航标港口监测系统设计研究

谭颂+张海

摘 要：航标是重要的助航装备，为了满足日益繁荣的航运需求，基于伪卫星结合北斗星定位系统，设计一套高效、经济、现代化的航标港口监测系统非常重要，首先对伪卫星结合北斗星的原理进行了分析，随后对航标港口监测系统进行了整体设计，最后对相应的软硬件条件进行了阐述，研究结果对未来进一步升级航标监测系统提供了相关思路。

关键词：航标 伪卫星 北斗星 系统设计

1.前言

航标是重要的港口设施，对船舶的进出安全和经济型航行有着非常重要的作用，随着航运业和船舶行业的不断发展，船方对于航标的要求也越来越高，而相对来说，有些航标监测系统已经不能满足时代的要求，显得有些老旧和传统，和港口高效的管理系统相违背。目前的港口航标监测，主要靠的还是人工模式，也就是航标管理人员定期对航标的工作状态进行监控，这样的模式不仅消耗人工，而且效率也比较低，可靠性不高，无法做到随时掌握航标的运行因袭，给航运工作带来了不少的困难。随着计算机科学的不断发展，克服现在港口航标监测系统问题的办法势在必行，利用卫星定位系统为基础进行港口航标建设是非常有效的方法。

目前，GPS和北斗卫星都在航标监测系统中得到了应用，但的定位系统在星座构型方面存在限制，存在定位不佳的情况，在某些对精度要求较高的场合也不能很好的保证定位有效性。伪卫星技术的存在对导航系统的应用是很强的促进作用，可以提高卫星导航系统的准确性，将伪卫星系统和传统的北斗卫星相结合应用在航标应用当中，可以有效支撑航标港口监测系统的设计和研究。

2.导航系统概述

2.1伪卫星系统

伪卫星系统主要由伪卫星基站和用户接收机组成，卫星基站具有信号接收通道和信号的发射通道，能够和北斗系统的卫星出站信号同步，同时能够向服务区域广播播报带有一定格式的伪卫星导航信号。接收机部分则安装有两个天线，既能够接收伪卫星基站发射的导航信号，又能够接收北斗卫星发射的导航信号。

2.2北斗星系统

北斗星系统主要由空间部分、地面控制部分和用户接收三个部分组成，组成系统中每个部分都拥有各自的功能，空间组成主要是向地面系统不断的发射信号，地面控制组成则通过接收到的信号确定卫星的位置和轨道信息，并将这些信息打包发给卫星，最后，用户接收部分接收信号，通过卫星的信息来进行自我定位。目前的北斗卫星系统由一代北斗星和二代北斗星。

2.3组合系统

伪卫星和北斗卫星组合系统主要由伪卫星部分、北斗卫星部分和接收机三个系统组成，接收机上可以安装接收两种不同卫星信号的天线，通过天线接收伪卫星和北斗卫星发射的导航信号，之后进行信号的前处理、捕获、跟踪、位置同步、帧同步和电文解析等过程，同时，便可以得到信号发出端的空间位置信息和伪位置信息等。和传统的导航相比，伪卫星结合北斗卫星的工作方式可以有效改善卫星的星座几何构型以及信号可用性。

2.4定位方案设计

航标是重要的助航设施，需要利用自身的地理位置信息来指示航路点、航道、礁石、浅水区、禁航区和沉船区等区域位置，因此需要确保定位的准确性。目前航标所面临的港口，是日渐大型化、深水化、多功能化以及自动化。

伪卫星结合北斗系统的组合系统具有通讯定位功能，能够帮助定位，并且可以授时进行短消息通讯，能够完成用户机之间，用户机和地面控制之间的电文通讯，数据发送的量值是普通用户机的4倍左右。和传统的通讯方式相比，还具有很多优点，首先经过审核批准后的组合系统向用户发短信的时间是一分钟一次，而非审核的通讯字数则是每次36个，另外，组合系统没有通信盲区，而且用户能够根据自身的需求，选择伪卫星北斗组合通信的两类数据编码，一种是通用的BCD编码形式，另一种则是ASCII编码方式。

2.5监测系统设计2.5.1功能设计

航标监测系统的功能主要包括了监控标致灯器的状态以及地理坐标，可以保证航标管理部门可以及时了解到航标的工作运行情况，并且进行相应的后处理和解析，为工作人员提供参考可靠的参考信息，工作人员同时可以远程的变更航标灯的状态。系统组成包括自主查询、信息汇总与检索、状态信息获取、系统工作记录、自动报警、工作目标设定、航标管理、远程控制、显示航标的坐标轨迹等内容。

2.5.2系统设计

目前比较常用的航标监测系统是GPS+GSM系统，但这种系统的GPS通信模式是单向的，因此需要多加一个双向的模块来来完成信息的发送和接收。为了弥补现用监测系统的缺陷，设计伪卫星结合北斗系统组合的方式来进行航标系统设计，系统的整体组合元素包括航标信息的收集终端、海事管理部门、航运公司、伪卫星及北斗组合系统、船舶、互联网、卫星控制管理中心和信息处理中心。

设计的系统是一个综合性的平台，功能方面包括信息收集、信息处理、双向通信、互联网开发等，结构方面则包括信息处理中心、用户终端、信息收集端以及双向通信链路。

信息收集终端的组成包括天气和海况采集模块、航标参数信息采集模块、系统配置模块、附表、伪卫星及北斗组合通讯模块。而独有的双向链路通信则是连接航标信息收集終端、卫星管理中心和信息处理中心的桥梁，双向通讯链路主要包括卫星和互联网两个传输媒介，伪卫星和北斗系统不需要在地面建立物理通信基站，通信方式比较方便简洁，在原理陆地的区域同样可以实现信息处理中心和信息收集终端之间的多对多联络。信息处理中心则包括信息中心软件、互联网通讯平台、机房设备和服务器组，能够完成信息接收、信息预处理、信息解析、信息存储和信息转发等任务。

3.软硬件实施

具体的软件实施首先需要放在天气和海况信息收集方面，基于工控机的硬件，实施软件需要拥有良好的用户界面和全面的功能，如图1所示，为天气和海况采集软件的设计框图。

双系统的通信定位模块包括时钟电路、MCU处理器、存储器电路、复位电路、电源电路、对外接口电路、程序升级电路、北斗系统电路和伪卫星系统电路。处理器可与选择PLC控制处理器，该硬件的选择需要能够承受一定的外部干扰和温差。处理器芯片需要满足低能耗、高速、抗干扰性强的特点。为了保证远离海岸线的消息能够正常的发送，信息收发模块同样需要一定的可靠性，满足体积小、操作便捷、耗电少的优点。为了减少定位误差，需要选择具备差分定位功能的芯片，符合能够进行回流焊接和标准取放，低功耗和低成本的要求。

航标信息采集和设置模块是另一个主要的系统构成，需要拥有独立的CPU，并且能够和其他模块一起同时工作，构造上主要包括程序下载电路、复位电路、时钟电路、电源电路、对外接口电路、灯器电路、驱动控制电路、参数采集电路和一个MCU处理器。硬件构成和通信定位模块有些许显示，都需要满足低功耗和抗干扰能力强以及抵抗外界环境强的优点。

4.总结

作为保证港口正常运行、引导船舶有效航行的助航设备，航标的管理和技术水平很大程度上影响了港口的运营情况，文章基于伪卫星结合北斗星定位系统，结合互联网、微电子和通信技术，对伪卫星和北斗星在航标港口监测系统中的应用进行了分析研究，研究结果表明，该卫星双定位系统可以有效的支撑航标港口监测系统的构建，软、硬件组合可以实现，但该系统的应用经济性还要有待提高，未来应该在性价比方面进行着重研究。

参考文献：

[1]黄林生.基于北斗的武汉港区航标监控系统方案的研究[D].武汉理工大学.2006.

[2]姜雪.伪卫星与北斗星导航系统组合定位技术研究与实现[D].河北科技大学.2016

[3]苏天放.基于北斗二代的港口航标监测系统应用研究[D].大连海事大学.2015.endprint