基于北斗卫星通信系统的船载终端串口通信

李宏豆,杜美净,崔冬睿

(河北神舟卫星通信股份有限公司,河北 石家庄 050200)

0 引言

北斗卫星系统是我国自主研发的一种自主导航系统,它拥有自己的自主知识产权,不受任何国家的影响,可以实现全球巡逻的卫星系统。北斗卫星系统的功能很多,不仅可以免费提供卫星定位,还可以免费提供开放服务,对我国的海事事业作出了重大贡献。航标系统就是从这里诞生的,它也因此成了海上交通安全保障体系的重要组成部分。在海上航行时,若能见度很低时,航标体系会通过不停地闪烁灯光、改变灯色等行为,来提醒附近的船只,避免发生危险。综上所述,对航标进行有效的监控和精准管理,不仅可以让航标变得更加准确,还可以保证航船在行驶过程中的安全。

1 北斗卫星通信系统船载终端

1.1 船载终端系统简介

北斗卫星通信船载终端是将中国卫通的“中寰无限”平台作为基础,整合了北斗卫星、世广卫星、 GPS等多项资源,实现了对车辆、船舶等移动对象的监控、指挥、防盗、导航等多项功能[1]。该系统可以接收来自渔业管理机构的气象、海洋情况和灾害预报;可以为渔船提供精确定位和相关状态;可以记录渔船的航行轨迹及发生的各种情况;还可以配置油量传感器,检测油箱油量,并上报可续航船里程。该系统完成了北斗卫星的短报文通信,可以对海洋渔业资源和渔船进行高效安全的生产管理,可以对渔船的位置进行精确定位与实时监控,还可以对各类信息进行快速查询并以图形化的方式将其分布情况呈现出来。

北斗卫星的通信模块是由北斗卫星的功率放大芯片、功能芯片、射频发送芯片、无线定位系统等组成,具有体积小、节能减耗、精度高等特点,能够满足人们对精确定位和通信信息精准传递的需要。在海上航行时,北斗卫星系统能够将航标附近的信息及时地发送出去,且精度很高。系统能将航标信息与周边的海域特征、天气状况相结合,并将这些信息通过电缆准确地传送给航标终端。综合了这些有用的信息,航标灯的管理人员能够及时观察到航标灯周围信息的变化,做出相应的警告,保证船只的安全航行[2]。

1.2 船载终端系统组成

船载终端是“北斗-中寰无限”平台的核心部件,将北斗、世广、 GPS三大核心技术融合在一起。在与岸上监测中心进行通信的同时,船载终端将文本和 CPS的位置信息传输到北斗,再将其传输到地面接收站,最后通过互联网将其传输到用户手中。数据下行经世广卫星,岸上监测中心把文本信息传送到卫星地面接收站,再把文本信息传送到世广卫星,最终把世广卫星传送到船舶上的终端。通过分析,可以得出舰载终端与监控中心以及其他舰载终端间的通信信息定义。所述船舶上的终端可以向所述监测中心发出指令,以查询其他船舶上卫星终端的经纬度;也可以向监控室或其他船只的终端发送短信息。舰载卫星终端机接收监测中心发出的指令,并将经纬度等信息传送到监测中心。

1.3 船载终端主要功能

(1)定位功能:在接收到位置信息后,将位置、时间、速度、方向、精度、GPS可利用的卫星数目等信息输出到串接口,向其他终端提供定位信息。

(2)通讯功能:通过 SMS与监控室进行通信,一次发送不多于120个汉字的信息。

(3)报警功能:可以将本地位置、救援方法等信息的内容发送到主站、其他终端、监控中心。

(4)区域报警:监控中心可以为终端划分1个或多个报警区域(以经纬度为基准)。在终端进入这个区域之后,会发出声光报警。

(5)控制命令:接收指挥中心的命令,执行相应的命令,如开启或关闭监听、开启或者关闭警报、熄火、左右转向等。

(6)终端机位置报告:终端机可以按照监控室发出的报告次数(5 s—255 d)来报告自己的位置,让监控室对终端机进行监视。

(7)状况报告:终端可以在进出指定位置时,将指示发送给监测中心。

(8)信源保密功能:该功能采用CDMA扩频方式,每个用户根据这个多项式生成唯一的扩频码,终端根据扩频码把数据传送到卫星。下行链路的信息则是一种被主站加密过的密码。当终端收到后,会将 SIM卡发送过去,然后对其进行解密。这种“端到端”的安全体系能够相互配合,确保信息的保密性。

2 北斗卫星的串口通信关键技术

2.1 串口通信系统概述

北斗船载终端是一种由主机与浮力解除机构构成的系统,其在落入水中时,需具备自动浮起与解除的能力。静水压力释放器的形式有很多种,最主要的表现就是在释放执行机构上有很大的不同。其工作原理是利用水压力让内部的膜片产生变形,从而引发内部的释放执行机构动作。以静水压力释放器为例,它的内部机械结构核心组件由膜片、卡扣、弹簧和锁定柱等组成[3]。在正常的情况下,带有固定孔隙的锁定柱在弹簧弹力的作用下,被卡扣牢固地固定在释放器的腔体内部。当水流进释放器内部的腔室以后,在水的压力作用下,内部膜片会发生一定的变形。当这种变形力大于弹簧的弹力之后,就会使弹簧被压缩。当弹簧被压缩到一定的程度以后,会导致固定锁定柱的卡扣脱落,锁定柱会从释放器腔体的内部脱落,从而实现释放功能。

2.2 串口通信系统的框架结构

北斗船载终端同时具有北斗定位、短报文通信等多项功能,其安装与使用对设备的位置要求很高,故应尽量将其设置在船舶较高的位置(台风时更易遭受强风的影响),以便在船舶发生危险或下沉时,其主机能够迅速脱离固定基座,浮出水面以示位置预警。当将常规的静液压释放器用作装置的主机与固定基座的连接机构时,一方面,静液压释放器的单体体积比较大;另一方面,需要考虑与释放器本身结构相适应的释放方式。因此,装置的整体结构设计受到了很大的限制。由于释放器内的锁紧螺栓是依靠膜片、卡扣以及弹簧之间的力来将其紧紧地固定在空腔内部,锁紧螺栓之间有可以移动的空隙,无法进行可靠的锁紧,这就造成了装置主机与固定基座之间留存的空隙很大,如果安装在震动比较大的环境之中,就可能会有掉下来的危险。对于设备主机或固定底座一方的结构件,要用锁紧螺栓配合锁紧螺栓上面的固定孔隙来固定。在落水释放时,为了让设备主机与固定底座能够迅速、彻底地脱离,通常都会在二者之间设置一根具有一定弹性的不锈钢弹簧。在组装整个设备时,要靠着外力对弹簧进行适当的压缩,这样才能让插头正好可以通过锁定柱上的固定孔,而锁定柱是可以旋转的,所以组装起来既烦琐又耗时。

3 北斗卫星通信系统的信息工作

3.1 通信系统的数据监测

北斗数据监测中心是北斗卫星通信系统的重要组成部分。通过利用数据监控中心,系统能够对当前的数据信息进行实时的了解,并进行预报预警,在它的内部除了有卫星指挥型终端,还包含了数据应用服务器和水情数据库等。数据监控中心负责对相关的数据进行管理分析,还要确保系统的各项功能可以正常运行。北斗监控中心的终端会根据收集到的相关数据进行分析运算,从而判断出使用者的所在地点;再将与之相关的信息,发送到使用者的手中。卫星接收终端兼收性好、容纳性强能够同时接收500多个下一等级用户的信息。除此以外,还能和全球定位系统连接,能够对用户的具体位置进行准确的定位。另外,卫星的接收终端还有一个通播的功能,在系统将相关的数据信息发送给用户时,其通信传送的基本方式类似于广播,即可以通过系统,将数据信息同时传送给下属的终端。

基于“中寰无限”信息平台的通信理论,监测中心的信息经互联网传输到卫星地面接收站,再由后者传输到北斗卫星通信系统。在此过程中,因为网络的原因,可能会出现丢包等错误,所以串口通信软件必须识别出文本信息的正确性。在经过较为复杂的航行线路时,当信号问题积累到一定程度时,就会造成进一步的定位误差,这种情况下往往会造成系统接收不到正确的定位信息,导致下一阶段的航行出现偏差。所以,在程序中要增加判断语句,剔除无效的数据,将有效的数据进行下一步。

3.2 通信系统的数据处理

同时,在此基础上,通过在系统中设置数据处理单元,实现对各类数据的集中处理,从而实现对海量数据的高效处理。其次,为了保证监控中心与各数据服务器间的信息互通,本文提出了一种新的解决方案。在北斗卫星通信监测中心,用于接收相关信息和数据的服务器,主要有2个通道:一个是因特网,另一个是卫星。两者的作用也是天差地别。利用互联网可以更快速、稳定地传递有关数据信息,以网络IP协议为基础,与北斗卫星通信网络相结合,使其在接收数据时更加方便、高效;而通过卫星将资料和资料传送给伺服器,则是通过卫星通信协定来接收资料[4]。为了保证系统在任何时候都能稳定的工作,需要一个数据库作为支撑。所以,在对水情进行测报和监测的时候,需要基于监控中心来构建与之对应的水情数据库,这既有利于大数据的检索和利用,也能极大地提高对有关数据的存储和备份的效率。

4 北斗卫星导航终端发展趋势

4.1 芯片化

目前,我国已在多模式、多频段等多个方面取得了重大突破,但其核心技术尚不完善。从芯片的观点出发,北斗卫星导航终端应该具备如下特点:

(1)具有可以进行快速导航定位、信号处理、数据通信以及人机互动的高性能和高度集成化的导航信号处理器;(2)具备高精度全球导航卫星系统(GNSS)定位技术,可为卫星提供高精度的空间位置信息;(3)具有智能化处理功能,采用先进的基带与RF处理算法,能够满足各种应用场合的需求,进行快速、动态的定位与导航;(4)提供了支持多个通信协议、多个应用程序函数的丰富界面。

4.2 标准化

我国在北斗卫星导航终端的发展过程中,已经逐渐建立起了北斗卫星导航终端的标准体系,这也是我国自主研发的北斗卫星导航终端设备可以持续取得成功,并在全球市场中占有更高市场份额的重要保证。从当前北斗卫星导航终端产品的使用现状来看,要想推动其使用,推动该行业的发展,需要重点做好如下工作:

(1)研究并完善与之配套的北斗卫星定位系统的技术标准。目前,国家已建立了一套从设计、制造到检测验收的北斗终端技术标准。然而,在建立并健全技术标准体系的过程中,还应根据不同的应用领域,在不同的时间阶段展开相应的研发工作,并与国内外的技术发展趋势以及用户的使用需求相结合,逐渐构建一个功能丰富、性能稳定、兼容性好、成本低的北斗卫星导航终端标准化体系。

(2)逐步构建北斗卫星定位系统的测试系统。目前,国内已有一套针对北斗卫星导航终端的测试系统,但测试手段相对单一,对其产品质量造成了一定的影响。为此,有必要根据不同的应用要求,对其进行有效的检测。

(3)支持我国自主研发的北斗卫星定位系统设备,积极地参加相关国际标准的制订。在国际标准组织制定相关规则的过程中,我国应企业充分发挥自身在技术、生产和市场等方面的优势,积极参加标准组织所进行的系列工作。在参与国际标准化活动中,提升我国北斗卫星导航终端设备的知名度和美誉度,逐渐扩大我国北斗卫星导航终端产品在国际市场中的影响力。

5 结语

总体来看,中国北斗已有20多年的历史,已形成了一条完整的产业链。中国北斗将在今后的工作中,不断加强该系统的建设与应用。随着我国北斗技术的发展,中国北斗在 GNSS领域的地位也将越来越重要。通过该方法开发的软件,能够使航行中的船只很好地掌握本船所处准确的地理位置。通过这一数据航行中的船只能够及时地判断出其他船只的地理位置,这对于避碰、避险有很大的帮助。通过本系统实现了与监测中心的对接,为各船公司之间的信息交换提供了一个重要的通道。交通管理部门可以通过船载终端软件,将陆地监控中心收到的数据内容转发到执法艇,从而让这艘执法艇具备陆地监控中心的功能,在船上看到所有航行船舶的位置信息,方便在内河航行时进行及时的调度。在其他船只遇到危险或需要救援的时,可以将最近的船只安置在附近,实施救援。