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基于BD/GPS通信原理的便携式北斗 航标检测仪的设计与研制

2019-12-20 09:42:20 《航海》 2019年6期

陈国伟 岳添韵 任虹 秦宇

摘  要:随着北斗海事应用深入,北斗航标终端在航标管理部门得到推广。但是,目前航标管理人员没有专门的北斗航标终端检测仪器,无法对北斗航标终端性能和运行状态进行现场检测。尤其在现场航标人员完成终端安装后,须通过其他通信方式和北斗航标管理中心确认数据通信是正常的,一旦通信受限而无法进行确认,北斗航标安装的可靠性就无法保证,可能会导致北斗航标后续反复安装,造成船舶、人力等成本浪费和时间的消耗。为了有效解决北斗航标质量、安装调试和巡检维护等全过程检测,提出研制一款基于BD/GPS通信原理的便携式北斗航标检测仪。

关键词:北斗航标;便携式;检测仪;BD/GPS

0 引 言

航标是保障船舶安全、经济、便利航行的重要设施,对发展水上交通运输、海洋资源开发、渔业捕捞、国防建设和维护国家主权均起着重要的作用。为了方便航标的管理,在传统的航标上增加了遥测遥控功能,特别是北斗短报文进行数据通信的遥测遥控的采用,大大提高了航标的管理范围,使原来的近海航标管理,扩展到远海航标管理。由于北斗航标采用卫星进行数据通信,具有通信距离远,通信受电磁干扰小的特点,弥补了现有航标遥测系统公用网络信号覆盖不均衡的不足,因此在北斗海事应用深化的背景下,近年北斗航标终端在我国沿海航标管理中得到快速推广,其中东海航海保障中心目前北斗航标遥测终端的安装数量接近1 600座。

随着北斗航标终端的推广使用,在设备管理和运维过程中也發现了一些问题,其中最迫切需要解决的是北斗终端性能和运行状态检测的问题。目前,航标用户在获得北斗航标终端后,没有专门的测试仪器来检测北斗航标的质量和工作状态,对有故障的北斗航标不能及时地排除,导致北斗航标后续反复安装,造成了极大的成本和时间的消耗。特别是现场航标人员在安装完成后,还需要打电话和北斗航标管理中心确认是否数据通信正常,如果因现场公网信号不足无法和北斗航标中心进行确认,北斗航标安装的可靠性就无法得到保证,就存在通信失败的风险。另外,北斗航标的后期巡检和维修也存在同样的问题,因此为了有效解决北斗航标出入库的质量检测、现场安装调试前后的检测、后期的巡检和维护检测,迫切需要研制一款便携式北斗航标检测仪。

1   研制目标

依据信息化、数字化、立体化、现代化海事管理建设理念,研发建设具有集成度较高、能耗低、实时性好、轻便携带以及数据采集、回传效率高的便携式北斗航标检测仪系统,以实现对海上航标运行状况进行有效实时的监测,进而保障船舶安全、海上经济发展以及便利航行。

设计的便携式北斗航标检测仪研制的主要目标如下:

(1)检测北斗航标本身定位信息是否准确

便携式北斗航标检测仪可以接收到北斗航标上传的自身坐标信息,检测仪器将上传的坐标信息和参考坐标信息进行比较来确认航标设备定位是否准确。参考坐标信息有2种来源,一种是通过人为的设置经纬度坐标点,另一种是通过检测仪器自身带的定位信息作为参考。

(2)检测北斗航标本身电压电流采集是否正常

北斗航标检测仪可以接收到北斗航标上传的自身工作参数,例如工作电压和工作电流。检测仪将反馈回来的电压、电流显示在人机交互界面上,提供给安装人员进行现场判断。

(3)检测北斗航标北斗短报文通信状态和参数是否正常

北斗航标检测仪可以接收北斗航标上传的北斗短报文的工作状态,这里面包括报文的发送目标地址是否正确,发送的信号质量是否可靠。

(4)北斗航标检测仪设备体积小巧、操作使用方便

北斗航标检测仪是一个辅助检测设备,考虑到航标管理现场环境局限性,研制的目标是设备尽量的体积小,重量轻,界面简单,方便使用。

2 技术路线

根据研制目标和应用场景,便携式北斗航标检测仪主要用于安装前设备性能检测和现场设备工作状态检测,用户可根据检测现场的通信环境选择北斗短报文或网络访问(3G/4G/局域网)来检测北斗航标终端,如图1所示。检测查询系统包含便携式北斗航标检测仪、航标终端设备、通信中继设备(卫星、4G基站等)以及后台管理服务器。

(1)北斗航标终端数据上传

目前,北斗航标终端设备的工作机制主要是通过所携带传感器采集自身的工作参数(比如工作电压、工作电流、设备本身的位置信息等),以北斗短报文的方式通过北斗卫星、卫星地面站或指挥机将这些参数上传给岸上航标数据管理中心。

(2)便携式北斗航标检测仪查询(2种方式:北斗短报文和3G/4G)

①北斗短报文方式查询:根据北斗航标终端设备的工作机制,便携式北斗航标检测仪主要是采用数字处理芯片来控制北斗短报文模块,以北斗短报文形式通过自检、目标查询申请等指令,通过软件管理后台从航标管理中心后台服务器得到相关航标状态参数查询信息,从而达到检测北斗航标终端数据正常与否的目的。

②3G/4G/局域网方式查询:在岸基或3G/4G信号良好情况下,用户可采用3G/4G通信模块或WIFI局域网,通过制定专用的北斗航标检测查询指令,通过软件直接访问航标管理中心后台服务器得到相关航标状态参数,用于检测北斗航标设备功能是否正常。

3 设备研制

(1)研制内容

便携式北斗航标检测仪研制内容分为便携式北斗航标检测仪的硬件开发与软件开发,以及航标数据中心的后台管理软件的开发工作。其中,硬件开发包括北斗短报文收发模块、电源管理模块、北斗/GPS通信模块、通信管理单元以及串口WIFI透传模块等开发内容,软件开发则包含终端软件开发与后台软件开发,终端软件开发主要为便携式北斗航标检测仪提供良好的人机交互操作界面,而后台软件开发则主要是提供Web服务、数据库服务、数据应用服务以给操作用户提供相应的数据接口、存储、查询、转发及应用等服务。

(2)系统组成

便携式北斗航标检测仪主要由主机和显示终端两部分组成,主机和显示终端之间通过无线WIFI进行数据交互,下图2所示。①为便携式北斗航标检测仪主机,②为便携式北斗航标检测仪显示终端(手机或pad)。

(3)系统工作原理

如图3所示,内置大容量可充电式锂电池组为系统及各模块提供标准12 V电源,MCU通过串口分别与北斗短报文模块、北斗/GPS定位模块进行收发数据,针对不同的指令或信息内容进行打包或解包,再通过系统内部作为SERVER模式、具有透传功能的WIFI模块的不同端口与显示终端进行无线数据通信,在显示终端的人机界面上操作APP相应功能区域,即可进行设置、发送相关查询指令或阅览相关查询信息等操作。

(4)系统软件

便携式北斗航标检测仪软件,如图4所示,包括终端APP软件和后台软件,其中终端APP软件安装于显示终端(手机或PAD),具有北斗航标检测、系统配置、模式切换、综合显示等功能,通过操作App界面相应功能区及设置相关IP及端口配置,即可实现相應的功能显示及查询,见图5。

后台软件为用户提供一套管理后台应用、服务、参数配置、数据查询的人机交互界面。可接收到的北斗报文、便携式终端请求响应状态、设备通讯状态及便携式终端在线列表进行查询,通过对上述数据的查看可以及时了解目前系统的工作状态,便于在问题出现时进行排查、解决。后台服务主要由Web服务、数据库服务、数据应用服务等三大部分组成,见图6。

4   设备特性

(1)本检测设备高度集成,采用内置电池,功耗小,便于户外携带作业

便携式北斗航标检测仪主机集成了定位、通讯、控制处理等模块,并内置电池来给设备进行供电,体积小、容量大(可持续供电24 h)、安全可靠,可解决海上供电困难的问题。北斗航标检测仪主机底座有磁性可吸附在船舶甲板上,以保证卫星信号接收良好,本设备外配显示设备,用户可通过无线方式和主机进行数据交换来提供操作使用。

(2)设备采用双串口&WiFi透传通讯模块设计

便携式北斗航标检测仪系统采用双串口&WIFI透传模块设计,其中串口0和串口1通道分别工作在TCP Server与UDP Server模式下,依次链接北斗短报文模块、北斗/GPS授时定位模块,两通道间数据收发相互独立、互不干扰。在AP模式下,通过在显示终端设置各通道模式下的服务器地址、对应端口号以及设定通道数据波特率,就可方便地在便携式北斗航标检测仪主机与显示操作终端建立起可用的WIFI 链接,WiFi理论无遮挡覆盖范围为200 m。

(3)系统开发了APP终端软件,根据现场信号情况智能判断检测模式,操作便捷可靠

为了便于用户操作使用,系统开发了用于卫星信号和工作数据监测的APP软件,并根据现场卫星、3G/4G等信号强度选择相应的检测模式(北斗短报文模式和4G模式)。使用北斗短报文模式APP会自动连接检测设备主机WIFI网络,通过主机发送查询指令查询并获取目标北斗航标终端的工作状态;使用3G/4G/局域网模式APP通过网络访问后台服务器,实际上不需要通过主机中转而直接获取目标终端的工作状态,操作方便,检测效率更高。

5   应用与展望

随着便携式北斗航标检测仪的成功研制以并投入使用,不仅能够完美解决北斗航标终端使用周期中性能和运行状态检测的问题,对北斗航标终端后期的巡检和维护检测也可提供方便快捷的支持,从而保障北斗航标终端正常、稳定的运行,很好地促进了北斗航标设备在海事航保的推广应用。同时在现有检测功能基础上,将逐步拓展北斗船台、北斗示位标等海事北斗设备的检测功能,进一步提升检测设备的通用性,为海事北斗全面深化应用奠定基础。

参考文献

[1] 洪大勇. GPS全球定位系统技术及应用[M].厦门:厦门大学出版社,1998.

[2] 吴崇善.正确认识和应用“北斗一号”导航定位系统(二)[J].当代通信,2004.

[3] 刘晓,等.基于单片机采集GPS数据系统的设计.青岛科技大学学报,2006,2.

作者简介:

陈国伟,高级工程师

岳添韵,助理工程师

任虹,高级工程师