰(zhàn)。

本研究以某港口的出入航線作為實驗對象，使用本研究系統對出入港航線內多船舶通信目標進行定位，其中多船舶均加入移動互聯網，多船舶的信標信息發(fā)送間隔為0.1～1.0 s，其通信半徑區(qū)間為10～30 m，信標節(jié)點移動速度10～50 s。使用本文方法對其距離估算值誤差進行補償處理，補償后誤差值不得高于0.5 m，實驗數據如表2 所示。

表2 實驗數據Tab.2 Experimental data

由表2 可知，本文方法對估算的多船舶通信節(jié)點距離進行補償后，其估算多船舶通信節(jié)點距離偏差最小是0.14 m，最大僅為0.33 m，該數值較所設的閾值低，說明本文方法可有效對多船舶通信節(jié)點距離進行補償，補償后的多船舶通信節(jié)點距離與其實際距離誤差較小。

將10 艘船加入移動互聯通信網絡的北斗定位模塊，在相同實驗環(huán)境內進行定位試驗，實驗類型和相關數據如圖6 所示。

圖6 實驗統計數據Fig.6 Experimental statistical data

由圖6 可知，本文方法在定位船舶通信目標時的定位位置與船舶通信目標位置完全吻合，說明本文方法受船舶數量影響較少，具備較強的多船舶通信目標定位方法。檢測某一移動通信網絡區(qū)內某船只的實驗顯示頁面參數如表3 所示。

表3 測試定位實驗數據Tab.3 Test and positioning experimental data

由表3 可知，本系統能夠將放電區(qū)的詳細參數以及地理信息全部顯示，表明本系統在應用中，能夠在減少檢測周期，提高檢測效率。北斗系統運行實驗數據如表4 所示。

表4 北斗系統測試數據Tab.4 BDS test data

由表4 可以看出，在該北斗系統數據測試中，通過多次試驗將系統的穩(wěn)定數據記錄，確保定位業(yè)務的正常實施和整個系統的穩(wěn)定。實驗誤差數據如圖7 所示。

圖7 實驗數據Fig.7 Experimental data

由圖7 可知，本研究方法的誤差率不超過1%，且在實驗6 h 后基本穩(wěn)定在0.5%以下。

5 結語

本研究設計了一個北斗定位技術的海上安全與通信系統。利用BDS 技術將海上船只進行定位，確認船只安全位置，保證航線和距離的正確度；并進一步使用了MI 技術，通過計算船只通信節(jié)點距離和誤差距離的關系特征，對其求導后得到距離誤差補償量，對多船舶通信節(jié)點距離誤差實施補償。使用基于單移動信標的多船舶通信目標定位方法實現多船舶通信目標的實時定位。但本研究系統存在各個環(huán)節(jié)功能不穩(wěn)定，需要人工監(jiān)控來防止出現系統不穩(wěn)定情況，這也是后續(xù)本系統需要加強和改進的方向。