基于北斗短報文模塊的航標遙控遙測系統設計

胡潤東 徐松穎 姜林 蔡昊

摘 要：北斗衛星導航定位系統正在社會經濟發展中發揮著越來越重要的作用，而北斗短報文功能是北斗系統區別于其他同類導航系統的獨特功能。針對當前航標終端系統中還沒有成功應用北斗短報文模塊的現狀，本文設計了基于北斗短報文模塊的航標遙控遙測系統，利用串口技術實現了北斗短報文信息的接收和發送，并利用北斗定位模塊中的時間信息，設計了航標燈的定時亮滅遙控。該系統的設計有助于北斗短報文模塊在航標終端中的應用與產品研發。

關鍵詞：北斗衛星導航定位系統;短報文;航標終端

中圖分類號：U644? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2022）02-0067-03

長江航道被譽為“黃金水道”，為我國經濟發展提供了重要支撐。在《武漢長江中游航運中心總體規劃》中，要求增強干線航運能力、改善支流通航條件、健全智能服務和安全保證系統，這為長江航運提出了更高的要求。

航標遙測遙控系統在航運保障過程中起著至關重要的作用。目前航標燈無線通信通常為GPRS＼3G＼4G移動通訊模式，對于通信基站分布比較稀疏的地方會存在航標燈終端與服務器通訊異常。在寬闊的水域和流經高山區域的航道，這種因通訊不暢而導致的航標燈報警現象屢見不鮮，為航標燈遙測遙控信息管理帶來較多困難，對航道保障帶來了極大的隱患。

在我國北斗衛星導航系統成功建設并廣泛應用的背景下，國內的科研人員對于北斗衛星導航系統在航標燈遙測遙控中的作用進行了充分的探索。宓宗龍[1]介紹了連云港航標處在使用的各型北斗遙測終端產品以及監管手段，對不同廠家產品實際使用情況進行對比，提出了航標用北斗遙測終端軟硬件優化的設想。宋廣軍[2]基于衛星和通用無線分組業務技術設計了航標燈智能監測系統，對航道環境進行實時監測。該系統可以獲取航標燈位置信息、燈質參數、航道水位及水深參數，利用GPRS通訊模塊將這些數據實時傳回服務器，在服務器端對數據進行分析，在出現險情之前可以發出預警信號，從而實現對航標燈的遙測遙控。該系統較好地保證了船舶航行安全，能夠及時進行航道維護，具有成本低、可靠性高、實時智能監測的特點[2]。

針對如何處理采用北斗短報文通信方式的航標燈上傳的數據并直觀展示給管理用戶的問題，鄭偉[3]研究分析了北斗短報文通信協議，解析了電文內容格式，運用VS.2017（Visual Studio.2017）設計了基于C/S（Client/Server）構架下的航標燈監視平臺，用以實現將航標燈的位置、水文、氣象、電源狀態等數據顯示功能，并開展了航標燈監視平臺測試[4]。鄭偉，秦實宏應用北斗定位及短報文通信技術，進行航標燈定位，以及航標燈與監控中心之間的數據傳輸。該設計增強了航標燈的通信能力，拓寬了北斗的應用范圍[5]。馬甲林[6]在對虛擬AIS航標設計中探索了北斗衛星導航系統的應用，分析了基于北斗短報文服務的航標建設、虛擬航標、水上安全信息播發、應急救援等具體應用，以北斗分理服務平臺為例[7]， 闡述其作為統一平臺的功能和優勢， 為實現救援及其他服務提供便捷的途徑。曹愛玲[8]基于中國自主研發的北斗系統，利用短信雙向通信的能力，提出了基于北斗短信的船舶通信系統的研究。在船舶通信系統的設計中，以 STC12C5A60S 單片機為主控制器，北斗 RDSS 短信通信板 TM8620 為通信單元。設計適合船舶數據傳輸的通信協議和控制算法，采用模塊化的設計方案，給出了系統的硬件電路和軟件設計。

王志威[9]基于北斗衛星短報文通信設計了智能航標燈遠程控制系統，對目前未覆蓋全球移動通信系統的海域進行航道管理。該系統可以實現對航標燈狀態數據檢測、航標燈位置測控及航標燈周圍海域環境的監控，并將檢測到的數據通過北斗衛星通信傳送給服務器，由服務器進行數據處理和分析，以及發出預警信息并儲存到數據庫中。陳正輝[10]介紹北斗導航系統的研究現狀，然后詳細的闡述了北斗定位功能性的作用機理，最后論述了北斗短報文通訊功能的可行性，研究成果對促進導航系統在航運的進一步使用起到一定的推動作用。王亞飛[11]在調研了廣東省航標遙測技術的北斗應用需求基礎上，提出了通過北斗短報文功能開展航標遙測遙控工作的通信協設計原則，并針對設計的協議命令開展了實地測試，驗證了北斗短報文通信功能在航標遙測遙控應用中的可用性。

1 北斗衛星導航系統

北斗短報文服務通過用戶端、衛星端及控制中心端實現雙向通信，在定位的同時用戶位置報告通信，實現定位與通信的集成，可以為不同行業眾多用戶提供定位、短報文信息轉發等服務[6]。

作為北斗衛星導航定位系統區別于其他全球導航定位系統的功能，北斗短報文具有諸多優點。北斗短報文直接利用衛星進行通訊，可以不受周圍基礎設施的限制，沒有通訊盲區，信息加密傳輸安全。在4G信號不能覆蓋的區域如海上區域、發生地質災害的區域等，可以利用北斗短報文通訊。北斗短報文可以實時向外界發送自己的位置信息，在緊急情況下有助于及時救援。

由于短報文通訊容量的限制，民用通信容量通常為628bit;民用通信頻度在1min左右;北斗短報文只能在北斗系統的范圍內使用，應用范圍有一定限制。

2 基于北斗短報文模塊的航標終端設計

利用北斗短報文模塊設計了航標終端，如圖1所示。該方案的設計目的是應用北斗衛星導航定位系統的短報文通信技術和北斗定位技術，當航標與服務器端的通信受到基站限制時，可以采用短報文通訊功能實現對航標的遙控遙測，以此拓寬北斗系統在航標中的應用范圍。

該方案采用了北斗系統進行定位，用北斗短報文模塊進行通訊，所采集的數據包括航標燈狀態信息、亮滅信息、電源信息、終端信息、通訊狀況等內容，各個模塊的功能如下：

（1）航標燈終端。接收航標燈終端的位置數據、電源電壓、終端電壓、航標燈燈器信息，按北斗短報文通信格式處理打包，每1分鐘向終端管理中心發送打包后的短報文。接收來自服務器端發出的控制指令，按短報文通信協議對收到的指令進行解析，實現對航標燈的遙控。

（2）終端管理中心。按北斗短報文通信協議解包，實時更新、顯示航標位置、電源電壓、終端電壓、航標燈信息。對所有航標數據構建數據庫，供管理人員提取相關數據。對航標數據進行可視化顯示。

（3）航標終端軟件設計。可以在航標終端上同時加載4G通訊模塊，在航標終端軟件中加載對當前4G通訊狀態的判斷條件。當4G網絡能夠覆蓋該區域時，則采取4G網絡進行航標燈與服務器系統的通訊聯系。當4G網絡信號較弱或沒有4G網絡信號時，則采用北斗短報文模塊進行通訊。航標終端軟件設計如圖2所示。

3 基于北斗短報文模塊的航標終端樣品及實驗

利用上述研究方案制作了基于北斗短報文模塊的航標終端樣品。如圖3所示。利用串口方式連接北斗短報文模塊和航標終端，在服務器端用串口將北斗短報文模塊與計算機連接，用于接收終端發出的短報文信息，以及發出由計算機發送的遙控信息，如圖4 所示。

通過單片機編程實現了北斗短報文信息的解讀，服務器端航標通訊控制軟件界面如圖5所示。在服務器端發送通信申請，當航標終端的短報文模塊及服務器端的短報文模塊都正常連接后，可以獲取當前終端所在的位置信息。可以在軟件界面中直接獲取當前航標燈的亮滅狀態，也可以發送指令控制航標燈的亮滅。

4 結論

本文設計了基于北斗短報文通訊模塊的航標終端系統，用于在4G網絡信號較弱不能通訊或4G信號不能完全覆蓋情況下的航標終端遙控遙測。制作了航標終端樣品，并通過單片機編程實現了北斗短報文的接收和發送。可以在服務器端通過對北斗短報文的解析獲取當前航標燈的亮滅狀態信息，也可以發送指令控制航標燈的亮滅狀態。本文研究有助于進行基于北斗短報文模塊的航標終端實體的產品制作。

參考文獻：

[1] 宓宗龍，張秀柱.北斗遙測終端在航標上的應用[J].中國水運，2018，19（8）： 67-68.

[2] 宋廣軍，顧和偉，劉凱文，陳瑞星，張文帥.基于北斗衛星通信的航標燈智能遙測遙控系統設計[J].水運管理，2018，40（7）：32-34.

[3] 鄭偉.北斗通信定位技術在航標燈遙測遙控系統中的研究[D].武漢工程大學，碩士學位論文，2019.

[4] 鄭偉，鄒運其，朱喜春.基于北斗通信的航標燈監視平臺設計[J].中國水運，2019，5：33-37.

[5] 鄭偉，秦實宏，楊啟偉，饒云.應用北斗通信定位技術的遙控遙測航標燈設計[J].船舶電子工程，2019，39（9）：53-55.

[6] 馬甲林.北斗短報文技術在虛擬航標中的應用[J].珠江水運，2019，12：77-79.

[7] 馬甲林.基于北斗衛星導航系統短報文服務的水上安全通信[J].水運管理，2019，41（5）：15-18，22.

[8] 曹愛玲，畢玉珊，林玲玉.基于北斗短報文的船舶通信終端設計[J].通訊世界，2019，4：139-140.

[9] 王志威，鄭恭明.基于北斗衛星通信的智能航標燈終端物聯網遙測遙控系統設計[J].水運管理，2020，34（8）：39-42.

[10] 王亞飛.北斗短報文通信技術在航道中的應用[J].交通世界，2020，8：22-26.

[11] 陳正輝.基于單北斗定位及北斗短報文通訊的航標遙測遙控終端設計[J].珠江水運，2021，12：24-25.