北斗二代卫星定位系统本科毕业论文.doc

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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

2、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

3、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

4、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

5、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（BeiDou Navigation Satellite System，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G

6、ALILEO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

7、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

8、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

9、.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

10、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。 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

11、，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

12、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

13、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。（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

14、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

15、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

16、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

17、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，组成航标工作指标的动态数据库。（4）系统工作记录。自动详细地汇总人员的操作记录以及系统内通讯系统的故障信息等工作情况，方便人员对其进行检索。（5）自动报警。在监控中，如果系统

18、发现航标发生位置变动、电池电压减弱、灯光状态异常或熄灭以及其他系统错误时，能够自动发出各类报警，并报告系统错误的类型，提醒工作人员采取相关解决措施，并通过短消息将系统的错误状态信息发到相应管理者的手机上。（6）设定工作指标。利用控制中心设定监测终端的开机时间、发送消息的间隔时间和频率等系统指标。（7）航标管理。记录航标的主要工作指标和保养日志，并参考航标的工作信息数据库，组成航标的详细信息数据库，统一对航标进行维护和监测。（8）遥控。工作人员能够根据实际情况需要，关闭航标的自动工作模式，以强制关闭或开启灯光。（9）权限及名单管理。根据工作人员的不同分工，设置人员各自的操作权限，变更人员名单，更

19、新人员的信息和密码，确保系统的可靠。（10）显示航标的坐标和轨迹。利用电子海图显示主要航标的位置分布，使用航标对应的图形将航标的偏移路线及坐标点的具体参数显示出来，并不间断更新，辅助工作人员预测航标的移动方向，更准确地作出相关决策。2.3 系统定位方案的设计作为助航设施，航标利用其地理位置信息来实现指示航路点、航道、礁石、浅水区、禁航区和沉船等区域的功能。为了保证船舶的正常航行，应确保航标的坐标信息准确。监测航标的地理位置，是航标监测系统一个重要的功能，随着无线电定位水平的日渐提高，对航标地理位置的监测也愈发精确。由于无线电定位技术测量便捷，而且各种天气现象对无线电定位技术的影响甚微，加上新的

20、无线电定位技术不断更新和准确度的不断提高，使其在现有的导航和定位系统之中得到了广泛应用。在目前的应用中，常见的定位方式包括：蜂窝网无线电定位、陆基无线电导航和卫星导航系统。2.3.1 移动通讯网络定位系统移动通讯科技的不断更新，使得手机定位精度不断提高，也得到了大量手机用户的实际应用。在手机蜂窝网内，用户能够利用自身手机确定自己所处的地理未知，并搜索周边的相关资料。目前，国内的主要移动运营商都已提供了各自的手机定位服务。中国移动利用GSM网络提供的定位业务（LBS），是通过其网络内基站的地理坐标，来获取手机用户的地理坐标，再依据用户提交的请求提供对应的定位相关业务。其定位的准确度与基站分布的疏

21、密程度有关，在国内重要的城市市区内，其准确度可缩小到100m，而在一些小规模城市的市区，定位准确度能达到200m，而在郊县的准确度更能达到500m以上。不过，中国移动还能提供STK与GPS结合的定位服务，准确度能缩小到不到10m，并且能覆盖到很多GPS等卫星系统无法提供服务的位置。中国联通的定位之星服务，则利用其CDMA网络的gpsOne定位方式，实现高准确度的定位。利用定位之星方式，定位准确度可缩小到50m，而且具有受环境影响小、耗时短、可实现国内漫游的特点。人们使用蜂窝网无线电定位，利用自己手机就可以实现地理定位，而不需其他额外的装置，是一种非常便捷的选择。然而，由于现在移动的LBS的定位

22、准确度在大部分情况下不够理想，联通的gpsOne开通的地区相对较少，而且人们利用手机进行定位时还要先向通讯管理中心发送请求，才可以获取到地理位置参数，属于被动定位，再加上定期还要给运营商缴纳服务费用，因此蜂窝网无线电定位系统并不完全适合成为航标监测系统的定位方式。2.3.2 地面无线电定位系统基于陆地的无线电导航系统，往往主要针对快速移动的用户，比如飞机或汽车的导航与定位，并可测量用户的坐标、运动方向、速度大小等参数。常见的基于陆地的无线电导航系统包括：罗兰C和奥米加系统。罗兰C系统由3个陆地导航基站组成，工作频率为10万赫兹，工作范围可以达到2000公里。其定位准确度多数可达到200到300

23、米，但是用户距离陆地基站越远，其准确度越差，而且不支持在城市中使用。奥米加系统只需要建立八个陆地基站就能够实现全球定位，但是它的导航准确度很低，误差往往可以达数千米。综上，由于基于陆地的无线电导航系统的工作区域较小，其信号传播受天气影响较大，定位准确度较差，并且需要使用专门的装置进行接受，成本较高，也不适合成为航标监测系统的定位方式。2.3.3 卫星定位系统（1）GPS卫星定位系统GPS是通过定位卫星，能够在全世界实现定位、导航功能的系统，由美国国防部研发制成，具有全方位、全天候、全时段、高精度的特点，可以为全球用户提供低成本、高精度的三维定位、测速和精确对时等服务。GPS系统由三大部分组成：

24、GPS信号接收机：负责接收卫星发送的信号，从而获取的导航与定位信息，再经过解析，完成导航与定位工作。接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。地面控制系统：包括注入站、主控站和监测站，主要负责汇总卫星传送回地面的各类信息，并完成相对距离、大气校正和卫星星历等数据的结算。空间部分：包括21颗工作卫星，3颗备用卫星。GPS系统使用码分多址技术CDMA，依据调制码来分辨卫星，载波频率相同，均为L1波段1575.42MHz和L2波段1227.6MHz。GPS卫星系统采用二进制码组成的伪码来完成导航电文的发射，其伪码一共有两种，包括开放民用的C/A码和军用的P码。由于考虑到自身的国防军事部署，美国开放民用的

25、C/A码定位精度是100米，而军用的P码定位精度则可降低到10米以内。由于GPS对民用开放的C/A码定位精确度不高，对于港内的很多狭窄航道而言，具有一定的潜在风险，因此，港口航标监测系统如果选取GPS系统将出现较大的定位误差。（2）北斗卫星定位系统北斗是我国自主研发的，拥有独立知识产权的定位系统。它只需要借助两个地球同步卫星的已知位置和待测站的大地高程就开完成定位，与美国的GPS或俄罗斯的GLONASS相比，北斗成本较低：利用率高达100%；卫星测轨精度对于导航定位精度没有显著影响，而且即便是国内经济不发达地区也可以对其进行开发和利用。北斗具有和GPS系统类似的模式和结构，即包括北斗用户接收机

26、、地面控制系统以及空间部分三大部分。北斗与美国的GPS系统的显著不同是卫星星座的空间分布，它所采用的伪随机噪声码序列和捕获方式、载波频率和码频率、导航电文的调制及编码、用户的定位解算也不同。北斗卫星导航定位系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时的定位服务，其定位精度优于20米，定位可在一秒内完成。并且北斗用户终端具有双向数字报文通信功能，用户一次可以传送120个汉字的信息。且该系统能够完成单向和双向两种授时任务，能够提供loons单向授时和20ns双向授时的时间精度。国际上对导航的策略观点综合起来有三个方面：一是尽可能采用星基导航系统取代陆基导航系统，以达到最大的效益成本比；二是不

27、能依靠由他国军方控制的卫星系统来实现本国的导航；三是要稳妥切实。北斗卫星导航定位系统用户终端与控制中心具有双向通讯功能，无需其他通讯系统支持，可以完成港口的航标远程监控，而GPS系统本身不具备通信能力，需要和其他通讯系统结合才能实现全长江段的远程定位与监控功能。所以，综合以上分析，采用北斗卫星系统完成对航标的坐标等信息的监测，无论是对提升定位精度还是对提升我国国防水平，都有着较为深远的意义。2.4 系统通讯方案的设计随着航运业的日益繁荣，国内港口也向着大型化、深水化、多功能化的方向不断发展，港口航道的拓宽和开发也使航标的分布位置也变得越发分散。这导致了港口航标监测系统需要满足通讯距离远、覆盖范

28、围大的要求，而常见的有线通信模式难以实现这一要求，因此只能采取无线通讯。当前，无线通讯的技术已经很成熟，各类通信设施不断发展，也不断深入人们的生活，这也为港口航标监测系统提供了很大的选择空间。在能够实现远程监测的基础上，可供选择的解决方案包括三种：现有移动通讯网络、自建无线网络、和北斗二代系统自带的无线通讯功能。2.4.1 现有移动通讯网络使用现有的移动通讯网络，只需要在航标终端安装移动装置，而不需投入太多成本去建设无线网络和基站，也不需要对无线网络进行维护。航标在配备移动装置后，只需向相关运营商开通短信息业务，并定期支付该项目业务费用，通过使用该业务来完成自身的通讯任务。目前，移动通讯网络在

29、我国各地发展迅猛，移动通讯的普及率也不断刷新新高，其稳定性、安全性水平也不断得到提升。截至2014年，移动通讯网络在我国的普及率已达到97%以上，在东部的港口城市几乎可以达到100%，无线网络的接通率为99.72%，文字短消息接通率为96.37%，已经能够完成各类不同形式的通讯系统要求。与此同时，各大运营商还进一步推广文字短消息、语音以及数据传输等无线网络服务，各类服务的价格也不断降低，使人们能够根据自身的不同需求选择合适的服务项目，也使系统管理和维护的成本不断减少。目前在国内市场上有三大常见的无线通讯网：GPRS，CDMA以及GSM，这三种无线通讯网络都拥有很高的普及率，除了提供语音通话的服

30、务之外，以上三种网络还均提供文字短消息传送等数据通讯服务，不需要成立专门的传输通道，仅利用网络内的短消息服务中心就可以完成中继、存储和转发文字信息等功能，可以完成双向数据传输的任务。应该承认，移动通讯网络为航标监测系统提供了一种经济而快捷的通信模式。国内的很多港口在建或者已经建成的航标监测系统，就选择了现有的通信网络（例如GSM）为系统提供通讯支持。2.4.2 自建无线网络自建的无线通讯网络，多数是选取VHF无线电台作为通信方式，需要配备陆地基站，并且需要在用户端配备无线电台。然而，由于VHF信号的最大发送范围有限，而且容易受到周围环境的干扰，发射距离太远的话，还需配备中继站。在无线通讯网络建

31、成后，要向所在地的无线电委员会申请固定频率方能使用。虽然，使用自建的无线通讯网络，用户对通讯信道具有完整支配权以及自主处理权，不需向任何部门缴纳租用费用，因而系统的运行较为自由便捷而且可靠性较高，但自建的无线网络，除需配备用户端的电台外，还需要建无线基站，建设成本很高，而且未来的运营成本也不菲。而对航标监测系统而言，由于航标分布较分散，自建无线网络势必要配备许多基站，这会使系统成本大幅度增加，未来的保养维修工作量也相应增大，性价比较差。2.4.3 北斗二代的通讯功能北斗一代系统中就具有的短消息通讯功能，是包括美国GPS在内的其他主流卫星导航系统都无法实现的特殊功能，也使北斗世界上第一个既能够定

32、位、授时又能够进行短消息通讯的卫星定位系统，北斗二代卫星系统也保留了这一功能。北斗二代系统的短消息通讯能够完成用户机与用户机、用户机与地面控制中心间双向数据报文通讯，普通的用户机一次能发送36个汉字，而经申请批准后一次能够发送120个汉字或240个代码。该功能不只能进行点对点双向通讯，其提供的指挥机还能够完成一对多的数据发送，为各类服务都提供了很大便利。指挥机在获取北斗用户机发送的短消息后，通过串口和服务器相连，使用以JAVA等编程语言编写的通讯程序对数据进行解析，再利用短信网关将其转发到其他手机，使用通讯程序还能够实现其他手机往北斗用户机传送短信。北斗的短消息通讯与其它的卫星通讯相比，具备如

33、下特点：（1） 通讯字数和通讯频率的分级。按照北斗用户的级别，其用户卡的短消息通讯分成两个级别：非审核用户的通讯字数上限是每次36个汉字；经审核批准后的用户卡发送短信的时间频率是1分钟一次。（2） 北斗系统没有通讯盲区。由于北斗的通讯过程是通过向北斗卫星发射申请信号，进而完成后续通讯任务，所以在北斗卫星覆盖范围内，几乎没有通讯盲区。（3） 支持两类数据通讯编码。用户能够按照自身需求，选择北斗短消息通讯的两类数据编码，一类是国际上较为通用的BCD码方式，另一类是很多汉字通讯使用的ASCII码的方式。综合考虑以上因素，选择北斗自带的通讯功能作为本系统的通讯方案具有较明显的可靠性和适用性。2.5 系

34、统的总体结构设计地面监测中心自检模块GSM模块GPS模块航标终端GPS卫星状态信息定位信息目前国内大部分港口的航标监测系统多数使用的是GPS+GSM系统，其基本结构图如下：图2.1 基于GPS+GSM的航标监测系统构造图如图所示，航标内安装有GSM模块、GPS模块以及航标自检模块。航标的GPS模块从卫星获取到地理位置参数后，连同航标自检模块获取的航标运行状态参数一起，利用GSM模块以文字短信形式传送给地面监测中心，从而使监测中心完成对航标的实时监测。然而，由于在以上系统中使用的GPS系统的通讯模式是单方向的，因此还需要通过GSM模块的双向通讯功能来完成信息的发送与接收。这种系统虽然结构并不复杂

35、，但考虑到港口航标分布的区域较为广泛，而且进出港航道的水文情况也较为复杂，个别港区尚未实现GSM信号的完全覆盖，所以在这类信号盲区内的航标的运行状态就无法得到监测。针对以上基于GPS的航标监测系统的不足，并结合我国研发建设的北斗系统支持双向通信的特点，本文设计了一套基于北斗二代的航标无线监测系统，以完成对港区所有航标的实时监测的任务。信息处理中心航标信息收集终端航运公司海事主管机关卫星管理中心船舶互联网北斗卫星服务器端 互联网图 2.2 航标监测系统框架图如图所示，作为一个综合性功能平台，基于北斗二代系统的航标监测系统的功能包括了信息收集、信息管理、双向通讯和互联网开发等，其结构包括信息收集终

36、端、信息处理中心、双向通讯链路和用户终端。信息收集终端的功能是收集港区及周边水域的天气及海况信息，如气温、水温、大气湿度、大气能见度、流速、流向、风力和风速等，并把天气及海况信息连同终端的地理坐标参数、终端运行状态信息传送到信息处理中心。信息处理中心相当于航标监测系统的管理中心，同时给用户终端和信息收集终端提供服务，它主要完成以下四项功能：（1） 获取信息收集终端传送的数据包，对数据包进行解析，分辨出不同功能的信息内容再分类存储；（2） 收集大量天气和海况信息，并依此组建数据评估和预测模型，对港口及周边水域的天气和海况进行预报；（3） 按照不同用户的要求以及相应的权限，向海事主管机关、航运相关

37、企事业单位等用户发布天气和海况信息和航标运行信息。（4）收取用户终端传送的航标状态变更命令，并转发到对应的信息收集终端。双向通讯链路是信息处理中心与信息收集终端之间的信息传送渠道，它依靠北斗二代定位系统组成，与其他通讯方式需要建设陆地基站相比，其通讯模式具有明显的便捷性。用户终端是系统和用户进行互联的端口，通过该端口可实现航标状态监测、海事监管以及天气和海况信息发布等功能。信息收集终端、用户终端与服务器端相互协调工作，确保系统安全稳定运营。2.5.1 信息收集终端设计天气海况信息采集模块北斗定位通讯模块电源模块航标参数采集与配置模块浮标航标灯图 2.3 信息收集终端设计方案信息收集终端由天气和

38、海况采集模块、浮标、航标参数信息采集与配置模块、北斗定位通讯模块组成，其核心为北斗定位通讯模块和航标参数采集与配置模块组成的功能板。信息收集终端的设计方案如图 2.2 所示。（1）天气海况信息采集模块天气海况信息采集模块由水文状态采集装置、天气状态采集装置和信息收集中心构成，用于收集港口及周边水域的天气和海况信息，并对信息进行整流转换。天气和海况信息采集模块能够对气温、水温、水深、风向、风速、大气湿度、气象能见度、流向、流速等多个参赛进行收集与分析。（2）北斗定位通讯模块迄今为止，国际上都还没有出现能够同时拥有精准定位功能与通讯功能的装置，因此北斗定位通讯模块使用了“RDS通讯模块+GNSS定

39、位芯片”的模式。RDSS（Radio Determination Satellite System）的信息收发模块可以进行卫星定位与短消息通讯，每次能够发送120个汉字或420个BCD码，用户还能够利用本地接口对模块进行设置。但是由于该模块是“有源定位”，定位误差能达到100米，因此不能完全满足系统的精确定位要求。而GNSS（Global Navigation Satellite System）芯片的体积较小，虽然无法进行短消息通讯，但由于其定位原理是“无源定位”，所以定位误差可以降低到3米，能够弥补RDSS 模块定位误差较大的缺陷。北斗定位通讯模块主要具有以下三项功能：获得航标的精准地理位置

40、，并传送坐标到信息处理中心；将天气和海况信息、航标的状态参数汇总设置成特殊格式的数据包，并将数据包传送到信息处理中心；收取信息处理中心传送的设置命令信息，并将设置命令转发到航标参数采集与配置模块。（3）电源模块电源模块主要包括了电源转换电路与太阳能供电装置两大部分。太阳能供电装置包括蓄电池、电池控制器和太阳能光伏电池组。其核心为控制器和光伏电池组。电池控制器能够对太阳能供电装置的工作过程进行控制；光伏电池主要负责将光能转换为电能，它由两块60W的太阳能电池板和两块30W的太阳能电池构成；蓄电池负责储藏光伏电池传送来的电能；电源转换电路负责为航标各个模块供电，确保航标安全稳定工作。航标参数采集与

41、配置模块和北斗定位通讯模块的CPU芯片以及北斗RDSS模块全都只支持5伏直流电压，北斗GNSS芯片和整流转换芯片电压分别为3.3伏、3伏直流，因此需要靠稳压装置以及相关的电源开关转换芯片对电压进行适当转换，从而获取合适的输出电压。（4）航标参数采集与配置模块该模块的电路主要由驱动控制电路、参数采集电路、航标灯电路和监控CPU等构成。参数采集电路负责收集航标灯的电压状态、电流大小和灯器的工作状态等状态，再把模拟信号整流为数字信息，最终把信息传送给监控CPU。监控CPU对参数采集电路收集的状态参数进行编码，并传送到北斗定位通讯模块。同时，它还负责接收北斗定位通讯模块发来的设置指令，并采取相应指令动

42、作，完成对灯光的闪光频率、报警参数等信息的变更。（5）浮标浮标是信息收集终端的基础，是监测遥控模块和天气和海况采集装置的载体。考虑到系统的硬件配置需求，浮标需具备安装便捷、防碰撞、灵活、无磁、防腐、支持大面积安装的特性。2.5.2 双向通讯链路设计双向通讯链路是地面的信息处理中心和信息收集终端之间的信息传输路径。以北斗二代的通讯功能为基础建立航标监测系统的双向通讯链路，北斗系统不需要在地面建立通讯基站，通讯方式简捷，即使在远离陆地地区也能实现信息处理中心和信息收集终端之间的一对多和多对一的双向通讯。信息收集终端（航标）卫星管理中心信息处理中心卫星通讯互联网图 2.4 双向通讯链路示意图如图2.

43、5，双向通讯链路由卫星、互联网两个传输媒介和信息收集终端、卫星管理中心和信息处理中心三部分构成。卫星管理中心是信息收集终端与信息存储中心的信息中转站，具有以下两个特点：接收和缓存信息收集终端发来的固定格式信息包，并向信息处理中心推送信息包；接收信息处理中心发送的信息，并推送到信息收集终端或其他接收终端。2.5.2 信息处理中心设计信息处理中心主要由信息处理中心软件、互联网通迅平台、机房设备和服务器组等构成，能够完成信息接收、信息预处理、信息解析、信息储存和信息转发等任务。(1) 信息处理中心软件设计信息处理中心管理软件外部端口业务员逻辑模块多源融合信息储存仓库北斗二代通讯模块海况信息分析天气信

44、息分析航标信息管理信息发送信息接收信息分析图 2.5 信息处理中心管理软件框架图软件的结构设计如图2.4。信息处理中心软件主要有以下四部分：外部端口、业务逻辑模块、信息储存仓库和北斗二代通讯模块，其中业务逻辑模块是本软件的核心。北斗二代通讯模块是依照北斗导航民用分理级服务平台和外接系统之间数据传输协议（V1.2），基于面向多线程以及用户编程思想的设计方式。通讯模块包括信息发送模块、信息解析模块与信息接收模块，能够完成北斗二代卫星管理中心与信息处理中心之间的实时信息互联。多元融合信息储存仓库是一个包括了航标状态信息以及港口周边水域天气和海况信息的资料库。该信息库将信息获取、分拣、净化和汇总等多种

45、功能汇集于一身，并支持存储记录空间位置，具备稳定、实时、高度集成等很多优点。获取信息方式主要以信息收集技术为主，并用表单的方式进行存储和管理。多元融合信息仓库不只能够记录和存储实时的天气和海况信息，还能保存已处理信息和历史记录。航标信息管理单元主要具备以下两个功能：给各港区的监测系统提供航标状态参数转发功能与通讯端口，完成对航标状态参数的监测。获取各港区监测系统发来的控制信息，再根据设定格式对信息重新组装，最后将组装好的信息打包并将其依次传送至北斗通讯模块。（2）信息处理中心通讯平台设计信息处理中心通讯平台是由服务器、防火墙、部分路由器和交换器依照特殊设计的网络拓扑结构构造而成。通讯平台的主要

46、功能包括：为KVM远程管理系统提供接口，进行远程管理；为各港口的监测系统中的监测站提供网络通讯接口，确保各分监测中能够获取准确、实时的数据；在服务器上运行的管理软件可以利用互联网从卫星的运营服务中心采集到汇总的数据。2.5.4 用户终端设计海事监测与信息发布平台天气与海况信息监测子系统天气与海况信息预测子系统海事信息发布子系统航标工作管理子系统水流数据监测海水温度监测气温监测大气湿度监测能见度监测潮汐预测水温预测气温预测能见度预测海况信息发布天气信息发布海上天气预报航标位置信息航标参数显示航标位置显示航标状态设置航标预警处理图 2.6 海事监控与信息发布平台用户终端是各用户与航标监测系统进行交

47、互的接口，由天气和海况监测子系统，天气和海况预测子系统、航标工作管理子系统和海事信息发布子系统组成海事监测与信息发布平台。平台的整体结构如图2.6，海事监测及信息发布平台是基于模块化思想设计，每个子系统独立运行，为各自的用户提供服务。天气和海况监测子系统为海事监管部门提供航标周边水域的水深、水温、气温、湿度、能见度等水温气象信息的实时监测服务。天气和海况预测子系统为用户提供流信息、能见度等天气和海况信息的预测服务，预测周期为周和月。航标工作管理子系统为海事监管部门提供各海域航标的位置信息、电气参数信息和航标参数的配置服务。这三个子系统全部为海事监管部门提供服务。海事信息发布子系统为渔船、海事企业等普通用户提供实时的天气和海况实时信息、天气海况的预测信息和航道附近的航标坐标信息等。2.6 本章小结本章首先对航标的功能和传统视觉航标的管理模式进行了简要介绍，在分析了智能化航标监测系统的功能需求后，分别对系统的定位方案以及通讯方案进行了分析和选择，并依次对信息收集终端、信息处理中心、双向通讯链路和用户终端等系统结构模块的设计进行了介绍。第3章 基于北斗的航标监测系统软硬件设计3.1 天气和海况信息采集模块 北斗通