基于单北斗定位及北斗短报文通讯的航标遥测遥控终端设计

陈正辉 湖南省水运建设投资集团有限公司

1.项目背景及必要性

北斗卫星定位与导航系统（以下简称北斗系统）是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是国家重要空间基础设施。

高精度位置服务可以为航道管理部分及时掌握航标精确的工作状态与相关信息，做到及时、有针对性地对航标设施进行维护与检修，提供管理效率。由此可见，将北斗系统应用于航标设施的管理，非常有必要，概括如下：

（1）《国家卫星导航产业中长期发展规划》在提供服务的国家实施重要战略的必要性中提出，卫星导航系统及其兼容产品要广泛应用于国民经济的重要部门和重点领域。交通运输是国民经济中必不可少的战略性产业，是高隆建设报告的延续，是协同发展的重要领域和特色内河航运带。

（2）目前我国的内河发展在我国的水运发展战略中，加大力度发展内河的船舶运输逐步成为我国水运行业的重要地位，因此智能化、快速化、便捷化的发展内河水运成为我国研究学者的热门课题。

GPS定位系统为美国所研发，其卫星受美国控制，在特定时期如果GPS定位信号一旦失效，内河航运各项业务将受到严重干扰，这种安全保障风险更加突出。

（3）是内河航道业务信息化深入发展的需要。在内河航道业务中，卫星定位技术目前主要应用在航道地形测绘、航标遥测监控、工作船舶监管、航道工程建设施工管理等业务中。当前内河航道业务中的卫星定位应用主要使用美国GPS系统，存在信号源缺失、安全保障水平低、定位精度不足、定位基础设施不完善等问题。

（4）同时基于目前内河航道的现状，大量航道流域附近远离城市及乡村居住区，存在着大量电信运营商基站覆盖不到的位置。传统基于的4G通讯的航标遥测遥控终端在这类地方会存在较多因为运营商信号覆盖无或者信号覆盖弱而导致的通讯问题。

2.单北斗定位的功能可行性

在选取了多家国内制作北斗模块的领先厂家，对比各个模块在北斗定位时的效果，从系统抗干扰性、搜星质量等一系类指标进行分析评估后，最终选择确定一款适用于单北斗航标的北斗定位模块（梦芯MXT903BD）。再通过定位模块选型、RTU电路板改造、运行程序优化、现场定位测试等，历时6个月研发完成了单北斗定位航标终端，并于2019年5月在湘西沅水段进行了单北斗定位航标终端的测试工作。针对测试的情况并对单北斗定位航标终端在运行程序、RTU电路、定位天线等多方面做了设计改进。

3.北斗短报文通讯功能可行性

北斗通信模块将来自控制系统的信息调制后，在1616MHz信道上发射航标信息，在2492MHz信道上接收到运营中心返回的回执信息。航标信息按照设定的周期上报时间及定时刻上报时间发射数据,无论是否接收到回执信息。北斗通信模块配备唯一的SIM卡。

RTU集成的北斗通信模块包括收发射频芯片，基带芯片，PA电路(10W)及LNA电路，同时还集成北斗/GPS 双模导航模块，可通过内置无源天线即可实现北斗一代的短报文通信功能和北斗B1+GPS L1 的联合定位导航功能。系统集成度高，体积小。

终端采用北斗短报文通讯方式向业务平台报送数据的上行工作流程见图1。

图1 航标遥测遥控终端系统基于北斗短报文通讯方式工作流程（上行）

基于北斗短报文通讯方式的RTU下行工作流程与上行类似，即业务平台通过以上工作流程逆向双工地对RTU实施系统设置、系统重启和远程升级等。航道动态通讯平台基于北斗短报文通讯方式向RTU传输数据的下行工作流程见图2。

图2 航标遥测遥控终端系统基于北斗短报文通讯方式工作流程（下行）

本模块设计中的通信管理在设计平台中的主要作用为航道信息交互的纽带，协议处理模块主要作用保证各信息处理插件能够按照协议进行信息入参和出参间的传递，通信检测模块的主要作用为报文间能够按照不同方式进行通信方式的切换。

航标遥测遥控终端RTU与航道通讯平台间采用北斗短报文通信方式。航标遥测遥控终端RTU定时、定时刻向服务端上传数据、主动发送报警报文、响应航道动态通讯平台查询及设置。

航标遥测遥控终端RTU可根据实际情况选用内置北斗短报文模块和外置北斗短报文一体机。

（1）内置北斗短报文模块。该模块主要是以集成雷达芯片为基础，链接信号发射器、解释器等进行合并通信，同时在集成线路中内嵌基带电路等。

（2）外置北斗短报文一体机。外置北斗短报文一体机采用模块和天线一体化设计，与RTU终端通过RS232串口进行通信。选用博纳雨田的模块TM0510TS8612一体机内部集成RDSS等模块。此外该产品还具有较高精度的集成度，同时拥有一定的低耗能等。TS8612 一体机体积小巧、功耗低，连接简单、操作方便，非常适应于船舰导航、位置上报及短报文通信等大规模应用。全天候的定位导航和双向报文通信功能；采用防水设计，可在室外可靠工作。

4.结论

本设计对航标遥测遥控终端的定位及通讯有关内容进行了以上的创新后，具有如下优势：

（1）先进性与安全性。当前内河航道的与位置服务有关的业务全部依赖GPS，定位模式单一。但GPS受美国控制，一旦失效，日常的航道维护管理和以内河电子航道图为载体的航道综合服务将产生混乱。北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，采用北斗系统则完全不受此影响，安全性有保障。

图3 航标遥测遥控终端数据通信模块设计

（2）成熟性和兼容性。在定位模块的变更设计中，为充分考虑功耗，使设计变更导致整机功耗增加的可能性降低，增加了通过I/0方式对北斗模块电源供电的控制功能，可以做到完全省电。

（3）示范带动作用。为积极响应并落实推进北斗卫星导航系统在内河航运应用全覆盖的实施，对定位和通讯有关的内容进行设计，明确提出采用北斗定位模块和北斗短报文通讯模块。本设计变更是在湖南内河航道要素动态监测和航道日常维护管理业务中率先应用北斗系统，必将为湖南航道建设工程航标遥测遥控系统建设带来北斗系统应用的积极示范效应。