结合GPS 的船舶试航系统数据通信技术

2023-11-24赵玉红

舰船科学技术 2023年18期

赵玉红

(1.河南科技大学，河南洛阳 471000；2.河南科技职业大学，河南周口 466000)

0 引言

船舶在正式交付前都需要进行试航，在试航过程中可以获取船舶航行的关键信息，包括船舶通信系统、电力系统、定位系统等，这些试航信息需要在收集之后和船舶的建造和操作要求进行对比，以确定船舶是否满足航行要求。传统的船舶试航信息记录都是通过记录仪来将船舶试航信息进行记录和存储，最后在船舶完成试航后再对数据进行对比，而在信息化发展的今天，通信技术和数据处理技术的不断发展为船舶试航提供了新的助力。除了船舶的基本操作信息外，船舶试航还需要对船舶航行中的位置信息进行记录和分析，GPS 技术是目前使用较为广泛的卫星导航技术，在民用领域其定位精度可以达到3 m。

国内目前对船舶试航的主要研究方向集中在试航流程、试航数据的采集以及试航模型等方面，李珍璜等[1]针对当前试航流程中存在的问题提出优化措施，能够有效缩短试航时间。吉永军等[2]针对船舶试航过程中出现依赖人工专家的问题提出了一种技术知识网络专家方案，通过贝叶斯网络推理来解决试航中出现的问题，从而提升解决试航问题的效率。张海华等[3]以集装箱船为例，对比建立的模型和船舶试航时的航行数据，发现模型数据对船舶试航具有一定参考性。

目前对船舶试航数据的实时性传输和存储等研究较少，因而本文在对数据通信技术、GPS 卫星导航技术等进行充分研究的基础上，提出一种能够对船舶试航数据实现快速通信传输的方法，在系统中保留北斗导航数据接口，为后续试航系统的完善提供足够的提升空间。

1 数据通信技术

1.1 船舶试航数据特点

为了测试建造的船舶是否达到出厂要求，需要对船舶航速以及航向操作进行测试，这些测试包括船舶回转试验、紧急刹车试验、直线航行试验以及锚泊试验等，所有这些测试可以对船舶的方向舵操作、电气设备的操作等基本功能进行确认。在船舶上设置有传感器节点，通过对这些传感器节点的基本数据进行收集和汇总，最后获取所有船舶的试航数据。

船舶试航数据由于涉及到GPS 位置信息、船舶发动机、雷达数据、AIS 数据、各类电气设备的状态信息等，在整个试航过程中需要对这些数据进行全程监控，以确保船舶按照既定航向运动，同时确保船舶在既定试航过程中，所有设备的工作状态正常[4]。综合来看，船舶试航数据有如下特征：

1）数据种类多

船舶试航是对一艘全新的船舶进行测试，因而在试航过程中需要收集的数据种类非常多，而且不同种类数据的格式和大小有很大不同，因而针对不同数据的处理方法也不尽相同。

2）单次数据传输量小，但总量大

船舶试航数据的单次数据传输量比较小，这是由于很多数据都是属于开关量数据和模拟量，这些数据量都小于1 kb，但是由于需要采集的数量比较多，因而船舶的试航数据量比较大。如果采用实时存储，需要在试航的船舶上配置有一个容量较大的存储器。本文提出的试航系统数据通信，通过4G 通信将船舶试航数据实时传输到控制中心，因而在船舶上只需要设置一个容量较小的存储器作为数据中转[5-6]。

3）数据异常处理要求高

船舶试航过程中容易受到环境干扰，同时也可能会产生一些异常数据，对这些异常数据需要及时进行判断，通常在采集系统中在异常数据产生时，可以在短时间内再次对该数据进行采集，如果再次采集的数据正常，会使用新数据来代替异常数据，或者是短时间内连续采集几次，使用多次采集的数据平均值来判断是否存在异常[7]。

船舶试航数据除以上特点外，随着船舶智能化、大型化的发展，船舶试航数据量会进一步加大，同时除了传统的开关量、模拟量、GPS 位置信息等，在未来还有视频数据、声音数据等都需要进行采集，因而数据的传输量会越来越大。

1.2 GPS 技术

GPS 技术是目前使用最广泛的船舶导航定位技术，GPS 伪随机码测距原理如图1 所示。

图1 GPS 伪随机码测距原理Fig.1 GPS pseudo-random code ranging principle

GPS 卫星信号中包含了测距码、数据码以及载波，在船舶试航中关注的是测距码，测距码又可以分为C/A 码和P 码，P 码是一种伪测距码，相较于C/A 码而言，P 码不容易被捕获，但是精度高。在实际应用中一般使用伪随机码来获取船舶位置。船舶上的接收机通过分析信号传播的时间△t，然后再乘以光速c，即可得到船舶和卫星之间的距离，如果能够同时接收到3 个卫星的信号并加以分析，就可以获取船舶的三维坐标。

但是在实际测算过程中由于受到电离层的误差、数据传输误差等，建立的GPS 船舶位置测算模型需要综合考虑这些误差因素，定义P为船舶和某一颗GPS卫星之间的伪距，则建立的船舶位置测算模型为：

式中：(X，Y，Z）为船舶的三维坐标，(X1，Y1，Z1）为GPS 的三维坐标，c为光速，△ts为卫星的钟差，△tr为接收机的钟差，Vtrop为对流层修正参数，Vion为电离层修正参数。同理可以获取其他2 个卫星和船舶之间的伪距测算模型，最终即可算出接收机的钟差和船舶坐标。

1.3 4G 通信技术

船舶试航数据需要依托4G 通信技术传输到岸基控制中心。4G 通信技术能够实现20 Mbps 的上传速度以及100 Mbps 的下载速度。4G 通信技术中采用了正交频复用OFDM 技术和多入多出天线MIMO 技术，有效提升了数据传输效率和抗干扰性能。

1）OFDM 技术

采用正交子信道，同时在不同的正交子信道上分配传输的数据，不同正交子信道频谱有重复部分，提升了频段的利用效率，也减少了不同子信道之间的干扰，节约了带宽。OFDM 技术和FDM 技术的对比效果如图2 所示，可以发现，FDM 技术主要是采用独立的频段传输，相比较而言，4G 技术采用的OFDM 技术在数据传输速率上具有较大优势，适用于当前船舶试航时需要传输大量数据的基本要求。

图2 OFDM 技术和FDM 技术对比Fig.2 Comparison of OFDM technology and FDM technology

2）MIMO 技术

船舶试航数据传输需要极高的可靠性，否则就无法保证船舶试航的顺利完成。MIMO 技术是4G 技术的关键技术之一，其基本原理如图3 所示。从发送端到接收端有多个天线，改变了原来的单一天线发送和接收数据由于存在干扰而导致传输失败的情况，提升了数据提升的可靠性。

图3 MIMO 技术Fig.3 MIMO technology

2 船舶试航数据通信系统的实现

2.1 系统基本架构

船舶试航数据通信系统的设计目标是为了将试航数据通过4G 无线通信技术传输到岸基控制中心，系统包括试航数据采集模块、GPS 信息处理模块、4G 数据传输、数据接收模块、数据存储模块、数据分析和数据显示模块等，其架构如图4 所示。

图4 船舶试航数据通信系统架构Fig.4 Architecture of ship trial data communication system

1）试航数据采集模块：试航数据采集包括各类传感器、开关量采集的试航数据；

2）GPS 信息处理模块：将获取的GPS 卫星导航信息进行解码和计算，使用伪码测距技术获取当前船舶的位置和对应的时间；

3）嵌入式处理器：采用ARM 嵌入式处理器，将试航数据采集模块和GPS 信息处理模块获取的试航数据基本信息进行存储，并按照规定好的协议通过4G 无线网络发送出去；

4）数据接收模块：岸基试航控制中心使用4G 网络接收试航的所有数据；

5）数据存储：将接收到的数据存储到数据库中；

6）数据分析：将接收的试航数据信息进行分类，并建立试航分类比对测试，对所有开展的试航项目时段内的数据进行比对，将获取的数据值和标准值进行比对，对不符合要求的项目列表并输出到文件；

7）数据显示：对船舶试航过程中的基础数据通过图、表的形式显示，实现船舶试航过程的快速交互。

2.2 系统实现

岸基试航控制中心通过无线4G 网络获取试航数据信息，并将其存储、分析并显示。图5 为船舶试航数据通信系统的软件界面，在主页面上显示当前4G 通信的状态，以确保能够正常和船舶进行数据通信。

图5 软件界面Fig.5 Software interface

主页面主要包括GPS 模块、试航数据分析模块以及推进器状态模块。GPS 模块是对GPS 获取的船舶坐标进行显示，并标明当前使用的坐标系为WGS84 坐标系，显示当前的船舶航向。试航数据分析可以通过点击按钮获取不同船舶试航实验的基本数据，推进器状态是对船头和船尾的推进器状态进行推测，保证试航过程的安全。

2.3 系统测试

在完成系统既定功能之后，对船舶试航数据通信系统进行数据传输测试。使用单点对单点的测试方案，在实验中选取距离1 km 的2 栋大楼，其中在一栋大楼中放置一块ARM 嵌入式开发板，开发板连接路由器，另外一栋大楼中布置有一台电脑，电脑上装有船舶试航系统软件。测试指标包括系统通信时延、4G 连接成功率、掉线率以及最大传输速率等。具体测试流程如下：

1）编写测试程序，在按下测试按钮后嵌入式开发板会通过4G 网络向外发送数据；

2）在电脑软件端接收数据，并使用相关的工具对相关的通信指标进行测试，收集测试结果。

测试结果如表1 所示。其中，4G 连接成功率是指系统软件端每次发起4G 连接的成功率，掉线率为系统软件无法保持4G 连接状态的概率，最大传输速率是指从嵌入式开发板到系统软件的最大传输速度。可以发现系统的时延在可接受范围内，同时4G 网络的连接成功率也非常高，掉线率低，最大传输速率可以达到10.0 Mbps，在软件中可以通过设置网络自动重连来保证系统的稳定工作。