1、 第1章 緒論(xln)1.1 選題(xun t)背景港口(gngku)航標是幫助引導船舶航行、定位及標示港區內礙航物的主要港口設施。航標能否正常運行，關系著船舶的安全航行乃至船員的人身安全。隨著海上運輸的日益繁榮以及導航、無線電通信等技術的更新，也使得各大港口對航標功能的要求也在提高，然而，目前我國大部分港口的航標管理與維護依然是傳統的人工模式，也就是小型航標定期檢測（如浮標）、大型航標派專人職守（如燈塔）、航標管理人員定期地人工記錄航標運行狀態的方式，這種較為落后的管理與維護方式，無法做到隨時精確地掌握航標的運行信息，給航標管理的難度和管理增加了難度，影響了航標運行水平的進一步提高，無法滿

2、足航運業對航標功能的新要求。目前，國際上很多大國紛紛建成了以衛星定位系統為基礎的航標監測系統，然而其中絕大部分系統是基于美國軍方開發的GPS衛星導航系統而研發的。但是，美國的GPS衛星導航系統，對于其他國家的商業用途是進行了一定的功能和精度限制；而且當今國際局勢動蕩不定，不排除美國在不遠的未來會進一步限制乃至取消GPS衛星導航系統在其他國家商業中的使用，也勢必會對相應的航標監測系統造成沉重打擊。因此，研發一套以本國自主設計制造的衛星定位系統為基礎的航標監測系統，成為了很多國家現今亟待解決的課題。而今，我國擁有自主知識產權的北斗衛星導航系統（BDS）也已成形，并且新一代的北斗二代衛星導航系統（B

3、D2）也已初具規模，較于其它常見的衛星系統來說，北斗二代衛星導航系統擁有多個優勢：（1）支持大批量用戶大規模監測、收集數據以及傳輸數據；（2）在具有定位功能的同時，還支持雙向通信功能，且不需其它通訊系統輔助；（3）擁有自主知識產權，加密程度高、安全、穩定，可支持重要部門使用。本論文也基于這樣的一個背景，提出了一套基于北斗二代衛星系統的港口航標監測系統的研究方案。1.2 北斗(bi du)二代衛星定位系統概述1.2.1 北斗一代(y di)衛星定位系統北斗(bi du)系統是我國自主開發的 HYPERLINK /view/900506.htm t /_blank 衛星定位系統。我國最早于1983

4、年就首次提出了“雙星定位”這個北斗一代衛星定位系統的早期基本理論，2000年底，隨著前兩顆北斗一代定位衛星相繼發射升空，北斗一代衛星定位系統（BD1）也正式投入運營。由于北斗一代衛星定位系統屬于我國衛星導航的試驗系統，利用少量衛星實現的有源定位，精度可達到100m，利用地面站進行校準后為精度可以進一步提升到20m，與當時美國的GPS系統民用版基本一致。該系統用戶除了可實現自身定位，還可向外界報告自身地理坐標和發送短消息。但是由于該系統使用的是主動式定位，即用戶需要向北斗衛星發送請求信號，然后由地面中心站對用戶的地理坐標進行計算得出結果，再通過衛星將運算結果發送回用戶端。這種定位方式要求用戶所在

5、位置最少可以觀測到2顆地球同步軌道衛星，并且用戶高度數據已知，所以系統用戶數有一定上限。因此，雖然該系統成本較低，但因為其在定位精度、用戶容量、定位的頻率次數、隱蔽性等方面均受到限制，而且北斗一代不能測速，無法支持船舶計程等功能，所以北斗一代系統沒有在國內外市場上引起較大反響。1.2.2 北斗二代衛星定位系統基于北斗一代衛星定位系統的試驗經驗，結合新時期我國經濟社會和科技水平發展的需求，構建一個類似GPS功能的全球衛星定位系統開始提上日程，最初被稱為北斗二代導航定位系統。2007年起，正式確立為北斗二代（BD2）為北斗衛星導航定位系統（BeiDou Navigation Satellite S

6、ystem，BDS），它也成為繼美國GPS衛星系統和俄羅斯GLONASS衛星系統之后第3個成型的衛星導航系統。北斗與美國 HYPERLINK /view/7773.htm t /_blank GPS、俄羅斯 HYPERLINK /view/152877.htm t /_blank GLONASS和歐盟 HYPERLINK /view/490727.htm t /_blank GALILEO均為聯合國衛星導航委員會已認定的供應商。北斗衛星定位系統在大部分功能上類似GPS系統，采用被動式定位原理，用戶只要能接收到4顆衛星即可進行自主定位，系統用戶數量無限；同時還繼承了北斗一代系統的短消息收發等功能

7、，在功能上超越了GPS系統。截至2015年3月31日，北斗衛星定位系統已完成17顆衛星的發射，完成了對亞太地區的覆蓋，預計2020年可以實現全球覆蓋。1.3 目前(mqin)航標管理的現狀1.3.1 國內現狀(xinzhung)航標，是幾乎所有港口都需要配備的基礎港口設施。然而在我國，多年以來，很多港口航標的監測、管理和維護多是靠人工完成的，效率不高、誤差較大的現象經常發生，僅有部分大型港口對一些重要航標進行了智能化航標的建設。我國處于航標監測系統建設的初期階段(jidun)，面臨到很多技術問題尚待解決。目前我國大部分港口使用或計劃開發的航標監測系統，多是使用GPS系統與航標AIS等模塊進行融

8、合以完成監測任務。1.3.2 國外現狀在國外，尤其是航運發展水平較高的國家，已經開始陸續有規劃地對航標系統進行自動化升級，同時組建航標的信息庫，建立航標數據系統，以實現航標的自動化管理。很多航運大國，如美、日、英等國，從上世紀90年代起就開始借助衛星定位和通信科技的發展，逐漸摸索并構建了航標的監測系統，為港口的安全運行提供了有力保障，該系統目前主要功能包括了監測航標燈工作狀態、遠程控制電源設備、故障報警等。對于各類不同功能的航標，各國也使用了不同的技術以實現監測，目前用來實現監測和遙控功能的設備包括了：遙控終端、可編程控制器等，用來進行通信的設備包括了：無線電臺、蜂窩電話、衛星通信、無線通信、

9、有線電話等，計算機和互聯網技術更是被充分的應用于航標監測系統。通過這些系統的開發，很大程度上提升了當地港口管理效率，同時還節約了資源。特別是目前在美國和歐洲等國利用GPS系統構建的航標監測系統，實現了航標管理的高精度和高智能。然而，由于現在還沒有相關國際組織提出航標監測的行業性的規范，而且不同國家所選取的方案和設備各不相同，精度和效果也是良莠不齊，所以并無能夠參考的系統、完善的成型方案。1.4 本文研究目的及主要內容1.4.1 研究的目的（l）實現港口航標的自動化管理，進一步提升港口的航行安全水平。（2）設計一個以北斗二代衛星系統為基礎的航標監測系統的方案1.4.2 研究的主要內容論文的主要研

10、究內容(nirng)是設計基于北斗二代(r di)的港口(gngku)航標監測系統，論文各章節的主要內容如下：第一章：緒論。本章首先對港口航標監測系統重要作用進行了簡要分析，并對我國自主研發的北斗一代和北斗二代衛星系統進行了簡要介紹，最后對當前國內外港口的航標管理現狀進行了說明。第二章：基于北斗的航標監測系統總體設計。本章首先說明了航標的作用以及目前傳統的視覺航標的管理模式，針對其不足提出了航標監測系統應實現的各類功能，然后依次對系統的定位方案、通訊方案以及總體結構設計方案進行了詳細分析。第三章：基于北斗的航標監測系統軟硬件設計。以系統硬件與軟件作為切入點，設計了基于北斗二代衛星的航標系統的終

11、端，包括了天氣和海況信息采集模塊、北斗通訊定位模塊、航標信息采集與設置模塊以及嵌入式軟件等的設計方案。 第四章：航標監測系統中的定位精度優化。設計了基于 B/S 架構的數據處理中心管理軟件。軟件包括北斗通信單元、數據存儲倉庫、業務邏輯單元和外部接口，實現水文氣象信息預測、存儲、推送和航標智能化管理。 第五章：總結與展望。對全文進行了總結，并對本文的不足以及未來的研究方向進行了展望。 第2章 基于(jy)北斗的航標監測系統(xtng)總體(zngt)設計2.1 系統概述2.1.1 航標的功能航標，是人工設置的助航標志的簡稱，是設置在沿岸、狹窄水域、重要航段或危險水域附近，以特定的標志、燈光、音響

12、或無線電信號等，提供船舶定位、避離危險、引導船舶安全航行的重要設施。其主要功能包括：（1）指示航道。在重要航道附近的岸上或淺水區，用燈樁、立標、燈塔等設置導標、疊標等引導標志，以引導船舶航行在其導航線上。或用燈浮、立標、燈船等設置可航道的界線，以引導船舶航行在其標示的航道內；（2）供船舶定位。供船舶定位用的航標一般為確知位置的固定航標，如燈塔、燈樁等；（3）標示危險區。用燈浮、燈樁、立標等標示可航水域附近的危險物或危險區域的地點或范圍，如沉船、暗礁、淺灘等，以指示船舶避離危險水域；（4）其它特殊用途。如標示特定水域或特征，標示錨地、檢疫地、施工區、禁區、船舶性能測定場，羅經差測定場、通航分道等

13、。2.1.2 視覺航標的管理模式目前，我國很多港口航道的航標還是視覺航標。所謂視覺航標，是指觀測者可以通過視覺直接觀測到的助航設施，具有易分辨的顏色以及外形，并配有燈光和其它相關裝置。在白天，可以利用標志的外形、顏色或頂標供船員觀察；而夜晚，則利用燈光的顏色、閃爍頻率和周期作為分辨特征。所以，港口的航標監測人員在檢查航標時，需要檢查航標的位置、形狀及燈器及其電源各部件的技術性能。大多數視覺航標的監測多數采取的是人工定期巡檢、定期檢修的模式。各地方的航標管理機構會設置專門的航標管理船隊，定期派出日航船和夜航船，靠船員目測來檢查航標燈的工作情況是否正常以及地理位置是否偏移；還要定期對標志的燈和電源

14、的各種指標進行全方位檢查。這種傳統的航標管理方式有很多不足：（1）效率不高：港口航標種類較多，且分布較廣，需要檢查的位置也較多，出航船舶往往需要消耗很多時間才能完成巡檢任務。（2）可靠性差：巡檢(xn jin)主要以人工目測(m c)來檢查(jinch)航標燈的工作情況是否正常以及地理位置是否偏移的方式為主，單純依靠工作人員的巡檢經驗，精確度較差。（3）無法保證實時監測：定期巡檢，對于在兩次巡查之間出現航標的工作異常，主管機構往往無法及時察覺和維護修理，這對日漸繁榮國內的港口的航行安全造成了一定影響。（4）易產生安全隱患：有些港口的水文情況復雜，船舶巡查具有一定的航行危險，尤其是在夜間巡查以及

15、惡劣天氣的條件下，危險性愈發明顯。（5）成本較高：定期派出船舶及船員對港口內所有航標進行檢查，消耗的人力和燃油成本較高，再加上船舶的保養支出以及船員的工資支出，總成本很高。綜上，視覺航標的管理模式具有較多弊端，已經很難適應日漸繁榮的航運業所提出的安全、高效航行的要求。因此，航標主管機構需要一個精確、及時且智能化的航標監測系統。2.1.3 航標的智能化監測航標監測及管理的重點是快速獲得航標的各種性能指標，了解航標的工作狀態并對其做針對性保養，及時維修故障，確保航標的正常運行，這就需要通訊技術和監測技術的保證，對航標進行遙測和遙控。最近幾十年來，通訊科技發展迅速，國內的通訊網絡也日趨成熟，無論是海

16、上船舶的VHF通訊還是陸地上的藍牙或GSM等通訊科技也都獲得了迅猛發展，其安全性也獲得了大幅度提高。同時，微電子和互聯網技術的發展，美國GPS等衛星系統提供的愈發便捷的定位，使人們獲得了更安全和更多元化的監測方式。在航標監測中充分運用這些前沿的科技，并與現代的管理模式加以融合，形成了航標的智能化監測系統。航標智能化監測系統憑借先進的通訊技術和監測技術，可以全智能、不間斷地監測航標的工作狀態。利用此系統，航標主管機構可以便捷地掌握航標的工作狀態和其他信息，使航標裝置的維修和保養變得及時和有針對性。航標智能化監測系統，一般包含控制中心和監測終端兩個部分。監控終端負責監測航標的地理坐標和燈光狀態，智

17、能監控電源的電壓、電流等指標，并將航標的各項指標參數報告到控制中心。控制中心在收取到監測終端發送的監測報告并進行解析后，可掌握航標的活動軌跡和實時坐標，自動發送出現故障的航標信息，并通過統計航標的各項指標，自動提交各類系統報告。航標的智能化監測，提升了航標主管機構的工作效率，提高了港口水域的航行安全水平，有助于航標的信息管理系統的建立，共享航標信息的，成為未來航道(hngdo)管理的發展方向。2.2 系統(xtng)的總體功能航標監測系統的功能主要是監控標志燈器的狀態指標和地理坐標，使航標主管機構能夠實時了解航標的運行狀態；而且(r qi)，還能對航標的各種指標進行匯總和解析，為工作人員提供參

18、考信息，同時，工作人員還可遠程變更航標燈的工作狀態。整個系統的具體功能如下（1）自主查詢。工作人員可根據不同需求，利用控制中心自主查詢標志燈器的各項狀態指標和地理坐標，實時監測航標的運行情況。（2）信息匯總與檢索。將航標的各類信息進行匯總，并得出各類報告，支持工作人員檢索和打印。（3）狀態信息獲取。定期獲取航標燈器的工作電流、燈質、電池電壓等工作指標，與航標地理坐標一起發回控制中心，再通過分類整理，組成航標工作指標的動態數據庫。（4）系統工作記錄。自動詳細地匯總人員的操作記錄以及系統內通訊系統的故障信息等工作情況，方便人員對其進行檢索。（5）自動報警。在監控中，如果系統發現航標發生位置變動、電

19、池電壓減弱、燈光狀態異常或熄滅以及其他系統錯誤時，能夠自動發出各類報警，并報告系統錯誤的類型，提醒工作人員采取相關解決措施，并通過短消息將系統的錯誤狀態信息發到相應管理者的手機上。（6）設定工作指標。利用控制中心設定監測終端的開機時間、發送消息的間隔時間和頻率等系統指標。（7）航標管理。記錄航標的主要工作指標和保養日志，并參考(cnko)航標的工作信息數據庫，組成航標的詳細信息數據庫，統一對航標進行維護和監測。（8）遙控。工作人員能夠根據實際(shj)情況需要，關閉航標的自動工作模式，以強制關閉或開啟燈光。（9）權限及名單管理。根據工作人員的不同分工，設置人員各自的操作權限，變更人員名單，更新

20、人員的信息和密碼，確保系統(xtng)的可靠。（10）顯示航標的坐標和軌跡。利用電子海圖顯示主要航標的位置分布，使用航標對應的圖形將航標的偏移路線及坐標點的具體參數顯示出來，并不間斷更新，輔助工作人員預測航標的移動方向，更準確地作出相關決策。2.3 系統定位方案的設計作為助航設施，航標利用其地理位置信息來實現指示航路點、航道、礁石、淺水區、禁航區和沉船等區域的功能。為了保證船舶的正常航行，應確保航標的坐標信息準確。監測航標的地理位置，是航標監測系統一個重要的功能，隨著無線電定位水平的日漸提高，對航標地理位置的監測也愈發精確。由于無線電定位技術測量便捷，而且各種天氣現象對無線電定位技術的影響甚微

21、，加上新的無線電定位技術不斷更新和準確度的不斷提高，使其在現有的導航和定位系統之中得到了廣泛應用。在目前的應用中，常見的定位方式包括：蜂窩網無線電定位、陸基無線電導航和衛星導航系統。2.3.1 移動通訊網絡定位系統移動通訊科技的不斷更新，使得手機定位精度不斷提高，也得到了大量手機用戶的實際應用。在手機蜂窩網內，用戶能夠利用自身手機確定自己所處的地理未知，并搜索周邊的相關資料。目前，國內的主要移動運營商都已提供了各自的手機定位服務。中國移動利用GSM網絡提供的定位業務（LBS），是通過其網絡內基站的地理坐標，來獲取手機用戶的地理坐標，再依據用戶提交的請求提供對應的定位相關業務。其定位的準確度與基

22、站分布的疏密程度有關，在國內重要的城市市區內，其準確度可縮小到100m，而在一些小規模城市的市區，定位準確度能達到200m，而在郊縣的準確度更能達到500m以上。不過，中國移動還能提供STK與GPS結合的定位服務，準確度能縮小到不到10m，并且能覆蓋到很多GPS等衛星系統無法提供服務的位置。中國聯通的定位之星服務，則利用其CDMA網絡的gpsOne定位方式(fngsh)，實現高準確度的定位。利用定位之星方式，定位準確度可縮小到50m，而且具有受環境影響小、耗時短、可實現國內漫游的特點。人們使用蜂窩網無線電定位，利用自己手機就可以實現地理(dl)定位，而不需其他額外的裝置，是一種非常便捷的選擇。

23、然而，由于現在移動的LBS的定位準確度在大部分情況下不夠理想，聯通的gpsOne開通的地區相對較少，而且人們利用手機進行定位時還要先向通訊管理中心發送請求，才可以獲取到地理位置參數，屬于被動定位，再加上定期還要給運營商繳納服務費用，因此蜂窩網無線電定位系統并不完全適合成為航標(hngbio)監測系統的定位方式。2.3.2 地面無線電定位系統基于陸地的無線電導航系統，往往主要針對快速移動的用戶，比如飛機或汽車的導航與定位，并可測量用戶的坐標、運動方向、速度大小等參數。常見的基于陸地的無線電導航系統包括：羅蘭C和奧米加系統。羅蘭C系統由3個陸地導航基站組成，工作頻率為10萬赫茲，工作范圍可以達到2

24、000公里。其定位準確度多數可達到200到300米，但是用戶距離陸地基站越遠，其準確度越差，而且不支持在城市中使用。奧米加系統只需要建立八個陸地基站就能夠實現全球定位，但是它的導航準確度很低，誤差往往可以達數千米。綜上，由于基于陸地的無線電導航系統的工作區域較小，其信號傳播受天氣影響較大，定位準確度較差，并且需要使用專門的裝置進行接受，成本較高，也不適合成為航標監測系統的定位方式。2.3.3 衛星定位系統（1）GPS衛星定位系統GPS是通過定位衛星，能夠在全世界實現 HYPERLINK /view/24492.htm t /_blank 定位、 HYPERLINK /view/425408.h

25、tm t /_blank 導航功能的系統，由美國國防部研發制成，具有全方位、全天候、全時段、高精度的特點，可以為全球用戶提供低成本、高精度的三維定位、測速和精確對時等服務。GPS系統由三大部分組成：GPS信號接收機：負責接收衛星發送的信號，從而獲取的導航與定位信息，再經過解析，完成導航與定位工作。接收機硬件一般由主機、天線和電源組成。地面(dmin)控制系統：包括注入站、主控站和監測站，主要負責匯總 HYPERLINK /view/22556.htm t /_blank 衛星(wixng)傳送回地面的各類信息，并完成相對距離、大氣校正和衛星星歷(xn l)等數據的結算。空間部分：包括21顆工作

26、衛星，3顆備用衛星。GPS系統使用碼分多址技術CDMA，依據調制碼來分辨衛星，載波頻率相同，均為L1波段1575.42MHz和L2波段1227.6MHz。GPS衛星系統采用二進制碼組成的偽碼來完成 HYPERLINK /view/400706.htm t /_blank 導航電文的發射，其偽碼一共有兩種，包括開放民用的 HYPERLINK /view/2370555.htm t /_blank C/A碼和軍用的P碼。由于考慮到自身的國防軍事部署，美國開放民用的C/A碼定位精度是100米，而軍用的P碼定位精度則可降低到10米以內。由于GPS對民用開放的C/A碼定位精確度不高，對于港內的很多狹窄航

27、道而言，具有一定的潛在風險，因此，港口航標監測系統如果選取GPS系統將出現較大的定位誤差。（2）北斗衛星定位系統北斗是我國自主研發的，擁有獨立知識產權的定位系統。它只需要借助兩個地球同步衛星的已知位置和待測站的大地高程就開完成定位，與美國的GPS或俄羅斯的GLONASS相比，北斗成本較低：利用率高達100%；衛星測軌精度對于導航定位精度沒有顯著影響，而且即便是國內經濟不發達地區也可以對其進行開發和利用。北斗具有和GPS系統類似的模式和結構，即包括北斗用戶接收機、地面控制系統以及空間部分三大部分。北斗與美國的GPS系統的顯著不同是衛星星座的空間分布，它所采用的偽隨機噪聲碼序列和捕獲方式、載波頻率

28、和碼頻率、導航電文的調制及編碼、用戶的定位解算也不同。北斗衛星導航定位系統可為服務區域內用戶提供全天候、高精度、快速實時的定位服務，其定位精度優于20米，定位可在一秒內完成。并且北斗用戶終端具有雙向數字報文通信功能，用戶一次可以傳送120個漢字的信息。且該系統能夠完成單向和雙向兩種授時任務，能夠提供loons單向授時和20ns雙向授時的時間精度。國際上對導航的策略觀點綜合起來有三個方面：一是盡可能采用星基導航系統取代陸基導航系統，以達到最大的效益成本比；二是不能依靠由他國軍方控制的衛星系統來實現本國的導航；三是要穩妥切實。北斗衛星導航定位系統用戶終端與控制中心具有雙向通訊功能，無需其他通訊系統

29、支持，可以完成港口的航標遠程監控，而GPS系統本身不具備通信(tng xn)能力，需要和其他通訊系統結合才能實現全長江段的遠程定位與監控功能。所以，綜合以上分析，采用北斗衛星系統(xtng)完成對航標的坐標等信息的監測，無論是對提升定位精度還是對提升我國國防水平，都有著較為深遠的意義。2.4 系統(xtng)通訊方案的設計隨著航運業的日益繁榮，國內港口也向著大型化、深水化、多功能化的方向不斷發展，港口航道的拓寬和開發也使航標的分布位置也變得越發分散。這導致了港口航標監測系統需要滿足通訊距離遠、覆蓋范圍大的要求，而常見的有線通信模式難以實現這一要求，因此只能采取無線通訊。當前，無線通訊的技術已經

30、很成熟，各類通信設施不斷發展，也不斷深入人們的生活，這也為港口航標監測系統提供了很大的選擇空間。在能夠實現遠程監測的基礎上，可供選擇的解決方案包括三種：現有移動通訊網絡、自建無線網絡、和北斗二代系統自帶的無線通訊功能。2.4.1 現有移動通訊網絡使用現有的移動通訊網絡，只需要在航標終端安裝移動裝置，而不需投入太多成本去建設無線網絡和基站，也不需要對無線網絡進行維護。航標在配備移動裝置后，只需向相關運營商開通短信息業務，并定期支付該項目業務費用，通過使用該業務來完成自身的通訊任務。目前，移動通訊網絡在我國各地發展迅猛，移動通訊的普及率也不斷刷新新高，其穩定性、安全性水平也不斷得到提升。截至201

31、4年，移動通訊網絡在我國的普及率已達到97%以上，在東部的港口城市幾乎可以達到100%，無線網絡的接通率為99.72%，文字短消息接通率為96.37%，已經能夠完成各類不同形式的通訊系統要求。與此同時，各大運營商還進一步推廣文字短消息、語音以及數據傳輸等無線網絡服務，各類服務的價格也不斷降低，使人們能夠根據自身的不同需求選擇合適的服務項目，也使系統管理和維護的成本不斷減少。目前在國內市場上有三大常見的無線通訊網：GPRS，CDMA以及(yj)GSM，這三種無線通訊網絡都擁有很高的普及率，除了提供語音通話的服務之外，以上三種網絡還均提供文字短消息傳送等數據通訊服務，不需要成立專門的傳輸通道，僅利

32、用網絡內的短消息服務中心就可以完成中繼、存儲和轉發文字信息等功能，可以完成雙向數據傳輸的任務。應該承認，移動通訊網絡為航標監測系統提供了一種經濟而快捷(kui ji)的通信模式。國內的很多港口在建或者已經建成的航標監測系統，就選擇了現有的通信網絡（例如GSM）為系統提供通訊支持。2.4.2 自建無線網絡自建的無線通訊網絡，多數是選取(xunq)VHF無線電臺作為通信方式，需要配備陸地基站，并且需要在用戶端配備無線電臺。然而，由于VHF信號的最大發送范圍有限，而且容易受到周圍環境的干擾，發射距離太遠的話，還需配備中繼站。在無線通訊網絡建成后，要向所在地的無線電委員會申請固定頻率方能使用。雖然，使

33、用自建的無線通訊網絡，用戶對通訊信道具有完整支配權以及自主處理權，不需向任何部門繳納租用費用，因而系統的運行較為自由便捷而且可靠性較高，但自建的無線網絡，除需配備用戶端的電臺外，還需要建無線基站，建設成本很高，而且未來的運營成本也不菲。而對航標監測系統而言，由于航標分布較分散，自建無線網絡勢必要配備許多基站，這會使系統成本大幅度增加，未來的保養維修工作量也相應增大，性價比較差。2.4.3 北斗二代的通訊功能北斗一代系統中就具有的短消息通訊功能，是包括美國GPS在內的其他主流衛星導航系統都無法實現的特殊功能，也使北斗世界上第一個既能夠定位、授時又能夠進行短消息通訊的衛星定位系統，北斗二代衛星系統

34、也保留了這一功能。北斗二代系統的短消息通訊能夠完成用戶機與用戶機、用戶機與地面控制中心間雙向數據報文通訊，普通的用戶機一次能發送36個漢字，而經申請批準后一次能夠發送120個漢字或240個代碼。該功能不只能進行點對點雙向通訊，其提供的指揮機還能夠完成一對多的數據發送，為各類服務都提供了很大便利。指揮機在獲取北斗用戶機發送的短消息后，通過串口和服務器相連，使用以JAVA等編程語言編寫的通訊程序對數據進行解析，再利用短信網關將其轉發到其他手機，使用通訊程序還能夠實現其他手機往北斗用戶機傳送短信。北斗的短消息通訊與其它(qt)的衛星通訊相比，具備如下特點：通訊字數和通訊頻率的分級。按照北斗(bi d

35、u)用戶的級別，其用戶卡的短消息通訊分成兩個級別：非審核用戶的通訊字數上限是每次36個漢字；經審核批準后的用戶卡發送短信的時間頻率是1分鐘一次。北斗系統沒有通訊盲區。由于北斗的通訊過程是通過向北斗衛星發射申請信號，進而完成后續(hux)通訊任務，所以在北斗衛星覆蓋范圍內，幾乎沒有通訊盲區。支持兩類數據通訊編碼。用戶能夠按照自身需求，選擇北斗短消息通訊的兩類數據編碼，一類是國際上較為通用的BCD碼方式，另一類是很多漢字通訊使用的ASCII碼的方式。綜合考慮以上因素，選擇北斗自帶的通訊功能作為本系統的通訊方案具有較明顯的可靠性和適用性。2.5 系統的總體結構設計地面監測中心自檢模塊GSM模塊GPS

36、模塊航標終端GPS衛星狀態信息定位信息目前國內大部分港口的航標監測系統多數使用的是GPS+GSM系統，其基本結構圖如下：圖2.1 基于GPS+GSM的航標監測系統構造圖如圖所示，航標內安裝有GSM模塊、GPS模塊以及航標自檢模塊。航標的GPS模塊從衛星獲取到地理位置參數后，連同航標自檢模塊獲取的航標運行狀態參數一起，利用GSM模塊以文字短信形式傳送給地面監測中心，從而使監測中心完成對航標的實時監測。然而，由于在以上系統(xtng)中使用的GPS系統(xtng)的通訊(tngxn)模式是單方向的，因此還需要通過GSM模塊的雙向通訊功能來完成信息的發送與接收。這種系統雖然結構并不復雜，但考慮到港口

37、航標分布的區域較為廣泛，而且進出港航道的水文情況也較為復雜，個別港區尚未實現GSM信號的完全覆蓋，所以在這類信號盲區內的航標的運行狀態就無法得到監測。針對以上基于GPS的航標監測系統的不足，并結合我國研發建設的北斗系統支持雙向通信的特點，本文設計了一套基于北斗二代的航標無線監測系統，以完成對港區所有航標的實時監測的任務。信息處理中心航標信息收集終端航運公司海事主管機關衛星管理中心船舶互聯網北斗衛星服務器端 互聯網圖 2.2 航標監測系統框架圖如圖所示，作為一個綜合性功能平臺，基于北斗二代系統的航標監測系統的功能包括了信息收集、信息管理、雙向通訊和互聯網開發等，其結構包括信息收集終端、信息處理中

38、心、雙向通訊鏈路和用戶終端。信息收集終端的功能是收集港區及周邊水域的天氣(tinq)及海況信息，如氣溫、水溫、大氣濕度、大氣能見度、流速、流向、風力和風速等，并把天氣及海況信息連同終端的地理坐標參數、終端運行狀態信息傳送到信息處理中心。信息處理中心相當于航標監測系統的管理中心，同時給用戶終端和信息收集終端提供服務，它主要完成(wn chng)以下四項功能：獲取信息收集終端傳送(chun sn)的數據包，對數據包進行解析，分辨出不同功能的信息內容再分類存儲；收集大量天氣和海況信息，并依此組建數據評估和預測模型，對港口及周邊水域的天氣和海況進行預報；按照不同用戶的要求以及相應的權限，向海事主管機關

39、、航運相關企事業單位等用戶發布天氣和海況信息和航標運行信息。（4）收取用戶終端傳送的航標狀態變更命令，并轉發到對應的信息收集終端。雙向通訊鏈路是信息處理中心與信息收集終端之間的信息傳送渠道，它依靠北斗二代定位系統組成，與其他通訊方式需要建設陸地基站相比，其通訊模式具有明顯的便捷性。用戶終端是系統和用戶進行互聯的端口，通過該端口可實現航標狀態監測、海事監管以及天氣和海況信息發布等功能。信息收集終端、用戶終端與服務器端相互協調工作，確保系統安全穩定運營。2.5.1 信息收集終端設計天氣海況信息采集模塊北斗定位通訊模塊電源模塊航標參數采集與配置模塊浮標航標燈圖 2.3 信息收集(shuj)終端設計方

40、案信息收集終端由天氣和海況采集模塊、浮標(fbio)、航標參數信息采集與配置模塊、北斗定位通訊模塊組成，其核心為北斗定位通訊模塊和航標參數采集與配置模塊組成的功能板。信息收集終端的設計方案如圖 2.2 所示。（1）天氣海況信息采集(cij)模塊天氣海況信息采集模塊由水文狀態采集裝置、天氣狀態采集裝置和信息收集中心構成，用于收集港口及周邊水域的天氣和海況信息，并對信息進行整流轉換。天氣和海況信息采集模塊能夠對氣溫、水溫、水深、風向、風速、大氣濕度、氣象能見度、流向、流速等多個參賽進行收集與分析。（2）北斗定位通訊模塊迄今為止，國際上都還沒有出現能夠同時擁有精準定位功能與通訊功能的裝置，因此北斗定

41、位通訊模塊使用了“RDS通訊模塊+GNSS定位芯片”的模式。RDSS（Radio Determination Satellite System）的信息收發模塊可以進行衛星定位與短消息通訊，每次能夠發送120個漢字或420個BCD碼，用戶還能夠利用本地接口對模塊進行設置。但是由于該模塊是“有源定位”，定位誤差能達到100米，因此不能完全滿足系統的精確定位要求。而GNSS（Global Navigation Satellite System）芯片的體積較小，雖然無法進行短消息通訊，但由于其定位原理是“無源定位”，所以定位誤差可以降低到3米，能夠彌補RDSS 模塊定位誤差較大的缺陷。北斗定位通訊模塊

42、主要具有以下三項功能：獲得航標的精準地理位置，并傳送坐標到信息處理中心；將天氣和海況信息、航標的狀態參數匯總設置成特殊格式的數據包，并將數據包傳送到信息處理中心；收取信息處理中心傳送的設置命令信息，并將設置命令轉發到航標參數采集與配置模塊。（3）電源模塊電源(dinyun)模塊主要包括了電源轉換電路與太陽能供電裝置兩大部分。太陽能供電裝置包括蓄電池、電池控制器和太陽能光伏電池組。其核心為控制器和光伏電池組。電池控制器能夠對太陽能供電裝置的工作過程進行(jnxng)控制；光伏電池主要負責將光能轉換為電能，它由兩塊60W的太陽能電池板和兩塊30W的太陽能電池構成；蓄電池負責儲藏光伏電池傳送來的電能

43、；電源轉換電路負責為航標各個模塊供電，確保航標安全穩定工作。航標參數采集與配置模塊和北斗定位通訊模塊的CPU芯片以及北斗RDSS模塊全都只支持5伏直流電壓，北斗GNSS芯片和整流轉換芯片電壓分別為3.3伏、3伏直流，因此需要靠穩壓裝置以及相關的電源開關轉換芯片對電壓進行適當轉換，從而獲取合適的輸出電壓。（4）航標參數采集與配置(pizh)模塊該模塊的電路主要由驅動控制電路、參數采集電路、航標燈電路和監控CPU等構成。參數采集電路負責收集航標燈的電壓狀態、電流大小和燈器的工作狀態等狀態，再把模擬信號整流為數字信息，最終把信息傳送給監控CPU。監控CPU對參數采集電路收集的狀態參數進行編碼，并傳送

44、到北斗定位通訊模塊。同時，它還負責接收北斗定位通訊模塊發來的設置指令，并采取相應指令動作，完成對燈光的閃光頻率、報警參數等信息的變更。（5）浮標浮標是信息收集終端的基礎，是監測遙控模塊和天氣和海況采集裝置的載體。考慮到系統的硬件配置需求，浮標需具備安裝便捷、防碰撞、靈活、無磁、防腐、支持大面積安裝的特性。2.5.2 雙向通訊鏈路設計雙向通訊鏈路是地面的信息處理中心和信息收集終端之間的信息傳輸路徑。以北斗二代的通訊功能為基礎建立航標監測系統的雙向通訊鏈路，北斗系統不需要在地面建立通訊基站，通訊方式簡捷，即使在遠離陸地地區也能實現信息處理中心和信息收集終端之間的一對多和多對一的雙向通訊。信息收集終

45、端（航標）衛星管理中心信息處理中心衛星通訊互聯網圖 2.4 雙向通訊(tngxn)鏈路示意圖如圖2.5，雙向通訊鏈路由衛星(wixng)、互聯網兩個傳輸媒介和信息收集終端、衛星管理中心和信息處理中心三部分構成。衛星管理中心是信息收集終端與信息存儲中心的信息中轉站，具有以下兩個特點：接收和緩存信息收集終端發來的固定(gdng)格式信息包，并向信息處理中心推送信息包；接收信息處理中心發送的信息，并推送到信息收集終端或其他接收終端。2.5.2 信息處理中心設計信息處理中心主要由信息處理中心軟件、互聯網通迅平臺、機房設備和服務器組等構成，能夠完成信息接收、信息預處理、信息解析、信息儲存和信息轉發等任務

46、。信息處理中心軟件設計信息處理中心管理軟件外部端口業務員邏輯模塊多源融合信息儲存倉庫北斗二代通訊模塊海況信息分析天氣信息分析航標信息管理信息發送信息接收信息分析圖 2.5 信息處理中心管理軟件框架圖軟件的結構設計如圖2.4。信息處理中心軟件主要有以下四部分：外部端口、業務邏輯模塊、信息儲存倉庫和北斗二代通訊模塊，其中業務邏輯模塊是本軟件的核心。北斗(bi du)二代(r di)通訊模塊是依照北斗導航民用分理級服務平臺和外接系統之間數據傳輸協議（V1.2），基于面向多線程以及用戶編程思想的設計方式(fngsh)。通訊模塊包括信息發送模塊、信息解析模塊與信息接收模塊，能夠完成北斗二代衛星管理中心與

47、信息處理中心之間的實時信息互聯。多元融合信息儲存倉庫是一個包括了航標狀態信息以及港口周邊水域天氣和海況信息的資料庫。該信息庫將信息獲取、分揀、凈化和匯總等多種功能匯集于一身，并支持存儲記錄空間位置，具備穩定、實時、高度集成等很多優點。獲取信息方式主要以信息收集技術為主，并用表單的方式進行存儲和管理。多元融合信息倉庫不只能夠記錄和存儲實時的天氣和海況信息，還能保存已處理信息和歷史記錄。航標信息管理單元主要具備以下兩個功能：給各港區的監測系統提供航標狀態參數轉發功能與通訊端口，完成對航標狀態參數的監測。獲取各港區監測系統發來的控制信息，再根據設定格式對信息重新組裝，最后將組裝好的信息打包并將其依次

48、傳送至北斗通訊模塊。（2）信息處理中心通訊平臺設計信息處理中心通訊平臺是由服務器、防火墻、部分路由器和交換器依照特殊設計的網絡拓撲結構構造而成。通訊平臺的主要功能包括：為KVM遠程管理系統提供接口，進行遠程管理；為各港口的監測系統中的監測站提供網絡通訊接口，確保各分監測中能夠獲取準確、實時的數據；在服務器上運行的管理軟件可以利用互聯網從衛星的運營服務中心采集到匯總的數據。2.5.4 用戶終端設計海事監測與信息發布平臺天氣與海況信息監測子系統天氣與海況信息預測子系統海事信息發布子系統航標工作管理子系統水流數據監測海水溫度監測氣溫監測大氣濕度監測能見度監測潮汐預測水溫預測氣溫預測能見度預測海況信息

49、發布天氣信息發布海上天氣預報航標位置信息航標參數顯示航標位置顯示航標狀態設置航標預警處理圖 2.6 海事監控(jin kn)與信息發布平臺用戶終端是各用戶與航標監測系統進行交互的接口，由天氣和海況監測子系統，天氣和海況預測子系統、航標工作(gngzu)管理子系統和海事信息發布子系統組成海事監測與信息發布平臺。平臺的整體結構如圖2.6，海事監測及信息發布平臺是基于模塊化思想設計(shj)，每個子系統獨立運行，為各自的用戶提供服務。天氣和海況監測子系統為海事監管部門提供航標周邊水域的水深、水溫、氣溫、濕度、能見度等水溫氣象信息的實時監測服務。天氣和海況預測子系統為用戶提供流信息、能見度等天氣和海況

50、信息的預測服務，預測周期為周和月。航標工作管理子系統為海事監管部門提供各海域航標的位置信息、電氣參數信息和航標參數的配置服務。這三個子系統全部為海事監管部門提供服務。海事信息發布子系統為漁船、海事企業等普通用戶提供實時的天氣和海況實時信息、天氣海況的預測信息和航道附近的航標坐標信息等。2.6 本章小結本章首先對航標的功能和傳統視覺航標的管理模式進行了簡要介紹，在分析了智能化航標監測系統的功能需求后，分別對系統的定位方案以及通訊方案進行了分析和選擇，并依次對信息收集終端、信息處理中心、雙向通訊鏈路和用戶終端等系統結構模塊的設計進行了介紹。第3章 基于北斗的航標監測系統軟硬件設計第3章 基于北斗(

51、bi du)的航標監測系統(xtng)軟硬件設計(shj)3.1 天氣和海況信息采集模塊 北斗通訊定位模塊海況信息采集設備信息收集平臺天氣信息采集設備流向流速水位水溫濕度溫度風向風速能見度衛星通訊圖 3.1 天氣和海況信息采集模塊設計圖天氣和海況信息采集模塊的功能主要是收集港區及周邊水域的天氣和海況信息，并把這些數據由模擬信號轉換成數字信號，然后傳送到北斗通信模塊。天氣和海況信息采集模塊的設計如圖所示。它由信息收集平臺、天氣信息采集設備和海況信息采集設備構成，能夠測量海水的深度、水溫、流向、流速以及空氣濕度、氣溫等參數。 目前，國際上大部分海洋環境監管機構主要使用多普勒海流波浪探測儀作為采集海

52、況信息的主要設備，該設備能夠自由選擇多個不同的測流層，還能測量和記錄水位、水溫、流向、流速等多種海況參數，精確度也較為理想。天氣信息的采集需要由多個傳感器組成一個傳感器組群來完成，包括了能見度傳感器、風速風向傳感器、溫濕度傳感器，能夠測量能見度、風速、風向、濕度、溫度等天氣信息。信息收集平臺負責對天氣信息采集設備所收集的信息進行分析處理，再將其轉為數字信號格式，最后進入數據傳輸系統。3.2 北斗通訊定位模塊MCUSTC12C5A60S2時鐘電路北斗一代電路北斗二代電路程序升級電路存儲器電路復位電路電源電路對外接口電路圖 3.2 北斗通訊定位(dngwi)模塊硬件(yn jin)設計(shj)北

53、斗通訊定位模塊選取“GNSS定位芯片+RDSS通信模塊”的組合方式，能夠完成信息的接收、轉發以及信息收集終端的精準定位。該模塊由RDSS電路、復位電路、GNSS芯片電路、時鐘電路、存儲器電路、對外接口電路、電源電路以及程序升級電路組成，其硬件結構如圖 3.2 所示。 3.2.1 主要元件選擇 （1）處理器芯片 由于功能需要，本方案中的處理器芯片選取的是STC12C5A32S2型號的單片機。該型號單片機為單時鐘/機器周期（1T）的新一代8051單片機，具有低能耗、高速、抗干擾性強等特點。其指令代碼能夠兼容傳統8051單片機，但速度是傳統單片機的9到11倍。其內部包括了2路PWM、8路高速10位A

54、/D轉換、MAX810專用復位電路，能夠在強干擾環境下保持正常工作。STC12C5A32S2單片機共有4個16位定時器，包括兩個與傳統8051兼容的16位定時器/計數器T0和T1，和獨立波特率發生器做串行通訊的波特率發生器與2路PCA模塊實現的2個16位定時器。單片機具有2個通用全雙工異步串行口，可通過程序設置串口通信的波特率，支持通用的串行通信協議。單片機中包括了UART串口、中央處理器（CPU）、串口2、看門狗、程序存儲器（Flash）、定時/計數器、數據存儲器（存儲器）、SPI接口、I/O接口、PCA、A/D轉換器、晶體振蕩電路以及R/C振蕩器等信息收集和管理中需要的所有模塊。其工作溫度

55、為-40到+85，能夠在極端惡劣的環境下運行。（2）RDSS模塊 為了保證遠離海岸線的航標的信息能夠正常發送，本方案選取TYMD052型號RDSS模塊作為北斗通訊定位模塊的信息收發模塊。本模塊包括了北斗RDSS射頻前端的L波段功率放大器、S波段低噪聲放大器、L波段上變頻和S波段下變頻以及RDSS需要的時鐘和基帶處理部分，能夠支持RDSS（Radio Determination Satellite System）的基帶與射頻的設計。本模塊還能夠產生高穩定的頻率源并綜合產生50MHz時鐘以及所需頻點，具有操作方便、體積小、功耗低的特性。本模塊(m kui)選取(xunq)了收發射頻(sh pn)芯

56、片，它集成了接收發射頻率綜合器、發射通道以及接收通道，利用片機外的少量配件就能完成射頻信號的發射與接收。發射通道選取直接調制的構造，能夠直接解析TTL電平輸入信號，調制到其所需的載波頻率處，完成發射。接收通道選取兩次變頻的結構，先將射頻信號下變頻至第一中頻，再利用正交混頻器產生最后的正交中頻信號。模塊的儲存溫度為-45+85，工作溫度為-20+55，能夠連續工作兩萬多小時，能夠在海上的極端環境下完成工作。在亞太地區運行時，該模塊具有短信息通訊、定位以及授時等功能，定位誤差為100米，授時誤差小于100納秒，每次通訊最多能傳輸80字節BCD碼或大小的漢字，通訊和定位的成功率都在95%以上，并且支

57、持本地串口進行狀態設置。商用北斗SIM卡和手機SIM卡類似，也具有全球唯一編號，其編號由3字節的ASCII碼組成。目前，商用北斗的通訊時間間隔為60秒，軍用北斗的通訊時間間隔為1秒。（3）GNSS 芯片 為了盡量減小定位誤差，本方案選取UM220型號的GNSS（Global Navigation Satellite System）芯片作為系統的定位模塊。UM220是我國擁有完全自主知識產權的一款具備高性能的雙定位系統的芯片，可以同時在BD2 B1、GPS L1兩個頻點工作。UM220外形和GPS芯片基本一致，選取SMT焊盤，能夠完成全自動化集成回流焊接和標準取放，特別符合低功耗、低成本的要求。

58、其結構如圖3.3所示。2.85VSAWFilterLDORF前端TCXOFLASH基帶處理器數字中頻濾波SRAMCPUROMBD2/GPS接口RTCRF輸入RF輸入匹配UARTSP1ResetEventVCCUBATUM220圖3.3 UM220結構(jigu)框圖UM220芯片(xn pin)有3個支持(zhch)變更設置的串口，其默認波特率是9600bps，最高能夠設置到230400bps，輸入/輸出信號類型為3.3V的TTL電平。該芯片的測速誤差為0.1m/s，定位誤差為3m，導航信息為NMEA0183格式，能夠在-40+85的環境中維持正常運行。芯片還能利用串口輸出GSV、GSA、GG

59、A、RMC、GLL等8種定位數據，使用者能夠通過串口對模塊的工作狀態進行設置，完成定位數據的組合輸出。3.2.2 硬件電路的設計 （1）RDSS模塊工作電路圖3.4 RDSS模塊工作電路圖本電路(dinl)是由商用北斗(bi du)SIM卡和RDSS模塊構成(guchng)。RDSS模塊電源設置為5V，并與商用SIM卡的數據IO端口、復位和時鐘相連，但時鐘線不能太長。模塊的29和30引腳與CPU的P3.1和P3.0相連，并選取串行通信協議完成信息交互。電路原理如圖3.4所示。SIM卡電源為3.3V直流電，與通訊模塊組合運行。其中，C3、C4、C5全部是紋波電容，用來消除信號內的噪聲。SIM卡擁

60、有唯一的全球編號，與通訊模塊共用身份參數。RDSS模塊能夠為采用不同類型的SIM卡的用戶提供不同的服務頻度。例如，商用北斗SIM卡的服務頻度為1分鐘，而軍用北斗SIM卡的服務頻度為1秒。UM220工作電路圖3.5 北斗二代電路圖如圖3.5所示，UM220芯片的電源電壓為3.3V直流電，通過串口3（第39、40管腳）與CPU進行信息交互。模塊的第57管腳為VBAT端口，應與3.0V電池電源的正極連接。模塊的第49管腳為復位引腳，與MAX811芯片第2管腳連接，組成GNSS模塊的復位電路。假如模塊RST管腳的電平被降低大于5ms，則模塊能夠自動復位。芯片的第2管腳為天線信號的輸入端口，能夠提供+2