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船舶监控系统数据通信技术开发研究

 论文栏目:数据通信论文     更新时间:2018/4/18 15:59:55   

摘要:不论是在内河航运还是海上货物运输,为了保障水路交通运输的效率和安全性,都必须要加强船舶的实时监控。北斗卫星通信与导航系统是我国独立研发的一种有源三维卫星定位系统,可以为用户提供高精度定位、实时通信等功能。本文的研究对象是船舶监控系统,系统介绍了北斗卫星导航系统的组成和工作原理,并在此基础上研发了监控系统的数据通信技术。试验表明,基于北斗卫星的船舶监控系统具有覆盖范围广、船舶定位精度高、时效性强等优点。

关键词:北斗卫星;监控系统;定位;通信;导航

引言

我国水上运输行业迅猛发展,内河和海上船舶的交通流量迅速增加,航线密集程度也进一步加大。基于此,水上交通事故频繁发生,对国民经济和人民生命安全带来了严重威胁。为了促进我国内河航运和海上航运的效率,保障水上交通的安全性,必须要建立和健全我国的船舶监控系统[1]。船舶监控系统是利用多种水上设施,结合雷达、卫星和互联网通信等,对航线上船舶的航行速度、航线状态进行监控的一种综合系统。船舶监控系统通常与GPS全球定位系统、船舶自动识别系统AIS和电子海图系统相结合,对船舶进行精确的监控。本文的研究对象为船舶监控系统,本文结合了北斗卫星导航系统,设计了船舶实时监控系统,并对监控系统的数据通信技术进行详细研究。

1北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统是我国自行研发的一种全球卫星导航系统,可以全天候实时的为用户提供高精度和高可靠性定位、导航等服务,同时具有良好的短报文通信能力[2]。北斗卫星导航系统由地面段、空间段和用户3部分组成,其工作原理如图1所示。北斗卫星导航系统具有以下几个优势:1)快速定位能力北斗卫星导航系统采用主从请求响应模式提供定位功能,用户在使用北斗导航卫星时首先在用户机发出请求,然后地面控制中心接收用户请求后进行计算,将准确的位置信息通过卫星发送至客户端。2)双向短报文通信能力北斗卫星导航系统具有良好的短报文通信能力,用户与地面控制中心之间可以快速的通过短报文进行数据交换。3)并行处理能力并行处理能力是指北斗卫星导航系统可同时对多个用户的请求进行处理,支持多用户并发运行。

2基于北斗卫星的船舶监控系统数据通信技术开发

2.1监控系统的总体结构

本文基于北斗卫星导航系统设计了船舶监控系统,该系统的整体设计框架如图2所示。如图2,基于北斗卫星的船舶监控系统由监控终端、地面用户、船载终端、数据终端、卫星监控地面中心、北斗卫星、GPS卫星和通信服务器等组成。1)船载终端船舶监控系统的船载终端安装于船舶上,可以进行实时数据的接收和发送,常见的数据类型包括位置信息、航行状态信息等。船载终端的功能可分为以下几种:①通信功能:船载终端内部集成了PC机,可进行报文的编辑与传输。同时,船载终端的存储器可以存储一定量的报文,以供后期查询与检索。②定位功能:定位功能是船载终端的重要功能,采用北斗卫星定位,定位信息的刷新频度为1s/次,船载终端的定位信息包括时间、速度、维度、经度等。③警报功能:当船舶行驶遇到事故或者极端天气时,可利用船载终端进行报警。2)数据基站监控系统的数据基站主要是指数据库服务器,包括GIS服务器、web服务器等。数据基站存储和管理大量的船舶信息,包括船舶实时数据表、船舶历史发送短信表等。3)通信服务器通信服务器是连接北斗卫星导航系统的特定数据网关,在客户和服务器之间形成一条通信链路[3]。

2.2数据通信技术开发

数据通信技术是船舶监控系统的重要环节,通信链路的数据传输效率直接决定了监控系统的工作性能。本文在设计船舶监控系统时,采用了了北斗卫星导航系统的通信卫星作为信号中继站,实现了全天候、大容量的数据传输。基于北斗卫星的船舶监控系统通信单元的结构组成如图3所示。如图3,基于北斗卫星的船舶监控系统通信单元由通信卫星、集中器、船载终端、交换机、服务器和信息化接收器等组成,该通信单元除了具有通信功能外,还具有下述功能:1)数据传输功能基于北斗卫星的船舶监控系统通信单元的数据传输能力强,可以根据实际数据传输需求进行扩频通信、调制与解调,最大程度的利用卫星线路频段。基于通信卫星的强大数据传输能力,船舶可以迅速、快捷的与其他船舶和岸基控制中心进行数据传输。2)电子海图功能将电子海图功能集成于监控系统的船载终端上,使船舶导航功能进一步提高。利用北斗卫星的良好定位功能,船载终端可以获取不同海域的详细航道信息与地理信息[5]。3)远程监控功能利用在线式监控设备,工作人员可以对船舶进行实时监控,并将监控数据传输到岸基管理中心。4)互联网功能2.3数据传输协议设计本文设计的船舶监控系统采用TCP/IP协议进行数据传输[6],该协议的原理如图4所示。如图4,TCP/IP数据传输协议的组织架构由SourcePort(源端口)、DestinationPort(目的地端口)、SequenceNumber(序号)、AcknowledgmentNumber(确认号)和HeaderLength(报头长度)等组成。1)SourcePort(源端口)源端口是识别和发送数据报文的端口,套接字则是是主机额IP地址和端口的组合。2)DestinationPort(目的地端口)目的地端口具有识别数据报文需要发送的目标端口地址功能[7]。3)SequenceNumber(序号)序号字段主要功能是识别数据中的字节顺序,通常,TCP第1次发送报文时,报文的初始序号是1个字节的偏移量。4)AcknowledgmentNumber(确认号)确认号表征接收者期望收到的下一个字节,每收到一个报文,确认序号要加1。5)HeaderLength(报头长度)通常,TCP报头的长度是32位字长度,报头长度的4倍是TCP数据的字节偏移量。

3结语

船舶监控系统对于改善水上交通,维护我国海域安全、海上事故救援等有重要的作用,研究一种高性能的船舶监控系统具有深远的意义。本文首先介绍了北斗卫星导航系统的工作原理,在此基础上设计了一种基于北斗卫星的船舶监控系统,并重点对船舶监控系统的数据通信单元进行了研究。本研究表明,基于TCP/IP数据传输协议的船舶监控系统具有良好通信能力,可以基本满足日常船舶监控的需求。

作者:赵云峰 武壮 戴永成 单位:北华航天工业学院 电子与控制工程学院 河北省航天遥感信息处理与应用协同创新中心

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