基于北斗的航标监测系统软硬件设计

1第1章绪论1.1选题背景港口航标是帮助引导船舶航行、定位及标示港区内碍航物的主要港口设施。航标能否正常运行，关系着船舶的安全航行乃至船员的人身安全。随着海上运输的日益繁荣以及导航、无线电通信等技术的更新，也使得各大港口对航标功能的要求也在提高，然而，目前我国大部分港口的航标管理与维护依然是传统的人工模式，也就是小型航标定期检测（如浮标）、大型航标派专人职守（如灯塔）、航标管理人员定期地人工记录航标运行状态的方式，这种较为落后的管理与维护方式，无法做到随时精确地掌握航标的运行信息，给航标管理的难度和管理增加了难度，影响了航标运行水平的进一步提高，无法满足航运业对航标功能的新要求。目前，国际上很多大国纷纷建成了以卫星定位系统为基础的航标监测系统，然而其中绝大部分系统是基于美国军方开发的GPS卫星导航系统而研发的。但是，美国的GPS卫星导航系统，对于其他国家的商业用途是进行了一定的功能和精度限制；而且当今国际局势动荡不定，不排除美国在不远的未来会进一步限制乃至取消GPS卫星导航系统在其他国家商业中的使用，也势必会对相应的航标监测系统造成沉重打击。因此，研发一套以本国自主设计制造的卫星定位系统为基础的航标监测系统，成为了很多国家现今亟待解决的课题。而今，我国拥有自主知识产权的北斗卫星导航系统（BDS）也已成形，并且新一代的北斗二代卫星导航系统（BD2）也已初具规模，较于其它常见的卫星系统来说，北斗二代卫星导航系统拥有多个优势：（1）支持大批量用户大规模监测、收集数据以及传输数据；（2）在具有定位功能的同时，还支持双向通信功能，且不需其它通讯系统辅助；（3）拥有自主知识产权，加密程度高、安全、稳定，可支持重要部门使用。本论文也基于这样的一个背景，提出了一套基于北斗二代卫星系统的港口航标监测系统的研究方案。1.2北斗二代卫星定位系统概述1.2.1北斗一代卫星定位系统2北斗系统是我国自主开发的卫星定位系统。我国最早于1983年就首次提出了“双星定位”这个北斗一代卫星定位系统的早期基本理论，2000年底，随着前两颗北斗一代定位卫星相继发射升空，北斗一代卫星定位系统（BD1）也正式投入运营。由于北斗一代卫星定位系统属于我国卫星导航的试验系统，利用少量卫星实现的有源定位，精度可达到100m，利用地面站进行校准后为精度可以进一步提升到20m，与当时美国的GPS系统民用版基本一致。该系统用户除了可实现自身定位，还可向外界报告自身地理坐标和发送短消息。但是由于该系统使用的是主动式定位，即用户需要向北斗卫星发送请求信号，然后由地面中心站对用户的地理坐标进行计算得出结果，再通过卫星将运算结果发送回用户端。这种定位方式要求用户所在位置最少可以观测到2颗地球同步轨道卫星，并且用户高度数据已知，所以系统用户数有一定上限。因此，虽然该系统成本较低，但因为其在定位精度、用户容量、定位的频率次数、隐蔽性等方面均受到限制，而且北斗一代不能测速，无法支持船舶计程等功能，所以北斗一代系统没有在国内外市场上引起较大反响。1.2.2北斗二代卫星定位系统基于北斗一代卫星定位系统的试验经验，结合新时期我国经济社会和科技水平发展的需求，构建一个类似GPS功能的全球卫星定位系统开始提上日程，最初被称为北斗二代导航定位系统。2007年起，正式确立为北斗二代（BD2）为北斗卫星导航定位系统（BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS），它也成为继美国GPS卫星系统和俄罗斯GLONASS卫星系统之后第3个成型的卫星导航系统。北斗与美国GPS、俄罗斯GLONASS和欧盟GALILEO均为联合国卫星导航委员会已认定的供应商。北斗卫星定位系统在大部分功能上类似GPS系统，采用被动式定位原理，用户只要能接收到4颗卫星即可进行自主定位，系统用户数量无限；同时还继承了北斗一代系统的短消息收发等功能，在功能上超越了GPS系统。截至2015年3月31日，北斗卫星定位系统已完成17颗卫星的发射，完成了对亚太地区的覆盖，预计2020年可以实现全球覆盖。1.3目前航标管理的现状1.3.1国内现状3航标，是几乎所有港口都需要配备的基础港口设施。然而在我国，多年以来，很多港口航标的监测、管理和维护多是靠人工完成的，效率不高、误差较大的现象经常发生，仅有部分大型港口对一些重要航标进行了智能化航标的建设。我国处于航标监测系统建设的初期阶段，面临到很多技术问题尚待解决。目前我国大部分港口使用或计划开发的航标监测系统，多是使用GPS系统与航标AIS等模块进行融合以完成监测任务。1.3.2国外现状在国外，尤其是航运发展水平较高的国家，已经开始陆续有规划地对航标系统进行自动化升级，同时组建航标的信息库，建立航标数据系统，以实现航标的自动化管理。很多航运大国，如美、日、英等国，从上世纪90年代起就开始借助卫星定位和通信科技的发展，逐渐摸索并构建了航标的监测系统，为港口的安全运行提供了有力保障，该系统目前主要功能包括了监测航标灯工作状态、远程控制电源设备、故障报警等。对于各类不同功能的航标，各国也使用了不同的技术以实现监测，目前用来实现监测和遥控功能的设备包括了：遥控终端、可编程控制器等，用来进行通信的设备包括了：无线电台、蜂窝电话、卫星通信、无线通信、有线电话等，计算机和互联网技术更是被充分的应用于航标监测系统。通过这些系统的开发，很大程度上提升了当地港口管理效率，同时还节约了资源。特别是目前在美国和欧洲等国利用GPS系统构建的航标监测系统，实现了航标管理的高精度和高智能。然而，由于现在还没有相关国际组织提出航标监测的行业性的规范，而且不同国家所选取的方案和设备各不相同，精度和效果也是良莠不齐，所以并无能够参考的系统、完善的成型方案。1.4本文研究目的及主要内容1.4.1研究的目的（l）实现港口航标的自动化管理，进一步提升港口的航行安全水平。（2）设计一个以北斗二代卫星系统为基础的航标监测系统的方案1.4.2研究的主要内容论文的主要研究内容是设计基于北斗二代的港口航标监测系统，论文各章节的主要内容如下：第一章：绪论。本章首先对港口航标监测系统重要作用进行了简要分析，并4对我国自主研发的北斗一代和北斗二代卫星系统进行了简要介绍，最后对当前国内外港口的航标管理现状进行了说明。第二章：基于北斗的航标监测系统总体设计。本章首先说明了航标的作用以及目前传统的视觉航标的管理模式，针对其不足提出了航标监测系统应实现的各类功能，然后依次对系统的定位方案、通讯方案以及总体结构设计方案进行了详细分析。第三章：基于北斗的航标监测系统软硬件设计。以系统硬件与软件作为切入点，设计了基于北斗二代卫星的航标系统的终端，包括了天气和海况信息采集模块、北斗通讯定位模块、航标信息采集与设置模块以及嵌入式软件等的设计方案。第四章：航标监测系统中的定位精度优化。设计了基于B/S架构的数据处理中心管理软件。软件包括北斗通信单元、数据存储仓库、业务逻辑单元和外部接口，实现水文气象信息预测、存储、推送和航标智能化管理。第五章：总结与展望。对全文进行了总结，并对本文的不足以及未来的研究方向进行了展望。5第2章基于北斗的航标监测系统总体设计2.1系统概述2.1.1航标的功能航标，是人工设置的助航标志的简称，是设置在沿岸、狭窄水域、重要航段或危险水域附近，以特定的标志、灯光、音响或无线电信号等，提供船舶定位、避离危险、引导船舶安全航行的重要设施。其主要功能包括：（1）指示航道。在重要航道附近的岸上或浅水区，用灯桩、立标、灯塔等设置导标、叠标等引导标志，以引导船舶航行在其导航线上。或用灯浮、立标、灯船等设置可航道的界线，以引导船舶航行在其标示的航道内；（2）供船舶定位。供船舶定位用的航标一般为确知位置的固定航标，如灯塔、灯桩等；（3）标示危险区。用灯浮、灯桩、立标等标示可航水域附近的危险物或危险区域的地点或范围，如沉船、暗礁、浅滩等，以指示船舶避离危险水域；（4）其它特殊用途。如标示特定水域或特征，标示锚地、检疫地、施工区、禁区、船舶性能测定场，罗经差测定场、通航分道等。2.1.2视觉航标的管理模式目前，我国很多港口航道的航标还是视觉航标。所谓视觉航标，是指观测者可以通过视觉直接观测到的助航设施，具有易分辨的颜色以及外形，并配有灯光和其它相关装置。在白天，可以利用标志的外形、颜色或顶标供船员观察；而夜晚，则利用灯光的颜色、闪烁频率和周期作为分辨特征。所以，港口的航标监测人员在检查航标时，需要检查航标的位置、形状及灯器及其电源各部件的技术性能。大多数视觉航标的监测多数采取的是人工定期巡检、定期检修的模式。各地方的航标管理机构会设置专门的航标管理船队，定期派出日航船和夜航船，靠船员目测来检查航标灯的工作情况是否正常以及地理位置是否偏移；还要定期对标志的灯和电源的各种指标进行全方位检查。这种传统的航标管理方式有很多不足：（1）效率不高：港口航标种类较多，且分布较广，需要检查的位置也较多，出航船舶往往需要消耗很多时间才能完成巡检任务。6（2）可靠性差：巡检主要以人工目测来检查航标灯的工作情况是否正常以及地理位置是否偏移的方式为主，单纯依靠工作人员的巡检经验，精确度较差。（3）无法保证实时监测：定期巡检，对于在两次巡查之间出现航标的工作异常，主管机构往往无法及时察觉和维护修理，这对日渐繁荣国内的港口的航行安全造成了一定影响。（4）易产生安全隐患：有些港口的水文情况复杂，船舶巡查具有一定的航行危险，尤其是在夜间巡查以及恶劣天气的条件下，危险性愈发明显。（5）成本较高：定期派出船舶及船员对港口内所有航标进行检查，消耗的人力和燃油成本较高，再加上船舶的保养支出以及船员的工资支出，总成本很高。综上，视觉航标的管理模式具有较多弊端，已经很难适应日渐繁荣的航运业所提出的安全、高效航行的要求。因此，航标主管机构需要一个精确、及时且智能化的航标监测系统。2.1.3航标的智能化监测航标监测及管理的重点是快速获得航标的各种性能指标，了解航标的工作状态并对其做针对性保养，及时维修故障，确保航标的正常运行，这就需要通讯技术和监测技术的保证，对航标进行遥测和遥控。最近几十年来，通讯科技发展迅速，国内的通讯网络也日趋成熟，无论是海上船舶的VHF通讯还是陆地上的蓝牙或GSM等通讯科技也都获得了迅猛发展，其安全性也获得了大幅度提高。同时，微电子和互联网技术的发展，美国GPS等卫星系统提供的愈发便捷的定位，使人们获得了更安全和更多元化的监测方式。在航标监测中充分运用这些前沿的科技，并与现代的管理模式加以融合，形成了航标的智能化监测系统。航标智能化监测系统凭借先进的通讯技术和监测技术，可以全智能、不间断地监测航标的工作状态。利用此系统，航标主管机构可以便捷地掌握航标的工作状态和其他信息，使航标装置的维修和保养变得及时和有针对性。航标智能化监测系统，一般包含控制中心和监测终端两个部分。监控终端负责监测航标的地理坐标和灯光状态，智能监控电源的电压、电流等指标，并将航标的各项指标参数报告到控制中心。控制中心在收取到监测终端发送的监测报告7并进行解析后，可掌握航标的活动轨迹和实时坐标，自动发送出现故障的航标信息，并通过统计航标的各项指标，自动提交各类系统报告。航标的智能化监测，提升了航标主管机构的工作效率，提高了港口水域的航行安全水平，有助于航标的信息管理系统的建立，共享航标信息的，成为未来航道管理的发展方向。2.2系统的总体功能航标监测系统的功能主要是监控标志灯器的状态指标和地理坐标，使航标主管机构能够实时了解航标的运行状态；而且，还能对航标的各种指标进行汇总和解析，为工作人员提供参考信息，同时，工作人员还可远程变更航标灯的工作状态。整个系统的具体功能如下（1）自主查询。工作人员可根据不同需求，利用控制中心自主查询标志灯器的各项状态指标和地理坐标，实时监测航标的运行情况。（2）信息汇总与检索。将航标的各类信息进行汇总，并得出各类报告，支持工作人员检索和打印。（3）状态信息获取。定期获取航标灯器的工作电流、灯质、电池电压等工作指标，与航标地理坐标一起发回控制中心，再通过分类整理，组成航标工