航标遥测遥控系统的关键技术研究

２００６年第４期　中　国航海　Ｎｏ．４　Ｄｅｃ．２００６　丝垒　塑　　：Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．６９　文章编号：１０００—４６５３（２００６）０４—００６１—０５　航标遥测遥控系统的关键技术研究　郑佳春　（集美大学，福建厦门３６１０２１）　摘　要：根据航标遥测遥控系统的组成和功能需求，对系统实现的关键技术进行分析和研究。详细介绍了基于ＧＰＳ　的浮标位置漂移、撞击分析方法，给出了浮标受撞击判断模型；分析了终端ＲＴＵ能量浪费的主要原因和终端低功　耗设计方法；探讨了中心控制系统的数据服务和决策支持的技术和方法。　关键词：船舶、舰船工程；航标；遥测遥控；数据采集；低功耗　中图分类号：Ｕ６４４．８’７　文献标识码：Ａ　Ｋｅｙ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｏｆ　Ｒｅｍｏｔｅ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｌ　Ｍａｒｋｓ　ｚＨＥＮＧ　Ｊｉａ—ｃｈｕｎ．　（Ｊｉｍｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｍｅｎ　３６１０２１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｒｅｍｏｔｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｌ　ｍａｒｋｓ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｂｕｏｙ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｄｒｉｆｔ　ａｎｄ　ｂｕｍｐ　ｂａｓｅｄ　Ｏｎ　ＧＰＳ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｊｕｄｇｅｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｂｕｏｙ　ｂｕｍｐ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｒｅａ￣ｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｒｍｉｎａｌ砌Ⅲｅｎｅｒｇｙ　ｗａｓｔａｇｅ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｈｅ　ｄｅｓｉｔｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｌｏｗ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｄａｔａ　ｓｅｒｖｉｃｅ　ａｎｄ　ｄｅｃｉｓｉｏｎ－ｍａｋｉｎｇ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｉｎ　ｃｅｎｔｒａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｓｈｉｐ、Ｎａｖａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｌ　ｍａｒｋｓ；Ｒｅｍｏｔｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｏｒｌｌｉｎｇ；Ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；Ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　航标是保障船舶安全、经济航行的重要设施，对　发展水上交通运输、海洋资源开发、渔业捕捞、国防　终端设备三大部分组成（如图１所示）。　中心控制系统的功能是完成航标数据的收集、　处理、存储、显示和决策支持服务；主要由通信机、服　建设等起着重要作用。随着航标信息化技术的快速　发展，航标遥测遥控系统的建设越来越受到重视。　虽然航标遥测遥控系统的研究与开发的历史超过　务器、ＧＩＳ客户端平台组成。通信机可实现多种通　信服务如：ＧＰＲＳ无线网络通信服务、短消息通信服　务、ＡＩＳ通信服务、差分ＧＰＳ信息收集服务等。服务　１０年，相关的研究和论文很多，有些系统也已经建　设或正在建设。但目前航标遥测遥控系统的建设仍　存在着性能和稳定性等方面问题，还没有达到现代　化、信息化航标管理的要求。分析其中的主要原因　器包括通信服务器、数据管理服务器；其中通信服务　器完成通信机的命令和数据传送；数据管理服务器　主要完成数据解析、存储、处理等功能，通过数据解　析自动生成各种报表，通过处理完成数据分析、处　是目前航标遥测遥控系统的开发和设计均缺少方案　论证和理论分析。根据航标遥测遥控系统的基本工　理、判断、报警等功能；同时为各个管理用户（ＧＩＳ平　台等）提供数据；ＧＩＳ客户端平台为一客户端软件，　作原理和功能需求，从技术实现角度，详细分析和介　绍数据采集技术、无线数据传输、浮标位置漂移和被　以￥５７电子海图为基础，在其上叠加航标信息实现　可视化实时的航标信息显示、查询、报表等功能。　无线通信系统的功能是实现航标信息和控制命　令的无线传输，可采用ＧＳＭ／ＣＤＭＡ／ＡＩＳ无线通信系　撞击、终端低功耗设计、数据处理和决策支持等关键　技术的实现方法和相应算法。　１　航标遥测遥控系统的组成　航标监控系统由中心控制系统、无线通信系统、　收稿日期：２００６．０８．１２　统，可提供ＳＭＳ和网络两种数据通信服务；ＡＩＳ设备　也是一种可选方案，但是由于ＡＩＳ设备成本高、功耗　作者简介：郑佳春（１９６５．）。男。福建永春人，副教授，主要从事通信与信息处理系统的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｃｈｚｈｅｎｇ＠ｊｍｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　维普资讯 http://www.cqvip.com

６２　中　国　航海　２００６年第４期　ＧＳＭ／ＣＤＭＡ／ＡＩＳ信号　…　：　垂　枣嚣　：　…………………………………………………．　…曼　……　………　至……　图１航标遥测遥控系统的组成框图　大，只能在必须装有ＡＩＳ的航标上使用。　芯片，蓝牙芯片之间组成一个微微网，通过这个微微　终端设备主要完成以下功能：　网来协调航标内部各个部件的工作关系，实现数据　１．采集航标数据，包括航标的工作状态、位置信　采集与控制。　息、能源信息、其他信息（如：温度、湿度、雾、风向、风　速）等信息，并进行处理；　３　无线数据传输　２．按照设置命令的要求自动实现终端的工作方　无线通信网络系统担负着无线监测中心与无线终　式配置；航标数据打包、上传；对航标设备工作状态　端之间的数据传输任务，是系统功能实现的重要环节。　进行遥控；　近年来，各种无线通讯产品和网络技术不断涌　３．自动定时检测、判断航标的工作状态、（浮标）　现，为组建航标遥测、遥控无线通讯网络提供了广阔　位置状态、能源状态，当出现异常时发出报警信息。　的选择空间。　航标遥测遥控系统的基本工作原理是利用终端　３．１无线蜂窝网　设备采集航标信息，通过无线传输系统将信息传输　ＧｓＭ，ｃＤＭＡ无线电话系统是在蜂窝无线电话网　到控制中心，控制中心通过对信息的收集、处理、存　络基础上发展起来的无线数字通讯系统。由于该系　储，由服务器送ＧＩＳ平台进行显示，同时ＧＩＳ平台还　统具有通讯质量高、容量大等特点，成为移动通讯的　可根据航标管理的需要，对航标的工作状态进行设　主干网络，其通讯范围已覆盖全国大部分地区。中　置和控制。　国移动已经建成了一个覆盖全国的ＧＰＲＳ通讯网　２数据采集技术　络，使用这个网络的通讯速率可以达到５３　ｋｂｉｔ／ｓ，使　用费低廉。中国联通已经建成了一个覆盖全国的　２．１需要采集的数据　ＣＤＭＡ通讯网络，这个网络的数据通讯速率可以达　由于航标设备类型的不同，需要采集的航标数据　到１００　ｋｂｉｔ／ｓ以上，使用费也低，但是，其目前信号覆　将不相同。例如：对于ＥＥｌ３航标灯，需要采集的数据　盖比较差。　主要有：灯质、日光值、灯泡数量、工作电压、工作电　３．２　卫星通讯　流、静态工作电压、静态工作电流、同步时间（同步　卫星通讯是随着商业化低地球轨道通信卫星的　闪）；对于雷达应答器，需要采集的数据主要有：工作　出现而发展起来的，接近覆盖全球的无线通信网络　编码、工作时间、休止时间、供电电压、工作电流等。　系统，拥有大容量、高效率的数字传输能力。目前，　２．２　采集方法　该系统正处于推广使用中。但是，卫星通讯的资费　对于航标设备数据采集的技术实现，一般采用　标准高出ＧＳＭ／ＣＤＭＡ。　有线的网络连接实现各种航标设备的数据采集和数　３．３无线局域网　据集中，通常采用ＲＳ．４８５分布式总线，这是海区推　无线局域网络技术是基于计算机通讯技术和微　荐使用的方案，技术比较成熟。也可采用无线组网　波数字调制技术发展起来的区域性通讯系统，具有　方式采集，文献介绍的是采用目前先进的“蓝牙”技　组网方式灵活，系统大小设置任意，运行经济、可靠　术…。通过在航标的每一个部件上都安装一个蓝牙　等特点，被广泛应用于中小型计算机网络系统中，但　维普资讯 http://www.cqvip.com

郑佳春：航标遥测遥控系统的关键技术研究　６３　是也存在信号覆盖问题。从长期使用角度来看，无　线局域网的运行费用有着绝对的价格优势，尤其是　通讯次数越多，无线局域网与ＧＳＭ通讯系统的运行　费用差距越大。　ＧＰＲＳ通讯技术信号覆盖范围大，网络通信比较　稳定，资费标准也低，更适用于本系统。　４航标位置漂移分析　航标位置是否漂移，从原理上讲，非常简单，只　要准确地确定航标的位置，就可判断它。常用的定　位方法是ＧＰＳ定位技术。　４．１　ＧＰＳ定位误差和数据处理　ＧＰＳ在今后相当长的一段时间内仍向全世界免　费开放，因而采用结构简单、价钱便宜的ＧＰＳ．ＯＥＭ　板，是实现航标位置实时和定时监测的理想方案。　但是，由于ＧＰＳ定位存在误差，如果直接采用ＧＰＳ　输出的数据来进行位置漂移判断，误报警率将很高，　所以采取一定的措施进行处理对整个系统的可靠性　都是非常重要的。　针对各种误差，可用各种滤波方法来消除或减　弱各种误差的影响，例如中值滤波法、算术平均滤波　法、进退递推滤波法　等。根据ＧＰＳ定位误差和海　上浮标低动态性能的特点，采用简化的卡尔曼滤波　数据处理方案进行处理。　４．２浮标位置漂移■分析　先假设ＧＰＳ无测量误差，由于浮标受潮汐、风　力、水流等的驱动，链条的长短随时变化，使浮标的　位置在以沉石位置为基点的回旋半径ｒ，范围内变　化，ｒ．由下式确定：　ｒ　＝０，８、／ｈ　一Ｈ　（１）　式（１）中：ｈ为链条全长，日为设置航标处海图　水深；Ｏ．８为链条悬弧系数　］。　ＧＰＳ接收机是安装在浮标上的，由于浮标具有　一定高度，水上浮标在有风的情况下会产生摇摆，如　图２所示。假设浮标高度为日．，倾角为０，则：ＧＰＳ　的位置将偏离航标ｒ，：　ｒ２＝Ｈｌ　ｓｉｎ０　（２）　图２浮标示意图　考虑ＧＰＳ的测量误差　和基准点的位置误差　ｒ　，则：在极限的情况下，浮标位置数据偏离基准点　的误差将为　ｒ＝／＇１＋ｒ２＋ｒ３＋ｒ４　：０．８√　十Ｈ，ｓｉｎ０＋ｒ，＋ｒ　（３）　假设某航道浮标设置位置的水深为７～８　ｍ，根　据技术标准设置浮标的链长为１５　ｍ；浮标高度５　ｍ，　最大倾角３０。，采用ＤＧＰＳ定位进行设标精度在５　１１１　以内，ＧＰＳ的Ｃ／Ａ码定位精度１５　ｍ（绝对精度），根据　式（３）计算得：ｒ＝３２．５　ｍ。　必须注意，这里我们计算时采用的是绝对精度，　而ＧＰＳ标准定位服务提供的精度是２倍的径向均方　根误差，如果转换成绝对精度，误差将Ｅ匕较大，这在　狭水道、小船航道将不能满足要求；因此，必须通过　差分的方法来提高定位精度。　５　浮标被撞击分析　在通常情况下，浮标受到潮汐、风力、水流等的　驱动，产生不规则的运动，但由于水上船舶有时会撞　击到它，造成位置偏移和损坏，因此，必须能够及时　发现浮标受撞击的事件。下面将对浮标受撞击所产　生的运动进行研究。　当浮标受到撞击时，由于受到某个方向的作用　力其运动状态将发生变化，产生该方向的速度和加　速度。要严格地分析浮标受撞击的情况相当困难，　理论上可采用船舶撞击力的动能分析方法来近似分　析和研究浮标受船舶撞击问题。　船舶撞击浮标时产生的有效撞击能量，通过水　的阻力、浮标和船舶的变形全部转化为外力做功。　对于浮标来说，船舶有效撞击能量主要由靠浮标的　变形、沉石系链的拉力、水的阻力来吸收。船舶有效　撞击能量Ｅ．．［４　７为：　１　Ｅ　＝＿二＿　Ｖ２Ｐ　（４）　式（４）中：Ｅ　～一有效撞击能量；　Ｍ——船舶质量；船舶的质量是指船舶的总质　量，可用满载排水量与载重量换算并参照港口工程　规范使用的公式进行计算，即：　ｌｏｇＡｆ＝０．１７７＋０．９９１ｏｇＤＷ　（５）　例如３　５００ｔ级船舶满载排水量（ａｆ）为：　ｌｏｇＡｆ＝０．１７７＋０．９９１ｏｇＤＷ＝　０．１７７＋０．９９×１ｏｇ３５００：３．６８５６　ａｆ＝４　８４９　ｔ　——船舶撞击浮标时的法向速度，ｍ／ｓ；　维普资讯 http://www.cqvip.com

中　国　航海　２００６年第４　ｌ０——有效动能系数，取０．７　０．８　有以下几个方面：　根据中国铁路规范进行撞击力计算：　Ｆ＝ｒ（ｖ￥ｉｎ￣）［ｗ／（ｃ１＋ｃ２）］　（６）　１．元器件能量损耗，主要原因有：电路设计不合　理、电源电路效率不高等；　式（６）中：ｒ——动能折减系数，当船只正向撞击时可　采用０．３，一般船舶与浮标正面撞击的可能性非常　２．由于网络通信协议采用竞争方式共享使用无　线信道，终端数据传送产生碰撞，造成需要重传数　据，从而增加能量消耗；　３．终端接收处理不必要的数据，这种干扰造成　无线收发模块和处理器模块消耗更多的能量；　４．终端在不需要发送数据时一直保持对无线信　小，加上考虑它们都是在水中，动能损耗比较大，一　般取０．１；　——船撞击浮标时的速度ｒｒｄｓ，按船舶进出港　情况，取值　＝５　ｒｒｄｓ；　ａ——船与浮标撞击面的夹角，口取３０￣；　——船的重量（满载排水量）；　ｃ１、ｃ２——分别为船只、浮标的弹性变形系数　（ｍ／ｔ）；　Ｆ：０．１×５　ｘ　ｌ／２×　［４８４９×９．８／（１１２０００＋１１２０００）］＝１　７２３　ｋＮ　假设浮标的重量为２　ｔ，并按刚性碰撞来计算，　则浮标因撞击产生的加速度。为：　０＝ＦＩＭ＝１７２３／（２＊９．８）＝８８　ｍ／ｓ　可见，浮标受撞击时将产生很大的加速度。　当然。浮标受撞击时产生的速度和加速度的大　小和方向除了与撞击的作用力的大小、方向有关之　外，还应考虑系链、海水的阻力，浮标变形，同时浮标　系有沉石，都会改变浮标被撞击后的运动，可见，浮　标受撞击的运动状态是比较难以准确地用模型来描　述的。因此，采用以ＧＰＳ测量浮标的速度和用一个　加速度传感器测量的浮标加速度来联合判断是一种　比较理想的方法。如图３所示，通过设计两个滑窗　来对测量的速度和加速度进行滤波处理，当浮标的　速度和加速度均超过设定的门限时，判决浮标被撞　击，发出撞击报警信息。　道的空闲侦听，过度的侦听和没有必要的侦听也会　造成终端能量的损耗　；　因此，为了实现ＲＴＵ的低功耗，必须采取以下　方法：　１．对电路进行低功耗设计，选用低功耗器件和　电路结构，设计ＲＴＵ的低功耗工作模式。此方法被　设计者经常采用；　２．终端必须具有很好的抗干扰性能；　３．设计高效的网络通信协议，减少不必要的数　据传送和侦听，此方法常被设计者忽视。　７数据服务和决策支持　遥测遥控系统的目的是为航标管理部门和航海　用户提供数据服务和决策支持。　７．１数据服务　对于视觉航标主要提供的信息有：位置信息、灯　光信息、结构信息、颜色信息。对于雷达应答器：主　要采集的数据有工作编码、工作周期、供电电压电　流、工作电压电流、工作状态等。对于雾号信息：主　要采集功率、周期、气压、能源等。对于其它附属设　备，如潮流信息气象信息等：按其传感器类型采集。　数据服务由数据服务器来完成，通过对终端采　集的实时数据分析、处理和入库，根据用户的需要输　送数据。通常数据服务器应具备下列功能：　１）实时（历史）信息处理、解析、分类、显示、查询、　统计、图形显示、报表等基础数据管理和业务管理；　２）控制ＲＴＵ终端等远程遥控和管理功能（如：　轮询、跟踪、查询、重启、工作和状态参数设置等）；　７．２决策支持　为了能对航标实时的工作状态进行正确的评　估，在收到ＲＴＵ终端采集的实时信息后，进行如下　几个方面的评估：　１）航标（浮标）位置评估：以航标表或航标动态　中的航标位置作为基准值，与根据式（３）计算的回旋　半径进行比较，在该标回旋半径内，显示位置异常，　否则，显示漂移。　维普资讯 http://www.cqvip.com

郑佳春：航　堡　暹笪墨堕笪　壁　２）航标灯工作状态评估：通过日光值、日光阀　值、工作电流和灯质综合判断。灯正常有如下两种　情　．　（１）日光值大于日光阀值，平均工作电流小，灯　不枣．　（２）Ｅｔ光值小于日光阀值，平均工作电流大，灯　亮，灯质正常。　其他情况航标灯均不正常。　３）雷达应答器工作状态评估：工作编码与设定　编码比较，不相符时显示：编码错误。工作电流、收　发机工作状态，不正常时显示：工作异常。　窒　鱼　Ｑ　硅　五　航标遥测遥控系统是航标现代化、信息化、自动　化管理的基础工程。只有建设稳定可靠的航标遥测　遥控系统，才能为航标现代化管理提供可靠的基础　信息。通过对航标遥测遥控系统的关键技术的分析　和研究，为航标遥测遥控系统的开发和应用建立理　论依据和提供技术支持。　参考　文　献　［１］张燕，李海泉，智能化航标系统的设计［Ｊ］・交通运输　耗　馘鼬　触磷　欺　：　士　圭程麦磊　化　筹　的航标遥测系统数值　一　。　５）浮标撞击评估：根据图３所示方案评估。　６）报警决策评估：根据评估结果，按照航标管　理的要求，决定是否报警，并根据报警类型，确定报　ｌ２６．　．　　．．．．、…．．　［３］　王明剑，李光福；远程航标差分定位遥测遥控系统及其　；　报，２０ｏ５，１７（１）：ｌ２５—　［４］孙利民等，无线传感器网络［Ｍ］．北京：清华大学出版　社，２００５．　，警方式，报警动作，做出各种报警。常见的报警方式　有：声、光、图示、短信、语音等。　其他因子得分函数同理。　将１１３个采样点数据值代入式（９），算出诸点各　主因子得分数，然后，在Ｆ。．Ｆ：平面上绘制点聚图，　图２为Ｆ。一，　平面点聚图。　３．不规则半日潮区；　４．规则日潮区；　５．规则半日潮区；　６．环流主导区。　５　结　语　通过对海洋环境信息中海流数据融合，采用主　。　：＿　－因子分析的统计方法将中国近海（东海、南海）划分　　、　——　—／＜　■　：：　。　为６个区域；得出的结果符合客观观测值，可以对船　舶航行起到一定的决策指导作用。　参　考　文　献　黄嘉佑．气象统计分析与预报方法［Ｍ］．北京：气象出　图２　Ｆ。一Ｆ　平面点聚图　版社，２００４．　４　根据得分数进行区划　我们主要目的不仅是要找出主因子，而且要根　陈上及．中国近海海洋水文气候区划［Ｊ］．海洋学报，　１９９５，１７（２）：１５—１９．　潘敖大，谭晓军．陆、岛气候的主因子分析［Ｊ］．气象科　：，据主因子得分数给出海洋环境要素的区划。根据上　面点聚图的聚类结果，可得出中国近海（东海、南海）　６个区域：　１．规则半日潮区；　１９９７，１７（４）：６—８．　张宝泉，刘庆东，王恺．影响环境监测人员工作因素的　主因子分析［Ｊ］．北京工业大学学报，１９９４，２０（２）：１１－１３．　徐军，姚穆．织物形态风格评价的主因子分析法［Ｊ］．纺　织高校基础科学学报。１９９８，１１（１）：１０・１２．　２．规则黑潮区；