北斗导航通信技术在船舶互联控制中的应用

曹 翔

(江苏航运职业技术学院，江苏 南通 226010)

0 引 言

近年来，海上航运业的飞速发展使船舶数量迅速增加，海上航道和港口的船舶密度越来愈大，船舶碰撞事故时有发生，对海上航运交通管理提出了更高要求。航运船舶的精确定位、航线相邻船舶动态信息的准确收集是提高船舶航行安全性的重要保障，对于船舶的监控、交通管理等领域也有具有重要的意义。GPS 作为高精度导航与定位卫星系统的代表，在船舶、汽车等领域应用非常广泛，能够实现全天候的准确定位，目前，GPS 导航系统已经成为一项必要的装备[1]。

相对于GPS 卫星导航系统，北斗卫星导航系统不仅有定位的功能，也有通信的功能，可以为用户提供无源定位、授时等辅助功能。

本文的研究内容是北斗导航通信技术在船舶互联控制网络中的应用，基于北斗卫星短报文通信功能，开发了船舶互联控制系统，提高海上交通安全管理水平。

1 北斗卫星导航定位系统研究现状

北斗卫星导航系统由空间卫星、地面控制段和用户终端设备三部分组成。致力于向全球用户提供高精度、高可靠性的定位、导航、授时服务并兼具短报文通信功能。短报文通信是北斗导航的特色功能，具有用户与用户，用户与地面控制中心的双向短报文通信功能。当前北斗三号系统区域短报文通信能力达到每次14000bit（1000 汉字），全球短报文通信能力达560bit（40 个汉字）。不仅可进行点对点通信，还可进行点对多点的广播通信。

北斗短报文通信流程如图1 所示。

图 1 北斗短报文通信流程图Fig. 1 Beidou navigation system short message communication flowchart

北斗短报文通信流程如下：

1）首先用户与地面控制中心建立数据通信链路，发送方将包含接收方识别码和通信内容的询问信号加密后经卫星中继转发给地面控制中心；

2）地面控制中心接收到询问信号后，经解密和再加密处理后加入持续广播的出站广播电文中，通过卫星中继转发给接收方；

3）接收方收到出站电文后，进行解调和解密处理，得出电文内容，即完成一次通信。短报文通信延时约0.5s，最大数据传输速率为1 秒1 次[2]。

与GPS 及其他全球卫星导航系统相比，北斗卫星导航系统的优势在于：

1）不同于GPS 仅具备定位功能，北斗定位导航系统具有通信功能，应用场景更加广泛。

2）北斗导航系统的卫星数量多，可实现全球零盲区的覆盖，满足各类需求。

3）北斗系统是我国自主研发的定位导航系统，数据的安全性更高，保密性非常强，不论在军事领域还是商业领域，都具有GPS 定位系统不具备的应用前景。

2 基于北斗导航通信的船舶互联控制系统开发

2.1 船舶互联控制系统

船联网是近年来兴起的一种前沿技术，随着互联网、通信系统的发展，船舶之间的通信网络已逐渐建立，基于通信网络实现船舶互联控制，提高海上交通管理水平，是船联网的研发目标。

基于北斗导航与定位系统的通信功能，设计一个综合性的船互联控制系统，系统的关键部件包括北斗地面设备、北斗船载设备、数据总线、智能终端等，基于北斗导航系统的船舶互联控制系统工作流程如图2所示。

图 2 基于北斗导航系统的船舶互联控制系统工作流程Fig. 2 Workflow of ship interconnection control system based on Beidou navigation system

此系统实现的功能包括：

1）船舶定位导航

船舶自身的定位与导航是船舶互联控制网络的基本功能，基于北斗系统的无源BD 导航定位功能，船舶终端可实现米级的精确定位[3]。

2）区域内船舶的信息获取

首先，互联控制系统的各个船舶将自己的定位信息通过北斗短报文发送至控制中心，短报文信息包括船舶类型、名称、位置、航线、航行速度等。控制中心获取区域内船舶的数据后，利用电子海图等工具将区域内船舶的相关数据分享给周围船舶，实现信息的共享和互联互通。

3）船联网功能

船舶互联控制系统利用现场总线和北斗卫星的无线通信能力，构建以船舶终端、陆地基站、服务中心等为节点的船联网。

2.2 基于北斗导航通信系统的定位解算与数据传输模式

船舶互联控制系统的通信过程通过天线单元、接收器、船舶用户终端等完成，通信过程中需采集星历参数、时间参数等，船舶互联控制系统的北斗卫星数据传输如图3 所示。

图 3 互联控制系统的北斗卫星数据传输原理图Fig. 3 Beidou satellite data transmission schematic diagram of the interconnected control system

北斗导航系统的通信模式是一种扩频通信，这种通信模式的可靠性高，信号模型可描述为：

式中：C为北斗通信的信号容量，B为信道的带宽，S为信号的传输功率，N为卫星通信的噪声功率[4]。

扩频通信的优点在于：

1）节省能量

在远距离的卫星通信中，使用扩频通信可通过更小的信号发射功率获得较客观的通信容量，能够降低卫星通信系统的功率和能耗。

2）保密性强

信号通过频带宽度扩大后，白噪声含量较高，此时导航通信信号具有较高的隐蔽性，淹没在白噪声中。

船舶互联控制系统的通信数据解析流程如图4 所示。

图 4 船舶互联控制系统的通信数据解析流程Fig. 4 Communication data analysis flow of ship interconnection control system

北斗导航定位解算原理如下：

假设某时刻船舶终端的位置坐标为（x，y，z），第j颗卫星在空间直角坐标系中的位置表示为（xj，yj，zj），北斗终端接收机钟差为，可得定位解算方程为：

导航卫星的位置可从导航电文中得知，方程中有4 个未知数，因此 ，要想解算出船舶终端的位置，必须要4 个方程，也就是说，至少需要测得4 颗卫星至北斗终端设备的伪距，可得四维非线性方程组：

3 基于北斗导航通信的船舶互联控制系统软硬件设计

3.1 接收机天线与射频前端设计

船舶互联控制系统采用的北斗终端天线能够兼容多个工作频率，采用的终端天线包括贴片天线、螺旋天线等。

系统的射频前端负责北斗卫星模拟信号的放大、变频和AD 转换等功能，包括带通滤波器、噪声放大器、本地振荡器和AD 转换等。

船舶互联控制系统的射频前端如图5 所示。

图 5 船舶互联控制系统的射频前端示意图Fig. 5 Radio-frequency front end diagram of ship interconnection control system

3.2 船舶互联控制系统的软件程序开发

基于北斗导航通信的船舶互联控制系统的软件以数据库为核心，主要包括通信控制模块、信息显示模块和数据库维护模块。

数据库为船舶互联控制系统数据的存储、管理、共享提供了平台，是系统的核心部分。短报文通信信息及船舶信息均存储在数据库中，因此，通信控制模块、信息显示模块、数据库维护模块必须访问数据库才能实现各自功能。

通信控制模块基于北斗短报文通信模块，可实现船与船之间、船与岸之间、船与控制中心之间的短报文通信功能。

信息显示模块可实现对船舶位置及其他船舶信息的查询，并在系统界面上显示。

数据库维护模块负责数据的导入、导出及用户管理，实现对数据库的日常维护。

北斗短报文通信模块软件设计流程如图6 所示。

图 6 基于北斗的船舶互联控制系统显示界面Fig. 6 Display interface of ship interconnection control system based on Beidou

船舶互联控制系统软件在windows 操作系统下开发，采用的开发工具为Visual Studio2012，使用的编程语言为C 语言，采用的数据库为SQL 数据库[5]。基于Visual Studio2012 开发的船舶互联控制系统应用功能包括：

1）串口通信功能

船舶互联控制系统需要具备计算机之间、计算机与外部硬件设备之间的串口通信，本文结合MSComm通信控件，建立了基于Windows 系统的串口通信功能。

2）信息显示与参数设置功能

本文使用API 函数和HTML 控件，实现了船舶互联控制系统的信息显示界面，界面集成了船舶定位、通信信息显示、系统参数设置按钮，基于北斗的船舶互联控制系统显示界面如图7 所示。

图 7 基于北斗的船舶互联控制系统显示界面Fig. 7 Display interface of ship interconnection control system based on Beidou

4 结 语

北斗导航与通信系统是我国具有自主知识产权的全球导航与通信系统，对我国船舶、汽车等工业领域有巨大的应用潜力。本文结合北斗导航与通信系统的通信功能，开发了船舶互联控制系统，并对系统的软件硬件构成、通信模式等内容进行了详细的分析和研究。