游艇监控终端设计与实现

史哲英，杨晓明

（广州海格通信集团股份有限公司，广州 510656）

1 引言

最近几年，随着港口开发程度越来越大，游艇用户对于实现港口间以及公海与港口之间自由行的需求也越来越急切。所谓自由行，即为某区注册的游艇可申请自由行通关业务，在海关有效监管的条件下，可实现各区的游艇在各港口等地之间自由往来。目前，游艇要实现各港口通行需要办理复杂的手续，过关排队时间过长，政府未能开放足够的港口便于游艇的停放。如今，北斗二号系统已经覆盖亚太运行，各行业的北斗二号示范工程开展迅速，而采用北斗模块设计的游艇监控终端能很好地解决以上问题。

2 监控系统总体架构

图1 系统架构示意图

整个游艇监控系统总体架构如图1所示，由管理中心和游艇监控终端两部分组成[1]。系统综合RDSS短报文、BD/GPS卫星定位、GPRS、数据库、GIS、计算机控制等多项现代信息技术，将游艇运行状态、实时位置等数据上传到管理中心，完成游艇的通关业务，实现对游艇的状态和位置监控，并为游艇监控管理提供有效数据，从而提高游艇通关率，降低游艇通关成本及运营成本。

2.1 中心管理平台

中心管理平台包括系统建设所需的网络基础设施、服务器以及为用户提供管理界面的综合监控软件。后台系统软件与终端共同构成游艇电子通关系统，可实现快速报关、快速通关、短报文收发等业务功能。各用户通过网络进行通关业务办理进展情况及历史信息查询等。

2.2 游艇监控终端

游艇监控终端可记录游艇位置、速度、方向、状态等行驶轨迹数据，并通过GPRS通信和北斗短报文等方式与中心管理平台进行数据交互，同时可接收中心管理平台下发的各种指令进行数据交互。游艇监控终端通过Wi-Fi模块完成与用户终端通信，主要进行游艇通关申请等业务交互。

3 游艇监控终端方案设计

游艇监控终端原理框图如图2所示，包括室内单元、室外单元（天线模块、射频收发模块）等几部分，完成定位、游艇行驶信息采集、位置传输和通关业务办理等功能。

游艇监控终端支持单GPS定位，单北斗定位和双模定位三种定位模式，可利用GPRS无线传输网络传输游艇的定位信息，同时兼容北斗RDSS信道数据传输。利用北斗RDSS通信手段，可以有效地解决游艇在无移动网络覆盖时的数据通信问题，保证全天候监控。终端在定位数据的可用行、安全性和可靠性方面做了专门的优化设计。

图2 游艇监控终端原理框图

各组成单元功能设计分别如下：

（1）室外单元天线模块

天线模块是终端的关键单元之一，要求能同时接收B1/L1和S频点信号并发射L频点信号，并且为适于整机集成必须满足结构统一、体积小的特点。天线模块设计中考虑天线的方向图幅度应该均匀，天线的增益在低仰角时不能太小，因此，天线应具有宽角的方向图性能。极化方面，发射频率L波段左旋圆极化，接收频率B1，L1，S为右旋圆极化。天线体积方面要求小型化设计，在满足一定覆盖范围内正常工作的条件下，还要满足B1，L，S多频段同时工作。因此，在天线方案设计中采用了多层共轴叠加的低剖面微带天线结构。

（2）室外单元射频模块

射频模块设计采用独立的低噪放模块、功放模块、射频收发模块，便于维护。其中，低噪放模块由两个低噪放板组成：B1/L1低噪放板、S低噪放；功放模块有功放板、L发射滤波器组成。射频收发模块主要由滤波器、集成芯片等组成，其中射频收发集成芯片L/S共用一颗射频芯片。总体框架如图3所示。

图3 射频总体构架框图

接收通道经过各自前级滤波器后，再经过射频低噪放低噪声放大，送入后级滤波器滤波，再送到射频接收集成芯片下变频为模拟低中频信号，进一步输出给数字集成模块处理。发射通道先接收来自数字模块的模拟低中频信号，经过射频发射集成芯片上变频射频信号后，再经过功放模块功放放大，进一步输出给发射天线。

（3）室内单元游艇信息传感器模块

游艇的速度、经纬度位置、时间和方向信息由BD/GPS定位模块提供，而游艇发动机的行使/停止、点火状态等由I/O转换器直接采集。BD/GPS定位模块采用以BD为主、融合GPS的组合定位算法完成定位，是实现游艇行驶轨迹监管的核心模块。

（4）室内单元GPRS模块

GPRS模块是和管理中心进行数据交互的接口，向管理中心传输数据，同时接收管理中心的指令、终端各种参数的设置。主要传输数据有：上报采集、统计的数据，如定位数据、游艇状态数据、通过申请信息等；接收来自管理中心的指令，如通关许可、报警解除、定位模式设置等。由于本系统中服务器采用APN专线接入GPRS网络，此时游艇监控终端与服务器同处于GPRS网内，通信最为稳定，访问方式也最为直接，游艇监控终端通过固定的IP地址直接访问服务器。

（5）室内单元处理器模块

处理器模块是游艇终端的控制核心，实现的关键功能有：接收并解析来自BD/GPS定位模块NMEA-0183格式数据；接收并解析游艇的状态信息；接收并解析来自用户终端的指令，完成与中心管理平台的业务数据交互；负责GPRS和RDSS通信数据传输和其他外设控制等。

（6）室内单元Wi-Fi模块

游艇终端内配备Wi-Fi数据传输模块，完成与用户终端连接，接收来自用户终端的指令，进行游艇通关业务数据交互。

图4 游艇监控终端与通信服务器的通信

4 游艇终端软硬件协同设计

为满足游艇环境的监控需要，设计如下功能业务：

（1）游艇行驶轨迹监控：采用定位模块以及I/O传感器，实时采集游艇位置信息、启动/熄火、行驶/停止等状态信息，通过GPRS模块定时上传游艇的数据信息，在无移动网络覆盖或者网络信号不佳时，利用北斗RDSS通信继续上传游艇的数据信息。

（2）通关功能：通过与用户端进行通关业务数据交互，处理通关业务流程中的业务申请、回执接收和查询、关键节点提示信息等。

（3）远程参数设置：游艇终端通过GPRS模块，接收管理中心的指令，进行参数设置：关闭/开启定位功能、设置数据上传时间间隔、关闭/开启GPRS上传功能、管理中心主和备份服务地址和端口号、清除报警状态等，参数设置成功后保存到Flash中，参数设置后立即更新，无需重新上电。

（4）RDSS通信数据完整性：为确保通信数据完整性，解决信号链路不可靠、数据包丢失问题，制定了终端RDSS短报文通信机制。对数据包增加相应的包头和识别码，接收端对接收的数据包拆除包头，并对数据进行校验和解析。如果有数据包校验错误、识别码错误或者数据丢失，则要求数据发送端重新发送数据。

图5 终端RDSS短报文通信机制

同时还采取超时控制措施，保证数据通信效率和减少通信时间。短报文发送完毕后，发送查询信息，根据接收端的数据信息判断是否重发数据，但对重发次数进行限制（本通信机制中默认为三次，可以设置）。这样即考虑到信号不可靠、信息可能丢失的现实，又可避免通信陷入死循环。终端RDSS短报文通信机制如图5所示。

（5）链路备份：终端上保存主通信服务器和多个备份通信服务器地址，当主通信服务器出现故障，终端自动连接到可用的备份通信服务器，保持数据传输的畅通、完整。

（6）安全保密：终端可根据管理中心的指令，执行开启/关闭回传功能、永久关闭功能，实现安全、保密目的。

5 结束语

针对目前市场的需求以及北斗卫星导航系统的大力发展，本文提出来一种基于北斗RDSS或BD/GPS的游艇监控终端设计方案，介绍了游艇监控终端的组成、功能和软硬件设计。■

[1] 李军焕．基于GPS/GPRS游艇终端的设计与实现．数字通信世界，2012年6月.