北斗船舶航线监管平台系统设计与实现

安庆,吴树森

(1.武汉光谷北斗控股集团有限公司,湖北 武汉 430206;2.华中科技大学,湖北 武汉 430074)



北斗船舶航线监管平台系统设计与实现

安庆1,吴树森2

(1.武汉光谷北斗控股集团有限公司,湖北 武汉 430206;2.华中科技大学,湖北 武汉 430074)

针对目前对海上船舶采用传统手段进行监管存在盲区及资费昂贵的痛点,利用北斗卫星导航系统所具有的定位、测速、授时,及其北斗一代所特有的短报文双向通信及功能,设计了一套北斗船舶航线监管平台系统,并将它应用于武汉市港航局所辖的船舶航线的监管工作中。结果证明,该系统在不依赖其它通信技术手段前提下,能够实现船舶实时定位、测速、精密授时、船舶之间、以及船舶与监控中心和授权手机短报文双向通信。另外,还具有防撞报警、航迹偏差告警等功能,以及全天候、无盲区、低资费、高可靠的优势,有较大的实用价值。

北斗一代;短报文;船舶监控;双向通信

0 引 言

为提升武汉长江中游航运中心辐射功能,武汉市先后开通了“江海直达”、“泸汉台集装箱快班”、21世纪海上丝绸之路“武汉——东盟试验航线” 及“武汉至日韩集装箱快线”等近洋航线。武汉市港航管理局作为航线船舶监管方,如何有效监管所管辖的船舶及整个航线,保障内河,特别是远洋航线上船舶的安全,提高船舶的运输和监管水平,是一个函待解决的问题[1]。

传统的海上船舶监控主要手段有船舶自动识别系统(AIS)技术和移动通信网络监控等[2]。但是,由于移动通信网络的覆盖范围有一定的局限性,只能在内河和近海区域发挥作用,超出覆盖范围便无法完成通信。虽然AIS系统的应用已经非常成熟,但是也有其局限性。首先是该系统只能对近海船舶进行位置监控,到远洋地区则无信号[3],其二,有些国家政府的AIS系统只对国内船舶使用,对国外船舶不开放,导致国外船舶到该国海域无法使用AIS系统[4]。目前的办法是,使用GPS和海事卫星的组合,用GPS获取实时位置,再通过海事卫星电话报告给岸上监控中心[5]。但海事卫星通话昂贵,基本不可能用其进行全天候的通话和报告,而且使用起来也比较麻烦,这就为监控中心实时监控远洋船舶带来了困难。

随着地球空间信息技术的发展,以北斗卫星导航、地理信息系统(GIS)、大数据及云计算等为代表的集成技术,为远洋船舶航线监管平台系统的研究提供了有力支持,特别是北斗一代的短报文双向通信功能,使我们能在不借助其它通信网络的前提下,达到船舶位置的一键式监控,并可与岸上手机短信的进行互动,实现了一种新型的船舶监控方法。

1 系统总体结构

北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统,是继美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统[6],2003年完成了“北斗一号”(BD-1)卫星导航系统的组网。BD-1是由两颗地球静止卫星(80.°E和140.°E),一颗在轨备份卫星(110.5.°E)、中心控制系统、标校系统和各类北斗用户接收机组成[7]。它是借助于BD-1分别与北斗用户机、地面控制中心进行双向通信,通过控制中心来进行辅助定位,因此是有源的卫星导航系统[8]。其覆盖范围是在北纬5°～55°,东经70°～140°之间的一个心脏形区域,其形状为上大下小, 最宽处在北纬35°左右,工作频率为2 491.75 MHz(S波段)和1 615.68 MHz(L波段)[9]。目前,正在进行的是“北斗二号”(BD-2)卫星导航系统的组网,到2016年3月,已发射了21颗北斗卫星,覆盖范围为亚太地区国家,并且已实现了无源定位。计划到2020年,总共发射35颗北斗卫星形成全球组网覆盖[10]。我国现在的北斗系统不同于其它卫星导航系统的一个最大特点是,它不仅具有定位、授时、测速的共有功能,而且它还保留了BD-1所特有的双向短报文通信功能,单次最多可发送120个汉字[11],这是别的导航系统所不具备的,同时这也是我们设计的北斗船舶航线监管平台系统基础所在。

该系统的基本工作流程是,通过船载北斗接收机观测北斗卫星原始数据,在本地解算出位置信息,然后将其或其它信息,经过船载北斗接收机发射给北斗卫星,再由其转发给地面监控中心的北斗指挥机,由指挥机经过数据处理再交由监控中心各类服务器和存储,然后进行数据的处理、存储、展示等。同样,监控中心的调度信息也可通过北斗指挥机、北斗卫星到达北斗船载终端。系统的整体结构图如图1所示。

图1 系统总体结构图

采用的北斗船载机型号为GGBD-ST-02型,如图2所示,它是针对船舶通信和导航应用推出的一款支持北斗RDSS/RNSS功能的船载机,包含北斗多频天线、射频、基带以及主控板,显示屏,可实现RDSS定位、短报文通信和RNSS导航定位等功能。

北斗指挥机型号为GGBD-SC-100,如图3所示,它能够实时提供其所在位置的经度、纬度与高程,并以标准形式显示,能进行电文键入、编辑、发送、接收和显示;可同时兼收多个下辖用户,包括这些用户的所有通信、定位情况;可向下辖用户一次同时发送通播信息。即类似于广播形式,发送一条通播数据后,所有下辖终端可同时收到此条信息;可同时锁定北斗系统全部6个信道,这样可大大增强通信成功率,保证在北斗任何一个信道上的数据都可接收至指挥机。

图2 GGBD-ST-02型北斗船载机

图3 GGBD-SC-100型北斗指挥机

2 系统关键技术原理与优化

2.1 船载机与普通手机及相互之间互发短信

北斗船载机向普通手机发送短信,需要经过指挥机的通信服务进行转发。其原理为:北斗船载机发送短报文发至指挥机,指挥机的通信服务通过串口收到短报文。当北斗指挥机判断短报文内容的前11位为手机号码时,将短报文通过网络推送至短信网关,再由短信网关发至授权手机,以实现北斗船载机与授权手机之间的短报文通信功能。相反,授权手机也可以向北斗船载机发送短报文,指挥机的通信服务收到来自手机的短信之后,通过识别短信内容的前6位判断其发送目标,通过调用指挥机的接口,由指挥机发送至船载机,达到授权手机发送短信至船载机的目的。

同样,北斗船载机发送短报文至船载机也是通过卫星通道直接发送。但是如果船载机卡绑定了一张主卡的话,子卡的船载机发出的短报文将会往主卡的指挥机发一份短报文。此时,主卡的指挥机将具有了广播的功能,主卡指挥机可以向绑定其的所有子卡广播短报文,类似短信群发的功能。此功能可应用在海洋船舶监管系统中的天气播报、紧急通知等。

2.2 性能优化

基于WebGIS 实现目标监控时,网络平台需要进行大量的地图数据与监控数据的交互,为了提高网络数据的传输性能并对交互过程进行高效管理以满足多用户访问的需求,需要对网络性能进行优化。我们主要通过在WebGIS 中采用AJAX 技术对数据交互性能与利用对象池方法对状态管理性能进行优化。在传统的Web 交互中,用户在浏览器客户端提交操作请求后,Web 服务器接收并处理传来的请求,返回一个新的页面,当传输数据量大、交互频繁的时候,页面运行迟缓。AJAX采用异步交互模式,其最显著的效果就是用户获得服务器返回结果时不需要刷新页面,这样,用户屏幕上的表单便不会闪烁、消失或延迟。将AJAX 技术应用于基于WebGIS 的目标监控中,可以优化地图加载的响应速度,提高目标监控的效率。

3 系统的功能设计与开发

3.1 系统软件功能

北斗船舶航线监管平台系统基于北斗系统所具有的双向通信功能,实现了船舶的监控和管理、短报文的互发、港口的管理等功能,其主要分为船舶管理模块、通讯管理模块、港口管理模块、报表管理模块、系统管理模块。

船舶管理模块的功能包括实时显示船舶位置,显示船舶最近或过去一段时间的船航定位轨迹信息,根据地图的缩放比例,对船舶定位轨迹节点进行稀疏处理,在地图上,以小时为单位,在船舶定位轨迹点标注定位时间信息,对船舶定义圆形和多边形电子围栏等功能。另外,还具有测速、精密授时的功能,定位精度为10 m,测速精度为0.2 m/s、授时精度为10 ns.此外,该模块还具有防撞报警和航迹偏差告警等功能,能正确引导船舶按计划航线航行,一旦船舶偏离计划航线,能及时修正航向返回计划航线,以保证船舶的航行安全。

通讯管理模块的功能包括监控中心通过北斗指挥机对单一船舶或多船舶发送基于文字的短报文信息,如天气播报、紧急通知等,并可接收船舶发送的基于文字的短报文信息,如遇险救援信息等,一次最多可发送120个汉字。另外,它还具有船舶和岸上授权手机之间互发短信的功能。

港口管理模块的功能包括划定船舶出入港口的作业区域并标注,查询船舶的航班执行情况,为每个执行港口运输任务的船舶建立任务单等功能。

报表管理模块的功能包括可按设置的时间生成船舶、航班、港口及通信记录的报表,并可对其统计和分析,以及进行多种方式的图形化展示。

系统管理模块的功能包括定位终端载体使用者的个人身份信息、组织关系信息、身份权限角色信息的管理,平台及分组管理人员帐户信息管理,修改当前用户的登录密码等功能。

3.2 系统集成开发模式

本系统采用了集成开发模式,选用Visual C++作为程序设计语言,集成GIS组件式二次开发模式,GIS开发组件选择ESRI的ArcGIS Engine。它是一套完备的嵌入式GIS 组件库和工具库,常用于普通的开发框架中,支持包括COM、.NET框架、Java和C++等多种开发语言,可以方便地将GIS功能嵌入到目标开发软件中。它的优点是既可以充分利用地理信息系统工具软件完备的空间数据库管理、分析功能,又可以利用其他面向对象可视化开发语言具有的高效、方便等编程优点,集二者之所长,不仅能大大地提高应用系统的开发效率,而且使用可视化软件开发工具开发出来的应用程序具有更好的外观效果,更强大的数据库功能,可靠性好,易于移植,便于维护。

本系统已应用于武汉市港航局所管理的航线船舶,其典型的应用展示界面如图4所示。

图4 系统应用界面 (a)登录首页界面;(b)短信互动界面;(c)船舶管理界面 ;(d)轨迹回放界面

4 结束语

光谷北斗研发的北斗船舶航线监管平台系统以创建智能船舶监控为目标,通过在武汉市港航局的实际运用,使其管辖下所有航线的船舶都实现了实时监控和全程调度,切实提高了其船舶管理监控业务水平。另外,由于北斗系统是由我国自主研发,安全可控的卫星导航系统,国新办已于2013年12月27日正式公布了其接口ICD文件,这标志着北斗民用导航正式起步。基于这个契机,我们研发了该套系统,并在武汉港航局进行了正式实施和运用。事实证明,该系统的运用不仅加强了该局对所辖航线船舶的监管和调度,降低了业务运行成本,而且也推动了我国北斗技术的创新和发展,具有较大的实用和推广价值。

[1] 黎峻宇,刘立龙,蔡成辉,等.北斗RTK在地形测绘中的优越性[J].地理空间信息,2014(6):33-35.

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[3] 郑逸璇,徐灏.基于北斗系统的船舶应急救援及预警系统设计[J].硅谷,2012(15):61-63.

[4] 张之孔,马怀武,张海波.基于“北斗一号”的地图匹配可行性与方法探讨[J].地理空间信息,2011(4):22-24.

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[7] 安庆,李岩,张婷婷.桥梁安全监护系统设计与应用[J].城市勘测, 2016(1):11-15.

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Design and Implementation of the System of Vessels′ Courses Supervision Platform Based on BDS

AN Qing1,WU Shusen2

(1.WuhanOpticsValleyBeiDouHoldingsGroupCo.,LTD,Wuhan430206,China;2.HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

In view of the existence of the pain points of blind spots and expensive costs to marine vessels by traditional supervision means,by using positioning、velocity measuring、time granting and the unique two-way short message communication function of BeiDou satellite navigation system,designed a set of vessels' courses supervision platform system based on BDS,and made use of it in the supervision of vessels’ route in Wuhan Port and Shipping Authority. The results proved the system can achieve the function of real-time positioning、velocity measuring、precious time granting of the vessels,and the function of the two-way communication between vessels, with the vessels’ monitoring center and with mobile phones,under the premise that the system does not depend on other communication technology. In addition,the system has the function of Collision and deviation warning,and the advantages of all-weather, no blind spots, low rates, high reliability,and has great practical value.

Beidou generation one; short message; vessels monitoring; two way communication

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.011

2016-09-19

P228.4

A

1008-9268(2017)02-0050-05

安庆 (1969-),男,高级工程师,研究方向为3S技术集成与应用。

吴树森 (1961-),男,教授,研究方向为智慧城市建设。

联系人: 安庆 E-mail: 490756729@qq.com