基于北斗衛星通信技術的遠洋船舶通信自動化控制系統

劉逸飛

（交通運輸部上海打撈局，上海 200090）

遠洋船舶在航行過程中需要進行大量的通信交流，包括與船舶管理機構、港口、貨主等進行通信和信息傳遞。傳統的人工操作方式不僅存在人為錯誤的風險，還較為繁瑣且耗時，容易延誤航行進度，對于遠洋船舶的安全性和運營效率提出了更高的要求。科技的進步和通信技術的快速發展，例如無線通信、互聯網和衛星通信等，為船舶通信提供了更為可靠和高效的解決方案，這為遠洋船舶通信的自動化控制提供了技術基礎。

周淦淼[1]提出基于物聯網技術的船舶短波通信數據抗干擾控制方法，通過識別船舶短波通信干擾數據特征，獲取艦船低頻段通信頻率，計算船舶短波通信數據抗干擾數值，將計算結果作為參照進行糾錯編碼處理，實現對船舶短波通信數據抗干擾的有效控制。該方法雖然能夠抑制多船低頻干擾，但通信數據的諧頻參量是實時變化的，導致短波船舶通信控制精度低、魯棒性差，對于遠距離的傳輸受到承載能力的限制，參數效率不高；季禹[2]提出船舶網絡動態數據通信效率控制方法，基于優化調度算法強化網絡動態數據通信有效控制，引入SNMP 通信協議和先進算法對通信數據進行傳輸、過濾、提取，保證數據通信的精確度。但該方法在單一組網運行方式條件下，實際應用性能比較受限，自動化控制效果還有待提高。

針對以上對當前遠洋船舶通信自動化控制系統的分析，該文借助北斗衛星通信技術，研究并設計了遠洋船舶通信自動化控制系統，以期為遠洋船舶通信數據的實時傳輸提供保障，提高數據通信控制的有效性。

1 通信自動化控制系統功能

基于北斗衛星通信技術的遠洋船舶通信自動化控制系統功能如下：系統組網和運行模式、數據傳輸終端的軟硬件實現、中央服務器的軟件實現。根據功能從上到下將系統劃分為物理層、協議層和應用層，傳感器節點分布在指定的區域進行檢測，每個節點都有能力收集特定的信息信號。傳感器節點通過CAN 總線將信息傳輸到下位機（ARM 嵌入式系統），下位機使用WiFi 模塊與上位機路由器形成具有IEEE 802.11 b/g 標準協議的Ad Hoc（對等）網絡，以傳輸傳感器收集的數據信息，同時，數據信息顯示在上位機（應用端）上。

在系統中，下位機具有傳感器節點、CAN 通道和WiFi 通道的通信管理功能。下位機相當于大型傳感器網絡中的簇頭節點，充當傳感器節點信息的中繼站。在處理、分析和融合傳感器節點信息后，通過TCP/IP 實現的WiFi 無線網絡將其發送到遠程計算機，這種聯網模式可以實現分布式節點數據傳輸和接收。

在GPRS 數據終端中，物理層主要由兩部分組成：一部分是西門子MC35i GPRS 模塊，用于實現與GPRS 網絡的物理空中接口相連；另一部分是基于MPC860 的嵌入式系統，實現所有上層軟件在中央服務器中的集成[3-4]。物理層用于互聯網接入、實現互聯網連接和各種服務器端軟件的運行。

網絡協議層主要用于屏蔽操作系統的上層軟件和下層硬件，為上層軟件提供和管理各種硬件資源。網絡協議層建立并維護面向TCP 鏈路或非面向信道的UDP 數據包傳輸通道，從而實現多點到中心的鏈路連接[5-6]。其中的GPRS 數據終端PPP 協議部分實現了數據終端與移動GGSN 之間的點對點鏈路連接。

應用層實現各種特定應用、系統控制、數據圖像的加密和壓縮以及其他處理。該研究為實現系統的基本功能以保證實際應用需求，結合遠洋船舶通信數據傳輸原理，對遠洋船舶通信自動化控制系統進行設計。

2 遠洋船舶通信數據接收與速率控制

2.1 通信數據接收與發送

系統通過手持終端機實現對上一階段通信數據的接收與向下一階段的數據發送，該部分控制核心為單片機，同時在外圍通信接口配置三個輔助轉換芯片，以防止出現丟包現象。其包括八個功能鍵，主要用于輸入原始通信數據，并經轉換芯片轉換后輸出[7]；其中內置的X2514 復位電路可以同時實現微機復位與通電復位，且其異步通信端口可直接與數據傳輸模塊連接，負責無線傳輸信道與調度機的交換。手持終端機的主要技術參數如表1 所示。在手持終端和嵌入式操作系統的硬件上，首先是實現各種設備驅動程序，包括GPRS 模塊、DART、以太網等；然后執行與移動GPRS 網絡GGSN 建立點對點鏈路的PPP 協議，以及用于公共網絡的TCP/IP 協議；主線程負責建立監聽組件[8]，為每個GPRS 數據終端建立接收數據的主程序，并與多個終端建立連接并發送數據，完成整個程序的控制和相關處理。

表1 手持終端機的主要技術參數

2.2 數據速率控制

系統通過時鐘控制器改變數據傳輸規模來控制數據速率，起到向系統軟件控制的最小系統發送固定速率數據的作用。該系統的時鐘控制器采用DDS控制器，以200 MHz 晶體振蕩器為基準時鐘，AD9850為數字頻率控制芯片。首先，根據TLK2711 控制器所需的時鐘頻率CLKuser和PLL 的乘法系數，計算進入FPGA 的模擬鎖相環PLL 的時鐘頻率CLKout；其次，設計FPGA 時鐘控制邏輯，將頻率控制配置到AD9850 中；最后，AD9850 通過PLL 輸出數字時鐘頻率CLKout作為供TLK2711 控制器使用的數據傳輸固有頻率[9]。DDS 時鐘控制器的實現框圖如圖1 所示。

圖1 DDS時鐘控制器設計實現框圖

DDS 時鐘控制器具有能夠實現全數字化、可編程的頻率合成控制功能，不僅能夠產生正弦波的模擬信號輸出，而且還可以通過高速比較器輸出方波的數字信號，并具有相移功能。在200 MHz的參考時鐘下，DDS 時鐘控制器的最大頻率為500 MHz，分辨率為0.021 4 Hz。AD9850 產生的頻率輸入FPGA 后，通過FPGA 內部的PLL（模擬鎖相環）也可以獲得更穩定的頻率[10]。

3 北斗衛星通信技術通信自動化控制

3.1 數據信號捕捉

北斗衛星通信技術具有信號覆蓋范圍廣、信息數據加密傳輸安全性高等特點，能夠同時實現對其所有下屬用戶機通信數據的監收與命令發送[11]。因此，該文采用北斗衛星通信技術捕捉遠洋船舶無線通信數據信號，為下一階段通信數據收發模塊的設計奠定基礎。利用三個子載波α1、α2、α3的平均值對原始數據進行調制，得到導航電文的水平信號為：

水平信號通過被動衛星MEO 方式，需要進行重復調制，利用NH 編碼的方式將原始數據轉換為帶有偽碼的波動信號[12]。原始信號幀結構如圖2 所示。

圖2 原始數據信號幀結構

將跟蹤的初始信號降階為基帶信號，并利用式（2）對原始導航電文進行解析[13]，獲取基帶模塊的中頻信號，即：

式中，d(t)表示數據射頻函數；ω0表示中頻信號的初始頻率；θ0表示初始信號位移；t表示采樣時間。

為確定信號的頻移范圍，采用導航載波偏移矩陣設置本地載波頻率，計算公式為：

式中，g0表示偏移矩陣；T0表示信號周期；χ1表示信號多普勒頻移系數。

利用北斗衛星通信技術，得到的初始信號頻移范圍為：

式中，H+、H-分別表示信號頻移范圍的上、下限；γ0表示數據字段長度；j表示幀識別碼；β1表示尺度參數。

經過信息處理模塊處理后驗證數據的有效性，即：

式中，μ0表示隨機矢量；Q表示標簽隨機整數；U表示系數矩陣；t0表示經驗參數；h1表示讀寫器計算得到的整數，若h1大于或等于預設閾值，即h1≥rt，則表明當前獲取的信息數據即為有效數據。

計算信號的基準頻率如式（6）所示：

式中，φz表示信號諧振波位移；η0表示地面中心基站信號接收效率。

基帶模塊調制后的信號S(t)計算式如下：

式中，k表示子載波正交性系數；?0表示信號混頻積分因子。

通過特殊設備捕捉到的遠洋船舶通信信號為：

式中，w0表示信號碼率；pt表示導航信號與衛星之間的測距碼；u(t)表示捕捉到的通信數據信號。

依據北斗衛星通信技術原理，確定通信數據信號的頻移范圍，由此計算通信信號的基準頻率，結合調制信號完成對遠洋船舶通信數據信號的捕捉。

3.2 無線通信程序設計

根據系統功能模塊的劃分，無線網絡通信程序的設計包括數據采集器、客戶端和服務器。該系統采用ISO/OSI 七層開放互聯體系結構設計無線通信程序，其無線通信程序實現流程如圖3 所示。設置數據過濾方式、波特率參數、掩碼寄存器打開方式和工作模式初始化程序后，進入程序的主循環。當檢測到系統中存在要發送或接收的數據時，程序根據預設的發送和接收函數順次發送和接收數據[14]。

圖3 無線通信程序實現流程

程序節點采用的接收方法是中斷接收，在端口接收數據時產生中斷信號，當主控制器檢測到總線上的數據時，控制器立即識別相應的數據并執行接收處理，并將其存儲在接收緩沖器中[15]。同時，總線控制器立即啟動中斷服務程序，從接收緩沖器讀取接收到的數據，并為后續處理做準備；通信程序節點采用輪詢傳輸方式。當端口有數據要發送時，端口主動發送并確定當前CAN 總線是否空閑，如果處于空閑狀態，則進入傳輸階段；如果沒有空閑，則繼續等待[16-18]。

根據以上計算與對系統模塊化的設計，通過捕捉通信數據信號，并利用發送與接收函數研究系統的無線通信程序，完成基于北斗衛星通信技術的遠洋船舶通信自動化控制系統的設計。

4 系統性能測試結果與分析

為驗證該文設計的遠洋船舶通信自動化控制系統在實際應用中的可靠性，現對其進行性能測試，并引入其他系統與該文系統進行對比，根據對比測試結果分析該文系統的傳輸性能。

4.1 測試準備

在系統原型開發完成后，對系統進行性能測試。測試系統使用筆記本電腦通過常規電話線連接互聯網，實現通信服務器部署；使用GPRS DTU 連接網絡。數據從GPRS DTU 發送，一旦到達通信服務器，通信服務器立即將數據返回給GPRS DTU，以此完成一個數據傳輸過程。測試系統硬件實物圖如圖4所示。實驗中選擇HPZ800 服務器作為高速數據傳輸系統的計算機平臺，它共有6個PCIe插槽和Windows 7操作系統環境。設計和實現的應用程序具有在單個DMA 操作中配置讀/寫TLP 的長度和數量的功能，以及通過計算接收/發送的數據量和經過的時間來觀察通信控制速率的功能。此外，使用LJ1traEdit 軟件比較和分析數據中的傳輸錯誤。

圖4 測試系統硬件圖

4.2 測試說明

系統傳感器以整點或以十分鐘為間隔報告數據量。因此，基于北斗衛星通信特點，該系統的傳輸協議采用分組傳輸，對丟失的數據采用重傳機制。上述功能由編碼器和解碼器共同完成。編碼器和解碼器數據傳輸協議的基本格式如表2 所示。基于數據傳輸協議，系統采用實數編碼的形式對通信數據進行預處理，其中數據傳輸格式說明如下：幀頭為北斗衛星通信協議的關鍵字，為2 字節；標識段為目標設備的基礎運行信息，包括指令標識符與觀測標識符，分別為4 字節與3 字節；數據段包括運算符和有效數據，分別代表通信數據的高分組數與低分組數；校驗段為從幀頭到數據段的全部字節長度。

表2 數據傳輸協議格式

4.3 系統通信控制速率對比實驗分析

為直觀地比較該文研究的系統在遠洋船舶通信自動化控制中的實際應用性能，引入基于以太網物理芯片（系統1）、基于數學模型（系統2）作為該文系統的對比系統，比較在不同通信距離下，三種系統的通信控制速率，結果如圖5 所示。從圖5 可以明顯看出，在不同通信距離條件下，三種系統的通信控制速率均隨著通信距離的增加而降低，但通過實驗結果對比可知，在相同通信距離時，該文設計的系統通信控制速率均要高于其他兩種系統，表明該文系統具有較高的控制效率。分析原因可知，系統1 在建立數據庫連接鏈路時，未對實時數據進行自動化存儲處理，故而影響了控制速率；系統2 由于系統各模塊的處理時間較長，從而增加了控制耗時。由此可以說明，針對遠洋船舶通信自動化控制，該文設計的系統能夠有效提高通信控制速率。

圖5 不同系統通信控制速率對比結果

4.4 通信時延對比實驗分析

基于以上實驗結果，為進一步證明該文系統在通信控制效率方面的可靠性，對數據發送時鐘頻率進行配置，初始發送頻率固定為25 MHz，并逐步提高發送時鐘頻率，即提高模擬數據源發送數據位寬，分別測試三種系統在不同發送時鐘頻率下的通信時延，時延越小，表明系統控制速率越快，傳輸效率越高，結果如圖6 所示。根據圖6 可知，通過不斷調整發送時鐘頻率來測試對比系統與該文系統的通信時延情況，測試結果表明，在發送時鐘頻率范圍為25～150 MHz 時，該文設計系統的通信時延均在0.4 ms 以下，遠低于其他兩種系統。因此可以證明，該文系統在通信自動化控制方面具有較高的控制效率。

圖6 不同系統通信時延對比結果

5 結束語

針對傳統遠洋船舶通信控制系統存在數據傳輸效率較低的問題，該文結合北斗衛星通信技術設計了一種新的通信自動化控制系統。經系統性能測試結果表明，該文系統能夠有效提高通信控制速率，減少控制耗時，通信控制速率遠高于傳統系統，可以有效解決控制效率較低的問題。在未來發展中，要不斷提升定位精度和可靠性、改善數據傳輸速率和容量、強化安全保障措施、整合多種導航系統并結合人工智能技術。