利用北斗傳輸的海洋觀測航道浮標

◎ 許娟 廖銘勝 郭婧 天津海事局

李棟 天津天元海科技開發有限公司

1.引言

港域環境監測系統是一個建于港口，用于監測港域海洋環境素（如水溫、潮流、流向、水位、風力、風向等），并為船舶進出港、離靠泊提供安全保障的監測服務網絡。其核心是及時將海洋環境要素觀測值予以傳輸和顯示。

為通航服務的海洋觀測浮標，最好是布設在航道，如果遠離航道，其數據有效性將會大大降低。但傳統的多功能浮標，忽略了浮標做為導助航設施的基本功能。為有效利用導航浮標，提高多功能浮標采集數據的可靠性。

天津港復式航道是國內首條采用復式交通組織方式、世界最大集裝箱船舶可便捷進出港、雙進雙出“四車道”大幅提升通行效率，在復式航道保駕護航下，天津港已經同世界上180多個國家和地區的500多個港口實現貿易往來，120條集裝箱航線和每月550余班航班直達世界各地。復式航道口門，距離河北省唐山市曹妃甸區南堡鎮10海里，距離大沽燈塔11海里，距離天津市濱海新區東突堤16海里，移動、電信、聯通三大運營商信號覆蓋比較弱，不能實現實時數據傳輸業務，利用北斗衛星導航系統的短報文功能可以實現觀測數據的實時回傳。

2.信號測試

2.1 2019年2月27日現場勘查拋投位置

圖1是2019年2月27日，攜帶電信設備進行拉距測試信號圖，實線是有信號區域，虛線是無信號區域。在大沽燈塔以內信號很好，在東北和正東以及東南方向，離大沽燈塔12公里左右沒有信號。

2.2 2019年4月2日現場勘查拋投位置

圖2是2019年4月2日，攜帶電信設備進行拉距測試信號圖，實線是有信號區域，虛線是無信號區域。在大沽燈塔以內信號很好，在正東以及東南方向，離大沽燈塔12公里左右信號非常弱，在1號燈浮標開始陸續有信號是河北省電信基站的信號，推測是唐山市豐南區黑沿子鎮或者唐山市曹妃甸區南堡鎮轄區內的基站。

圖3是2019年4月2日，攜帶移動設備進行拉距測試信號圖，實線是有信號區域，虛線是無信號區域。在大沽燈塔以內信號很好，但在大沽燈塔以東信號就非常弱，在錨地和錨地東部航道，有河北省移動基站的信號，推測是豐南區黑沿子鎮轄區內的基站。

2.3 2019年5月9日-6月19日測試情況

2019年5月9日-6月19日在3號浮標附近的2號浮標，進行了長時間電信和移動信號測試，在24號浮標進行了電信信號測試。

從圖4得知，2號浮標電信信號通訊成功率20%左右，移動信號通信成功率55%左右，但存在長時間無信號的情況，2019年6月11日-6月18日，移動和電信信號都出現長達數小時無信號情況。無論是電信還是移動信號都不穩定。

圖1 2019年2月27日電信拉距測試圖

2019年6月2日-2019年6月6日，因大沽燈塔電信基站故障，導致2號浮標和24號浮標電信信號中斷。

3.北斗衛星導航系統

3.1 系統介紹

中國北斗衛星導航系統（英文名稱：BeiDou Navigation Satellite System，簡稱BDS）是中國自行研制的全球衛星導航系統，也是繼GPS、GLONASS之后的第三個成熟的衛星導航系統。北斗衛星導航系統（BDS）和美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO，是聯合國衛星導航委員會已認定的供應商。

北斗衛星導航系統由空間段、地面段和用戶段三部分組成，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并具備短報文通信能力，已經初步具備區域導航、定位和授時能力，定位精度10米，測速精度0.2米/秒，授時精度10納秒。

2020年7月31日上午10時30分，北斗三號全球衛星導航系統建成暨開通儀式在人民大會堂舉行，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平宣布北斗三號全球衛星導航系統正式開通。

3.2 短報文功能

北斗衛星的短報文通信功能是北斗衛星系統相比于其他衛星定位系統非常獨特和實用的功能，在海事系統應用中，相對于其他的無線通信技術，具有獨特的價值和優勢。如AIS系統、公用無線蜂窩通信系統（3G、4G、GPRS）、海事VHF電臺無線通信方式的覆蓋范圍只能達到沿海數十海里的范圍，無法在廣闊的中國海域提供通信服務；而海事衛星或者其他衛星通信服務的通信費用非常昂貴，北斗衛星的短消息通信功能對于在廣闊的中國沿海海域范圍內，可以提供費用非常低的低帶寬通信功能，每個短消息可以發送約70個字節的信息量，這些信息量，對于海上船舶的指令傳遞、船舶、人員、貨物信息傳輸等大量關鍵的信息傳輸需求，具有很好的解決效果，同時，可針對位置報告、指揮控制、身份識別、情況通報、海上救援、北斗系統公告等典型北斗通信應用，設計精干高效、可靈活擴展的專用短信代碼協議，實現基于北斗系統的海事業務信息的高效傳輸和精確應用。

4.北斗傳輸實現

4.1 實現思路

利用北斗傳輸的海洋觀測航道浮標采用“北斗通信終端”替換原有的數據傳輸單元，把原來的公網傳輸和北斗傳輸改造升級為北斗傳輸。在天津海事局船舶交通管理中心機房增加一臺“北斗指揮機”，該指揮機外接北斗天線，收發多功能浮標的監測數據，該指揮機通過串口連接“北斗中轉服務器”，通過互聯網將多功能浮標監測數據傳輸給“服務器接收程序”并與之交互，在經過改造后的“數據接口接入服務”程序實現數據處理和保存。

4.2 數據發送和接收機制

當要發送的消息長度超出北斗單條短消息最大允許長度時，需要做好拆包、排序以及接收端的組包工作；做好數據丟包的續傳工作。

4.3 分包組包規則

完整信息采用二進制信息方式，以字節方式傳送。

指定文件被拆開并分包，每包為76個字節，尾包不足76字節，使用0填充為76個字節，分包規則為：

（1）首包：

包標識（1byte）＋包數標識（1byte）＋有用信息總長度（2byte）＋信息內容（71byte）

包標識：一個數字，標識此信息號碼，以后所有此信息子包均包含此包標識。軟件自動從16至255自動輪流使用。0表示此包內容為命令類型。（命令類型包用于保證包通訊中的重發流程）。1表示位置信息包。2－15數字暫時備用。

包數標識：表示此包在信息包流的位置。首包為1，類推。最多255包。（表示最大發送約255＊74個字節。）

有用信息總長度：表示有用信息的總字節數，不含包標識、包數標識，有用信息總長度、校驗碼等附加信息長度。

（2）中間包：

包標識（1byte）＋包數標識（1byte）＋有用信息總長度（2byte）+信息內容（74byte）

（3）尾包：

包標識（1byte）＋包數標識（1byte）＋有用信息總長度（2byte）+信息內容（74byte）

圖2 2019年4月2日電信拉距測試

圖3 2019年4月2日移動拉距測試拉距測試

尾包中信息內容不足74字節，使用0填充為74字節。解包時候，在保證有用信息總長度正確的前提下，系統應自動判斷接收所有包數，同時尾包內填充字節自動忽略。

（4）命令包

包標識為0（1byte）＋命令符（1byte）＋參數（76byte）

包標識為0，標識命令型包。

有用信息長度：信息內容中有用的字節數目。

命令包主要用于北斗通訊丟包時候的重發機制。

命令包內容如下：

①ACK包

表示接收完整的命令包。

命令符：1（二進數），參數：可以為無。

包內容格式：

00 01

② END包

表示發送完畢，等待下一步的命令。

命令符：2（二進數），參數：可以為無。

包內容格式：

00 02

3）RESEND包

表示要求重發的命令包。

命令符：3（二進數），參數：需要重發的包數標識，一個字節表示一個包。如果是0，表示全部重發。參數數目由消息長度決定。

圖4 2019年5月9日-6月19日長時間測試

圖5 信息接收流程圖

圖6 數據接收流程圖

圖7 信息發送流程圖

包內容格式：示例

00 03 00 resend命令全部重發

00 03 01 02 03 表示重發1，2，3號包

00 03 04 06 表示重發4，6號包

00 03 24 30 表示重發24，30號包

如果一條resend命令無法表示所有重發的包數（超過76個包），用戶則需要利用協議分步發送resend包。即先要求一部分重發，再要求另外一部分重發。

4.4 加密解密和壓縮算法

（1）加密。采用DES密機制。針對信息文件采用密鑰進行加密運算。后臺計算機采用同樣密鑰進行解密。

（2）壓縮。采用ZIP壓縮方式。利用JAVA壓縮代碼庫進行壓縮。北斗硬件包發送和接收規則

約定：一個完整信息稱為“一條記錄”。

一個記錄被分包發送后，每一個發送包稱為“一個數據包”

發送方為：T方

接收方為：R方

考慮到多點對一點的情況（船對岸）以及北斗1分鐘發送的限制，通訊無法采用雙向握手通訊機制。故采用如下對話機制。

①理想情況無丟包

T方掃描數據庫，發現新的“一條記錄”后，將此記錄讀出，拆包，隨后將每個“發送包”存入發送臨時表中。

T方向R方發送首包。

R方收到首包后，存入接收臨時表中。

T方等待1分鐘，隨后發送第二包。

R方收到包后，存入接收臨時表中。

圖8 數據發送流程圖

圖9 確認接收幀流程圖

圖10 確認超時流程圖

T方發送尾包后，等待R方回應。

R方收到尾包后，如果完整收到，發送命令包（ACK）至T方。表示完整收到。

T方接收到ACK包，則刪除臨時表，寫入正是表信息發送正確，表示一條信息發送順利完成。

② 存在丟包T方

T方發送時，任何時候都可能丟包，包括首、中、尾包。T方始終每分鐘發送，直至所有包發送結束。隨后進入等待狀態。等待時間為W（W一般可以設定為3）分鐘，如果依然沒有回應，則重復發送命令包（END），直至回應。如果發送N（一般為5）次后，依然沒有回應，則結束此記錄發送。

T方收到ACK命令包，則結束此記錄發送。

T方收到RESEND包，則依照RESEND內容規定，連續發送數據包，直至所有resend包發送結束，進入等待狀態（重復上面等待過程）。等待時間為W（W一般可以設定為3）分鐘，如果依然沒有回應，則重復發送命令包（END），直至回應。如果發送N次后，依然沒有回應，則結束此記錄發送。

③存在丟包R方

圖11 浮標圖片

圖12 系統展示圖

R方收到任何一個信息包后，均可以根據包內容，獲取信息總字節數目，計算出總信息包數目。進而判斷出自接收到此包后，至最后尾包發送結束，需要等待的分鐘數。如果收到命令包，則無需等待，直接回復。

R方待等待時間（等待所有包發送結束）過后，檢索接收臨時表，如果有遺漏數據包，則發送命令包（RESEND）至T方，同時計算出等待時間。

R方持續等待，待T 方將遺漏數據包發送。檢索接收臨時表，如果有遺漏數據包，則發送命令包（RESEND）至T方，同時計算出等待時間。

等待時間過后，R方如果接收完整，則給出ACK命令包。如果未完整，則給出RESEND命令包。

如果R方在等待期間收到任何END命令包，則按照等待時間結束處理。則根據信息完整性，給出RESEND或ACK命令包。如果此時R方臨時表為空（即沒有收到任何數據包），則R方給出的RESEND包中，參數為ALL，等待時間為2分鐘。

4.5 浮標拋設和系統展示

如圖11，12。

5.總結

本文介紹了利用北斗傳輸的海洋觀測航道浮標，該浮標在2020年1月17日拋設，經歷了兩個冬季冰期考驗，連續1年運行正常。