第1章 绪论
1.1 选题背景
港口航标是帮助引导船舶航行、定位及标示港区内碍航物的主要港口设施。航标能否正常运行，关系着船舶的安全航行乃至船员的人身安全。随着海上运输的日益繁荣以及导航、无线电通信等技术的更新，也使得各大港口对航标功能的要求也在提高，然而，目前我国大部分港口的航标管理与维护依然是传统的人工模式，也就是小型航标定期检测（如浮标）、大型航标派专人职守（如灯塔）、航标管理人员定期地人工记录航标运行状态的方式，这种较为落后的管理与维护方式，无法做到随时精确地掌握航标的运行信息，给航标管理的难度和管理增加了难度，影响了航标运行水平的进一步提高，无法满足航运业对航标功能的新要求。
目前，国际上很多大国纷纷建成了以卫星定位系统为基础的航标监测系统，然而其中绝大部分系统是基于美国军方开发的GPS卫星导航系统而研发的。但是，美国的GPS卫星导航系统，对于其他国家的商业用途是进行了一定的功能和精度限制；而且当今国际局势动荡不定，不排除美国在不远的未来会进一步限制乃至取消GPS卫星导航系统在其他国家商业中的使用，也势必会对相应的航标监测系统造成沉重打击。因此，研发一套以本国自主设计制造的卫星定位系统为基础的航标监测系统，成为了很多国家现今亟待解决的课题。而今，我国拥有自主知识产权的北斗卫星导航系统（BDS）也已成形，并且新一代的北斗二代卫星导航系统（BD2）也已初具规模，较于其它常见的卫星系统来说，北斗二代卫星导航系统拥有多个优势：
（1）支持大批量用户大规模监测、收集数据以及传输数据；
（2）在具有定位功能的同时，还支持双向通信功能，且不需其它通讯系统辅助；
（3）拥有自主知识产权，加密程度高、安全、稳定，可支持重要部门使用。 本论文也基于这样的一个背景，提出了一套基于北斗二代卫星系统的港口航标监测系统的研究方案。
1.2 北斗二代卫星定位系统概述
1.2.1 北斗一代卫星定位系统
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北斗系统是我国自主开发的卫星定位系统。我国最早于1983年就首次提出了“双星定位”这个北斗一代卫星定位系统的早期基本理论，2000年底，随着前两颗北斗一代定位卫星相继发射升空，北斗一代卫星定位系统（BD1）也正式投入运营。由于北斗一代卫星定位系统属于我国卫星导航的试验系统，利用少量卫星实现的有源定位，精度可达到100m，利用地面站进行校准后为精度可以进一步提升到20m，与当时美国的GPS系统民用版基本一致。该系统用户除了可实现自身定位，还可向外界报告自身地理坐标和发送短消息。但是由于该系统使用的是主动式定位，即用户需要向北斗卫星发送请求信号，然后由地面中心站对用户的地理坐标进行计算得出结果，再通过卫星将运算结果发送回用户端。这种定位方式要求用户所在位置最少可以观测到2颗地球同步轨道卫星，并且用户高度数据已知，所以系统用户数有一定上限。因此，虽然该系统成本较低，但因为其在定位精度、用户容量、定位的频率次数、隐蔽性等方面均受到限制，而且北斗一代不能测速，无法支持船舶计程等功能，所以北斗一代系统没有在国内外市场上引起较大反响。
1.2.2 北斗二代卫星定位系统
基于北斗一代卫星定位系统的试验经验，结合新时期我国经济社会和科技水平发展的需求，构建一个类似GPS功能的全球卫星定位系统开始提上日程，最初被称为北斗二代导航定位系统。2007年起，正式确立为北斗二代（BD2）为北斗卫星导航定位系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS），它也成为继美国GPS卫星系统和俄罗斯GLONASS卫星系统之后第3个成型的卫星导航系统。北斗与美国GPS、俄罗斯GLONASS和欧盟GALILEO均为联合国卫星导航委员会已认定的供应商。
北斗卫星定位系统在大部分功能上类似GPS系统，采用被动式定位原理，用户只要能接收到4颗卫星即可进行自主定位，系统用户数量无限；同时还继承了北斗一代系统的短消息收发等功能，在功能上超越了GPS系统。截至2015年3月31日，北斗卫星定位系统已完成17颗卫星的发射，完成了对亚太地区的覆盖，预计2020年可以实现全球覆盖。
1.3 目前航标管理的现状
1.3.1 国内现状
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航标，是几乎所有港口都需要配备的基础港口设施。然而在我国，多年以来，很多港口航标的监测、管理和维护多是靠人工完成的，效率不高、误差较大的现象经常发生，仅有部分大型港口对一些重要航标进行了智能化航标的建设。我国处于航标监测系统建设的初期阶段，面临到很多技术问题尚待解决。目前我国大部分港口使用或计划开发的航标监测系统，多是使用GPS系统与航标AIS等模块进行融合以完成监测任务。 1.3.2 国外现状
在国外，尤其是航运发展水平较高的国家，已经开始陆续有规划地对航标系统进行自动化升级，同时组建航标的信息库，建立航标数据系统，以实现航标的自动化管理。很多航运大国，如美、日、英等国，从上世纪90年代起就开始借助卫星定位和通信科技的发展，逐渐摸索并构建了航标的监测系统，为港口的安全运行提供了有力保障，该系统目前主要功能包括了监测航标灯工作状态、远程控制电源设备、故障报警等。对于各类不同功能的航标，各国也使用了不同的技术以实现监测，目前用来实现监测和遥控功能的设备包括了：遥控终端、可编程控制器等，用来进行通信的设备包括了：无线电台、蜂窝电话、卫星通信、无线通信、有线电话等，计算机和互联网技术更是被充分的应用于航标监测系统。通过这些系统的开发，很大程度上提升了当地港口管理效率，同时还节约了资源。特别是目前在美国和欧洲等国利用GPS系统构建的航标监测系统，实现了航标管理的高精度和高智能。然而，由于现在还没有相关国际组织提出航标监测的行业性的规范，而且不同国家所选取的方案和设备各不相同，精度和效果也是良莠不齐，所以并无能够参考的系统、完善的成型方案。
1.4 本文研究目的及主要内容
1.4.1 研究的目的
（l）实现港口航标的自动化管理，进一步提升港口的航行安全水平。 （2）设计一个以北斗二代卫星系统为基础的航标监测系统的方案 1.4.2 研究的主要内容
论文的主要研究内容是设计基于北斗二代的港口航标监测系统，论文各章节的主要内容如下：
第一章：绪论。本章首先对港口航标监测系统重要作用进行了简要分析，并
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对我国自主研发的北斗一代和北斗二代卫星系统进行了简要介绍，最后对当前国内外港口的航标管理现状进行了说明。
第二章：基于北斗的航标监测系统总体设计。本章首先说明了航标的作用以及目前传统的视觉航标的管理模式，针对其不足提出了航标监测系统应实现的各类功能，然后依次对系统的定位方案、通讯方案以及总体结构设计方案进行了详细分析。
第三章：基于北斗的航标监测系统软硬件设计。以系统硬件与软件作为切入点，设计了基于北斗二代卫星的航标系统的终端，包括了天气和海况信息采集模块、北斗通讯定位模块、航标信息采集与设置模块以及嵌入式软件等的设计方案。
第四章：航标监测系统中的定位精度优化。设计了基于 B/S 架构的数据处理中心管理软件。软件包括北斗通信单元、数据存储仓库、业务逻辑单元和外部接口，实现水文气象信息预测、存储、推送和航标智能化管理。
第五章：总结与展望。对全文进行了总结，并对本文的不足以及未来的研究方向进行了展望。
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第2章 基于北斗的航标监测系统总体设计
2.1 系统概述
2.1.1 航标的功能
航标，是人工设置的助航标志的简称，是设置在沿岸、狭窄水域、重要航段或危险水域附近，以特定的标志、灯光、音响或无线电信号等，提供船舶定位、避离危险、引导船舶安全航行的重要设施。其主要功能包括：
（1）指示航道。在重要航道附近的岸上或浅水区，用灯桩、立标、灯塔等设置导标、叠标等引导标志，以引导船舶航行在其导航线上。或用灯浮、立标、灯船等设置可航道的界线，以引导船舶航行在其标示的航道内；
（2）供船舶定位。供船舶定位用的航标一般为确知位置的固定航标，如灯塔、灯桩等；
（3）标示危险区。用灯浮、灯桩、立标等标示可航水域附近的危险物或危险区域的地点或范围，如沉船、暗礁、浅滩等，以指示船舶避离危险水域；
（4）其它特殊用途。如标示特定水域或特征，标示锚地、检疫地、施工区、禁区、船舶性能测定场，罗经差测定场、通航分道等。 2.1.2 视觉航标的管理模式
目前，我国很多港口航道的航标还是视觉航标。所谓视觉航标，是指观测者可以通过视觉直接观测到的助航设施，具有易分辨的颜色以及外形，并配有灯光和其它相关装置。在白天，可以利用标志的外形、颜色或顶标供船员观察；而夜晚，则利用灯光的颜色、闪烁频率和周期作为分辨特征。所以，港口的航标监测人员在检查航标时，需要检查航标的位置、形状及灯器及其电源各部件的技术性能。
大多数视觉航标的监测多数采取的是人工定期巡检、定期检修的模式。各地方的航标管理机构会设置专门的航标管理船队，定期派出日航船和夜航船，靠船员目测来检查航标灯的工作情况是否正常以及地理位置是否偏移；还要定期对标志的灯和电源的各种指标进行全方位检查。这种传统的航标管理方式有很多不足：
（1）效率不高：港口航标种类较多，且分布较广，需要检查的位置也较多，出航船舶往往需要消耗很多时间才能完成巡检任务。
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（2）可靠性差：巡检主要以人工目测来检查航标灯的工作情况是否正常以及地理位置是否偏移的方式为主，单纯依靠工作人员的巡检经验，精确度较差。
（3）无法保证实时监测：定期巡检，对于在两次巡查之间出现航标的工作异常，主管机构往往无法及时察觉和维护修理，这对日渐繁荣国内的港口的航行安全造成了一定影响。
（4）易产生安全隐患：有些港口的水文情况复杂，船舶巡查具有一定的航行危险，尤其是在夜间巡查以及恶劣天气的条件下，危险性愈发明显。
（5）成本较高：定期派出船舶及船员对港口内所有航标进行检查，消耗的人力和燃油成本较高，再加上船舶的保养支出以及船员的工资支出，总成本很高。
综上，视觉航标的管理模式具有较多弊端，已经很难适应日渐繁荣的航运业所提出的安全、高效航行的要求。因此，航标主管机构需要一个精确、及时且智能化的航标监测系统。 2.1.3 航标的智能化监测
航标监测及管理的重点是快速获得航标的各种性能指标，了解航标的工作状态并对其做针对性保养，及时维修故障，确保航标的正常运行，这就需要通讯技术和监测技术的保证，对航标进行遥测和遥控。
最近几十年来，通讯科技发展迅速，国内的通讯网络也日趋成熟，无论是海上船舶的VHF通讯还是陆地上的蓝牙或GSM等通讯科技也都获得了迅猛发展，其安全性也获得了大幅度提高。同时，微电子和互联网技术的发展，美国GPS等卫星系统提供的愈发便捷的定位，使人们获得了更安全和更多元化的监测方式。在航标监测中充分运用这些前沿的科技，并与现代的管理模式加以融合，形成了航标的智能化监测系统。
航标智能化监测系统凭借先进的通讯技术和监测技术，可以全智能、不间断地监测航标的工作状态。利用此系统，航标主管机构可以便捷地掌握航标的工作状态和其他信息，使航标装置的维修和保养变得及时和有针对性。
航标智能化监测系统，一般包含控制中心和监测终端两个部分。监控终端负责监测航标的地理坐标和灯光状态，智能监控电源的电压、电流等指标，并将航标的各项指标参数报告到控制中心。控制中心在收取到监测终端发送的监测报告
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并进行解析后，可掌握航标的活动轨迹和实时坐标，自动发送出现故障的航标信息，并通过统计航标的各项指标，自动提交各类系统报告。
航标的智能化监测，提升了航标主管机构的工作效率，提高了港口水域的航行安全水平，有助于航标的信息管理系统的建立，共享航标信息的，成为未来航道管理的发展方向。
2.2 系统的总体功能
航标监测系统的功能主要是监控标志灯器的状态指标和地理坐标，使航标主管机构能够实时了解航标的运行状态；而且，还能对航标的各种指标进行汇总和解析，为工作人员提供参考信息，同时，工作人员还可远程变更航标灯的工作状态。
整个系统的具体功能如下
（1）自主查询。工作人员可根据不同需求，利用控制中心自主查询标志灯器的各项状态指标和地理坐标，实时监测航标的运行情况。
（2）信息汇总与检索。将航标的各类信息进行汇总，并得出各类报告，支持工作人员检索和打印。
（3）状态信息获取。定期获取航标灯器的工作电流、灯质、电池电压等工作指标，与航标地理坐标一起发回控制中心，再通过分类整理，组成航标工作指标的动态数据库。
（4）系统工作记录。自动详细地汇总人员的操作记录以及系统内通讯系统的故障信息等工作情况，方便人员对其进行检索。
（5）自动报警。在监控中，如果系统发现航标发生位置变动、电池电压减弱、灯光状态异常或熄灭以及其他系统错误时，能够自动发出各类报警，并报告系统错误的类型，提醒工作人员采取相关解决措施，并通过短消息将系统的错误状态信息发到相应管理者的手机上。
（6）设定工作指标。利用控制中心设定监测终端的开机时间、发送消息的间隔时间和频率等系统指标。
（7）航标管理。记录航标的主要工作指标和保养日志，并参考航标的工作信息数据库，组成航标的详细信息数据库，统一对航标进行维护和监测。
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（8）遥控。工作人员能够根据实际情况需要，关闭航标的自动工作模式，以强制关闭或开启灯光。
（9）权限及名单管理。根据工作人员的不同分工，设置人员各自的操作权限，变更人员名单，更新人员的信息和密码，确保系统的可靠。
（10）显示航标的坐标和轨迹。利用电子海图显示主要航标的位置分布，使用航标对应的图形将航标的偏移路线及坐标点的具体参数显示出来，并不间断更新，辅助工作人员预测航标的移动方向，更准确地作出相关决策。
2.3 系统定位方案的设计
作为助航设施，航标利用其地理位置信息来实现指示航路点、航道、礁石、浅水区、禁航区和沉船等区域的功能。为了保证船舶的正常航行，应确保航标的坐标信息准确。监测航标的地理位置，是航标监测系统一个重要的功能，随着无线电定位水平的日渐提高，对航标地理位置的监测也愈发精确。
由于无线电定位技术测量便捷，而且各种天气现象对无线电定位技术的影响甚微，加上新的无线电定位技术不断更新和准确度的不断提高，使其在现有的导航和定位系统之中得到了广泛应用。在目前的应用中，常见的定位方式包括：蜂窝网无线电定位、陆基无线电导航和卫星导航系统。 2.3.1 移动通讯网络定位系统
移动通讯科技的不断更新，使得手机定位精度不断提高，也得到了大量手机用户的实际应用。在手机蜂窝网内，用户能够利用自身手机确定自己所处的地理未知，并搜索周边的相关资料。
目前，国内的主要移动运营商都已提供了各自的手机定位服务。中国移动利用GSM网络提供的定位业务（LBS），是通过其网络内基站的地理坐标，来获取手机用户的地理坐标，再依据用户提交的请求提供对应的定位相关业务。其定位的准确度与基站分布的疏密程度有关，在国内重要的城市市区内，其准确度可缩小到100m，而在一些小规模城市的市区，定位准确度能达到200m，而在郊县的准确度更能达到500m以上。不过，中国移动还能提供STK与GPS结合的定位服务，准确度能缩小到不到10m，并且能覆盖到很多GPS等卫星系统无法提供服务的位置。
中国联通的定位之星服务，则利用其CDMA网络的gpsOne定位方式，实现高
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准确度的定位。利用定位之星方式，定位准确度可缩小到50m，而且具有受环境影响小、耗时短、可实现国内漫游的特点。
人们使用蜂窝网无线电定位，利用自己手机就可以实现地理定位，而不需其他额外的装置，是一种非常便捷的选择。然而，由于现在移动的LBS的定位准确度在大部分情况下不够理想，联通的gpsOne开通的地区相对较少，而且人们利用手机进行定位时还要先向通讯管理中心发送请求，才可以获取到地理位置参数，属于被动定位，再加上定期还要给运营商缴纳服务费用，因此蜂窝网无线电定位系统并不完全适合成为航标监测系统的定位方式。 2.3.2 地面无线电定位系统
基于陆地的无线电导航系统，往往主要针对快速移动的用户，比如飞机或汽车的导航与定位，并可测量用户的坐标、运动方向、速度大小等参数。常见的基于陆地的无线电导航系统包括：罗兰C和奥米加系统。
罗兰C系统由3个陆地导航基站组成，工作频率为10万赫兹，工作范围可以达到2000公里。其定位准确度多数可达到200到300米，但是用户距离陆地基站越远，其准确度越差，而且不支持在城市中使用。奥米加系统只需要建立八个陆地基站就能够实现全球定位，但是它的导航准确度很低，误差往往可以达数千米。
综上，由于基于陆地的无线电导航系统的工作区域较小，其信号传播受天气影响较大，定位准确度较差，并且需要使用专门的装置进行接受，成本较高，也不适合成为航标监测系统的定位方式。 2.3.3 卫星定位系统
（1）GPS卫星定位系统
GPS是通过定位卫星，能够在全世界实现定位、导航功能的系统，由美国国防部研发制成，具有全方位、全天候、全时段、高精度的特点，可以为全球用户提供低成本、高精度的三维定位、测速和精确对时等服务。
GPS系统由三大部分组成：
①GPS信号接收机：负责接收卫星发送的信号，从而获取的导航与定位信息，再经过解析，完成导航与定位工作。接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。
②地面控制系统：包括注入站、主控站和监测站，主要负责汇总卫星传送回
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地面的各类信息，并完成相对距离、大气校正和卫星星历等数据的结算。
③空间部分：包括21颗工作卫星，3颗备用卫星。
GPS系统使用码分多址技术CDMA，依据调制码来分辨卫星，载波频率相同，均为L1波段1575.42MHz和L2波段1227.6MHz。GPS卫星系统采用二进制码组成的伪码来完成导航电文的发射，其伪码一共有两种，包括开放民用的C/A码和军用的P码。由于考虑到自身的国防军事部署，美国开放民用的C/A码定位精度是100米，而军用的P码定位精度则可降低到10米以内。由于GPS对民用开放的C/A码定位精确度不高，对于港内的很多狭窄航道而言，具有一定的潜在风险，因此，港口航标监测系统如果选取GPS系统将出现较大的定位误差。
（2）北斗卫星定位系统
北斗是我国自主研发的，拥有独立知识产权的定位系统。它只需要借助两个地球同步卫星的已知位置和待测站的大地高程就开完成定位，与美国的GPS或俄罗斯的GLONASS相比，北斗成本较低：利用率高达100%；卫星测轨精度对于导航定位精度没有显著影响，而且即便是国内经济不发达地区也可以对其进行开发和利用。
北斗具有和GPS系统类似的模式和结构，即包括北斗用户接收机、地面控制系统以及空间部分三大部分。北斗与美国的GPS系统的显著不同是卫星星座的空间分布，它所采用的伪随机噪声码序列和捕获方式、载波频率和码频率、导航电文的调制及编码、用户的定位解算也不同。
北斗卫星导航定位系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时的定位服务，其定位精度优于20米，定位可在一秒内完成。并且北斗用户终端具有双向数字报文通信功能，用户一次可以传送120个汉字的信息。且该系统能够完成单向和双向两种授时任务，能够提供loons单向授时和20ns双向授时的时间精度。
国际上对导航的策略观点综合起来有三个方面：一是尽可能采用星基导航系统取代陆基导航系统，以达到最大的效益成本比；二是不能依靠由他国军方控制的卫星系统来实现本国的导航；三是要稳妥切实。
北斗卫星导航定位系统用户终端与控制中心具有双向通讯功能，无需其他通
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讯系统支持，可以完成港口的航标远程监控，而GPS系统本身不具备通信能力，需要和其他通讯系统结合才能实现全长江段的远程定位与监控功能。
所以，综合以上分析，采用北斗卫星系统完成对航标的坐标等信息的监测，无论是对提升定位精度还是对提升我国国防水平，都有着较为深远的意义。
2.4 系统通讯方案的设计
随着航运业的日益繁荣，国内港口也向着大型化、深水化、多功能化的方向不断发展，港口航道的拓宽和开发也使航标的分布位置也变得越发分散。这导致了港口航标监测系统需要满足通讯距离远、覆盖范围大的要求，而常见的有线通信模式难以实现这一要求，因此只能采取无线通讯。
当前，无线通讯的技术已经很成熟，各类通信设施不断发展，也不断深入人们的生活，这也为港口航标监测系统提供了很大的选择空间。在能够实现远程监测的基础上，可供选择的解决方案包括三种：现有移动通讯网络、自建无线网络、和北斗二代系统自带的无线通讯功能。 2.4.1 现有移动通讯网络
使用现有的移动通讯网络，只需要在航标终端安装移动装置，而不需投入太多成本去建设无线网络和基站，也不需要对无线网络进行维护。航标在配备移动装置后，只需向相关运营商开通短信息业务，并定期支付该项目业务费用，通过使用该业务来完成自身的通讯任务。
目前，移动通讯网络在我国各地发展迅猛，移动通讯的普及率也不断刷新新高，其稳定性、安全性水平也不断得到提升。截至2014年，移动通讯网络在我国的普及率已达到97%以上，在东部的港口城市几乎可以达到100%，无线网络的接通率为99.72%，文字短消息接通率为96.37%，已经能够完成各类不同形式的通讯系统要求。与此同时，各大运营商还进一步推广文字短消息、语音以及数据传输等无线网络服务，各类服务的价格也不断降低，使人们能够根据自身的不同需求选择合适的服务项目，也使系统管理和维护的成本不断减少。
目前在国内市场上有三大常见的无线通讯网：GPRS，CDMA以及GSM，这三种无线通讯网络都拥有很高的普及率，除了提供语音通话的服务之外，以上三种网络还均提供文字短消息传送等数据通讯服务，不需要成立专门的传输通道，仅利
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用网络内的短消息服务中心就可以完成中继、存储和转发文字信息等功能，可以完成双向数据传输的任务。
应该承认，移动通讯网络为航标监测系统提供了一种经济而快捷的通信模式。国内的很多港口在建或者已经建成的航标监测系统，就选择了现有的通信网络（例如GSM）为系统提供通讯支持。 2.4.2 自建无线网络
自建的无线通讯网络，多数是选取VHF无线电台作为通信方式，需要配备陆地基站，并且需要在用户端配备无线电台。然而，由于VHF信号的最大发送范围有限，而且容易受到周围环境的干扰，发射距离太远的话，还需配备中继站。在无线通讯网络建成后，要向所在地的无线电委员会申请固定频率方能使用。
虽然，使用自建的无线通讯网络，用户对通讯信道具有完整支配权以及自主处理权，不需向任何部门缴纳租用费用，因而系统的运行较为自由便捷而且可靠性较高，但自建的无线网络，除需配备用户端的电台外，还需要建无线基站，建设成本很高，而且未来的运营成本也不菲。而对航标监测系统而言，由于航标分布较分散，自建无线网络势必要配备许多基站，这会使系统成本大幅度增加，未来的保养维修工作量也相应增大，性价比较差。 2.4.3 北斗二代的通讯功能
北斗一代系统中就具有的短消息通讯功能，是包括美国GPS在内的其他主流卫星导航系统都无法实现的特殊功能，也使北斗世界上第一个既能够定位、授时又能够进行短消息通讯的卫星定位系统，北斗二代卫星系统也保留了这一功能。北斗二代系统的短消息通讯能够完成用户机与用户机、用户机与地面控制中心间双向数据报文通讯，普通的用户机一次能发送36个汉字，而经申请批准后一次能够发送120个汉字或240个代码。该功能不只能进行点对点双向通讯，其提供的指挥机还能够完成一对多的数据发送，为各类服务都提供了很大便利。
指挥机在获取北斗用户机发送的短消息后，通过串口和服务器相连，使用以JAVA等编程语言编写的通讯程序对数据进行解析，再利用短信网关将其转发到其他手机，使用通讯程序还能够实现其他手机往北斗用户机传送短信。
北斗的短消息通讯与其它的卫星通讯相比，具备如下特点：
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（1）通讯字数和通讯频率的分级。按照北斗用户的级别，其用户卡的短消息通讯分成两个级别：非审核用户的通讯字数上限是每次36个汉字；经审核批准后的用户卡发送短信的时间频率是1分钟一次。
（2）北斗系统没有通讯盲区。由于北斗的通讯过程是通过向北斗卫星发射申请信号，进而完成后续通讯任务，所以在北斗卫星覆盖范围内，几乎没有通讯盲区。
（3）支持两类数据通讯编码。用户能够按照自身需求，选择北斗短消息通讯的两类数据编码，一类是国际上较为通用的BCD码方式，另一类是很多汉字通讯使用的ASCII码的方式。
综合考虑以上因素，选择北斗自带的通讯功能作为本系统的通讯方案具有较明显的可靠性和适用性。
2.5 系统的总体结构设计
目前国内大部分港口的航标监测系统多数使用的是GPS+GSM系统，其基本结构图如下：
图2.1 基于GPS+GSM的航标监测系统构造图
如图所示，航标内安装有GSM模块、GPS模块以及航标自检模块。航标的GPS模块从卫星获取到地理位置参数后，连同航标自检模块获取的航标运行状态参数一起，利用GSM模块以文字短信形式传送给地面监测中心，从而使监测中心完成对航标的实时监测。
航标终端 自检模块 状态信息 GSM模块 定位信息 GPS模块 地面监测中心 GPS卫星 13
然而，由于在以上系统中使用的GPS系统的通讯模式是单方向的，因此还需要通过GSM模块的双向通讯功能来完成信息的发送与接收。这种系统虽然结构并不复杂，但考虑到港口航标分布的区域较为广泛，而且进出港航道的水文情况也较为复杂，个别港区尚未实现GSM信号的完全覆盖，所以在这类信号盲区内的航标的运行状态就无法得到监测。
针对以上基于GPS的航标监测系统的不足，并结合我国研发建设的北斗系统支持双向通信的特点，本文设计了一套基于北斗二代的航标无线监测系统，以完成对港区所有航标的实时监测的任务。
海事主管机关
航运公司
航标信息收集终端
互联网
船舶
北斗卫星
信息处理中心
互联网
服务器端
卫星管理中心
图 2.2 航标监测系统框架图
如图所示，作为一个综合性功能平台，基于北斗二代系统的航标监测系统的功能包括了信息收集、信息管理、双向通讯和互联网开发等，其结构包括信息收集终端、信息处理中心、双向通讯链路和用户终端。
信息收集终端的功能是收集港区及周边水域的天气及海况信息，如气温、水温、大气湿度、大气能见度、流速、流向、风力和风速等，并把天气及海况信息
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连同终端的地理坐标参数、终端运行状态信息传送到信息处理中心。
信息处理中心相当于航标监测系统的管理中心，同时给用户终端和信息收集终端提供服务，它主要完成以下四项功能：
（1）获取信息收集终端传送的数据包，对数据包进行解析，分辨出不同功能的信息内容再分类存储；
（2）收集大量天气和海况信息，并依此组建数据评估和预测模型，对港口及周边水域的天气和海况进行预报；
（3）按照不同用户的要求以及相应的权限，向海事主管机关、航运相关企事业单位等用户发布天气和海况信息和航标运行信息。
（4）收取用户终端传送的航标状态变更命令，并转发到对应的信息收集终端。 双向通讯链路是信息处理中心与信息收集终端之间的信息传送渠道，它依靠北斗二代定位系统组成，与其他通讯方式需要建设陆地基站相比，其通讯模式具有明显的便捷性。
用户终端是系统和用户进行互联的端口，通过该端口可实现航标状态监测、海事监管以及天气和海况信息发布等功能。信息收集终端、用户终端与服务器端相互协调工作，确保系统安全稳定运营。 2.5.1 信息收集终端设计
浮标
天气海况信息采
集模块
电源模块
航 标 灯
北斗定位 通讯模块
航标参数采集与配置模块
图 2.3 信息收集终端设计方案
信息收集终端由天气和海况采集模块、浮标、航标参数信息采集与配置模块、北斗定位通讯模块组成，其核心为北斗定位通讯模块和航标参数采集与配置模块
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组成的功能板。信息收集终端的设计方案如图 2.2 所示。
（1）天气海况信息采集模块
天气海况信息采集模块由水文状态采集装置、天气状态采集装置和信息收集中心构成，用于收集港口及周边水域的天气和海况信息，并对信息进行整流转换。天气和海况信息采集模块能够对气温、水温、水深、风向、风速、大气湿度、气象能见度、流向、流速等多个参赛进行收集与分析。
（2）北斗定位通讯模块
迄今为止，国际上都还没有出现能够同时拥有精准定位功能与通讯功能的装置，因此北斗定位通讯模块使用了“RDS通讯模块+GNSS定位芯片”的模式。RDSS（Radio Determination Satellite System）的信息收发模块可以进行卫星定位与短消息通讯，每次能够发送120个汉字或420个BCD码，用户还能够利用本地接口对模块进行设置。但是由于该模块是“有源定位”，定位误差能达到100米，因此不能完全满足系统的精确定位要求。而GNSS（Global Navigation Satellite System）芯片的体积较小，虽然无法进行短消息通讯，但由于其定位原理是“无源定位”，所以定位误差可以降低到3米，能够弥补RDSS 模块定位误差较大的缺陷。
北斗定位通讯模块主要具有以下三项功能：
①获得航标的精准地理位置，并传送坐标到信息处理中心；
②将天气和海况信息、航标的状态参数汇总设置成特殊格式的数据包，并将数据包传送到信息处理中心；
③收取信息处理中心传送的设置命令信息，并将设置命令转发到航标参数采集与配置模块。
（3）电源模块
电源模块主要包括了电源转换电路与太阳能供电装置两大部分。太阳能供电装置包括蓄电池、电池控制器和太阳能光伏电池组。其核心为控制器和光伏电池组。
电池控制器能够对太阳能供电装置的工作过程进行控制；光伏电池主要负责将光能转换为电能，它由两块60W的太阳能电池板和两块30W的太阳能电池构成；
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蓄电池负责储藏光伏电池传送来的电能；电源转换电路负责为航标各个模块供电，确保航标安全稳定工作。航标参数采集与配置模块和北斗定位通讯模块的CPU芯片以及北斗RDSS模块全都只支持5伏直流电压，北斗GNSS芯片和整流转换芯片电压分别为3.3伏、3伏直流，因此需要靠稳压装置以及相关的电源开关转换芯片对电压进行适当转换，从而获取合适的输出电压。
（4）航标参数采集与配置模块
该模块的电路主要由驱动控制电路、参数采集电路、航标灯电路和监控CPU等构成。参数采集电路负责收集航标灯的电压状态、电流大小和灯器的工作状态等状态，再把模拟信号整流为数字信息，最终把信息传送给监控CPU。监控CPU对参数采集电路收集的状态参数进行编码，并传送到北斗定位通讯模块。同时，它还负责接收北斗定位通讯模块发来的设置指令，并采取相应指令动作，完成对灯光的闪光频率、报警参数等信息的变更。
（5）浮标
浮标是信息收集终端的基础，是监测遥控模块和天气和海况采集装置的载体。考虑到系统的硬件配置需求，浮标需具备安装便捷、防碰撞、灵活、无磁、防腐、支持大面积安装的特性。 2.5.2 双向通讯链路设计
双向通讯链路是地面的信息处理中心和信息收集终端之间的信息传输路径。以北斗二代的通讯功能为基础建立航标监测系统的双向通讯链路，北斗系统不需要在地面建立通讯基站，通讯方式简捷，即使在远离陆地地区也能实现信息处理中心和信息收集终端之间的一对多和多对一的双向通讯。
信息收集终
端（航标）
卫星通讯
卫星管理 中心
互联网
信息处理
中心
图 2.4 双向通讯链路示意图
如图2.5，双向通讯链路由卫星、互联网两个传输媒介和信息收集终端、卫星管理中心和信息处理中心三部分构成。卫星管理中心是信息收集终端与信息存储中心的信息中转站，具有以下两个特点：
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①接收和缓存信息收集终端发来的固定格式信息包，并向信息处理中心推送信息包；
②接收信息处理中心发送的信息，并推送到信息收集终端或其他接收终端。 2.5.2 信息处理中心设计
信息处理中心主要由信息处理中心软件、互联网通迅平台、机房设备和服务器组等构成，能够完成信息接收、信息预处理、信息解析、信息储存和信息转发等任务。
(1)信息处理中心软件设计
图 2.5 信息处理中心管理软件框架图
软件的结构设计如图2.4。信息处理中心软件主要有以下四部分：外部端口、业务逻辑模块、信息储存仓库和北斗二代通讯模块，其中业务逻辑模块是本软件的核心。
北斗二代通讯模块是依照《北斗导航民用分理级服务平台和外接系统之间数据传输协议（V1.2）》，基于面向多线程以及用户编程思想的设计方式。通讯模块包括信息发送模块、信息解析模块与信息接收模块，能够完成北斗二代卫星管理中心与信息处理中心之间的实时信息互联。
多元融合信息储存仓库是一个包括了航标状态信息以及港口周边水域天气和
信息发送
信息接收
信息分析
多源融合信息储存仓库 北斗二代通讯模块
海况信息分析
业务员逻辑模块 天气信息分析
航标信息管理
信息处理中心管理软件外部端口
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海况信息的资料库。该信息库将信息获取、分拣、净化和汇总等多种功能汇集于一身，并支持存储记录空间位置，具备稳定、实时、高度集成等很多优点。获取信息方式主要以信息收集技术为主，并用表单的方式进行存储和管理。多元融合信息仓库不只能够记录和存储实时的天气和海况信息，还能保存已处理信息和历史记录。
航标信息管理单元主要具备以下两个功能：①给各港区的监测系统提供航标状态参数转发功能与通讯端口，完成对航标状态参数的监测。②获取各港区监测系统发来的控制信息，再根据设定格式对信息重新组装，最后将组装好的信息打包并将其依次传送至北斗通讯模块。
（2）信息处理中心通讯平台设计
信息处理中心通讯平台是由服务器、防火墙、部分路由器和交换器依照特殊设计的网络拓扑结构构造而成。通讯平台的主要功能包括：
①为KVM远程管理系统提供接口，进行远程管理；
②为各港口的监测系统中的监测站提供网络通讯接口，确保各分监测中能够获取准确、实时的数据；
③在服务器上运行的管理软件可以利用互联网从卫星的运营服务中心采集到汇总的数据。 2.5.4 用户终端设计
海事监测与信息发布平台
天气与海 信息监况
测子系统
天气与海
况信息预测子系统
海事信息发布子系统
航标工作管理子系统
水 流 数 据 监 测
海 气水 温温监
测 度监 测
大气湿度监测
能见度监测
潮汐预测
水温预测
气温预测
能见度预测
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海况信息发布 天气信息发布 海上天气预报 航标位置信息 航标参数显示 航标位置显示 航标状态设置 航标预警处理
图 2.6 海事监控与信息发布平台
用户终端是各用户与航标监测系统进行交互的接口，由天气和海况监测子系统，天气和海况预测子系统、航标工作管理子系统和海事信息发布子系统组成海事监测与信息发布平台。
平台的整体结构如图2.6，海事监测及信息发布平台是基于模块化思想设计，每个子系统独立运行，为各自的用户提供服务。
天气和海况监测子系统为海事监管部门提供航标周边水域的水深、水温、气温、湿度、能见度等水温气象信息的实时监测服务。天气和海况预测子系统为用户提供流信息、能见度等天气和海况信息的预测服务，预测周期为周和月。航标工作管理子系统为海事监管部门提供各海域航标的位置信息、电气参数信息和航标参数的配置服务。这三个子系统全部为海事监管部门提供服务。海事信息发布子系统为渔船、海事企业等普通用户提供实时的天气和海况实时信息、天气海况的预测信息和航道附近的航标坐标信息等。
2.6 本章小结
本章首先对航标的功能和传统视觉航标的管理模式进行了简要介绍，在分析了智能化航标监测系统的功能需求后，分别对系统的定位方案以及通讯方案进行了分析和选择，并依次对信息收集终端、信息处理中心、双向通讯链路和用户终端等系统结构模块的设计进行了介绍。
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第3章 基于北斗的航标监测系统软硬件设计
第3章 基于北斗的航标监测系统软硬件设计
3.1 天气和海况信息采集模块
北斗通讯定位模块
卫星通讯
信息收集平台
海况信息采集设备 天气信息采集设备
流向 流速 水位 水温 湿度 温度 风向 风速
能见度
图 3.1 天气和海况信息采集模块设计图
天气和海况信息采集模块的功能主要是收集港区及周边水域的天气和海况信息，并把这些数据由模拟信号转换成数字信号，然后传送到北斗通信模块。天气和海况信息采集模块的设计如图所示。它由信息收集平台、天气信息采集设备和海况信息采集设备构成，能够测量海水的深度、水温、流向、流速以及空气湿度、气温等参数。
目前，国际上大部分海洋环境监管机构主要使用多普勒海流波浪探测仪作为采集海况信息的主要设备，该设备能够自由选择多个不同的测流层，还能测量和记录水位、水温、流向、流速等多种海况参数，精确度也较为理想。
天气信息的采集需要由多个传感器组成一个传感器组群来完成，包括了能见度传感器、风速风向传感器、温湿度传感器，能够测量能见度、风速、风向、湿度、温度等天气信息。
信息收集平台负责对天气信息采集设备所收集的信息进行分析处理，再将其转为数字信号格式，最后进入数据传输系统。
3.2 北斗通讯定位模块
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时钟电路 北斗一代电路 北斗二代电路 程序升级电路
MCU
STC12C5A60S2
存储器电路 复位电路 电源电路 对外接口电路
图 3.2 北斗通讯定位模块硬件设计
北斗通讯定位模块选取“GNSS定位芯片+RDSS通信模块”的组合方式，能够完成信息的接收、转发以及信息收集终端的精准定位。该模块由RDSS电路、复位电路、GNSS芯片电路、时钟电路、存储器电路、对外接口电路、电源电路以及程序升级电路组成，其硬件结构如图 3.2 所示。 3.2.1 主要元件选择
（1）处理器芯片
由于功能需要，本方案中的处理器芯片选取的是STC12C5A32S2型号的单片机。该型号单片机为单时钟/机器周期（1T）的新一代8051单片机，具有低能耗、高速、抗干扰性强等特点。其指令代码能够兼容传统8051单片机，但速度是传统单片机的9到11倍。其内部包括了2路PWM、8路高速10位A/D转换、MAX810专用复位电路，能够在强干扰环境下保持正常工作。
STC12C5A32S2单片机共有4个16位定时器，包括两个与传统8051兼容的16位定时器/计数器T0和T1，和独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器与2路PCA模块实现的2个16位定时器。单片机具有2个通用全双工异步串行口，可通过程序设置串口通信的波特率，支持通用的串行通信协议。
单片机中包括了UART串口、中央处理器（CPU）、串口2、看门狗、程序存储器（Flash）、定时/计数器、数据存储器（存储器）、SPI接口、I/O接口、PCA、A/D转换器、晶体振荡电路以及R/C振荡器等信息收集和管理中需要的所有模块。其工作温度为-40到+85℃，能够在极端恶劣的环境下运行。
（2）RDSS模块
为了保证远离海岸线的航标的信息能够正常发送，本方案选取TYMD052型
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第3章 基于北斗的航标监测系统软硬件设计
号RDSS模块作为北斗通讯定位模块的信息收发模块。本模块包括了北斗RDSS射频前端的L波段功率放大器、S波段低噪声放大器、L波段上变频和S波段下变频以及RDSS需要的时钟和基带处理部分，能够支持RDSS（Radio
Determination Satellite System）的基带与射频的设计。本模块还能够产生高稳定的频率源并综合产生50MHz时钟以及所需频点，具有操作方便、体积小、功耗低的特性。
本模块选取了收发射频芯片，它集成了接收发射频率综合器、发射通道以及接收通道，利用片机外的少量配件就能完成射频信号的发射与接收。发射通道选取直接调制的构造，能够直接解析TTL电平输入信号，调制到其所需的载波频率处，完成发射。接收通道选取两次变频的结构，先将射频信号下变频至第一中频，再利用正交混频器产生最后的正交中频信号。
模块的储存温度为-45℃～+85℃，工作温度为-20℃～+55℃，能够连续工作两万多小时，能够在海上的极端环境下完成工作。在亚太地区运行时，该模块具有短信息通讯、定位以及授时等功能，定位误差为100米，授时误差小于100纳秒，每次通讯最多能传输80字节BCD码或大小的汉字，通讯和定位的成功率都在95%以上，并且支持本地串口进行状态设置。
商用北斗SIM卡和手机SIM卡类似，也具有全球唯一编号，其编号由3字节的ASCII码组成。目前，商用北斗的通讯时间间隔为60秒，军用北斗的通讯时间间隔为1秒。
（3）GNSS 芯片
为了尽量减小定位误差，本方案选取UM220型号的GNSS（Global Navigation Satellite System）芯片作为系统的定位模块。UM220是我国拥有完全自主知识产权的一款具备高性能的双定位系统的芯片，可以同时在BD2 B1、GPS L1两个频点工作。UM220外形和GPS芯片基本一致，选取SMT焊盘，能够完成全自动化集成回流焊接和标准取放，特别符合低功耗、低成本的要求。其结构如图3.3所示。
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图3.3 UM220结构框图
UM220芯片有3个支持变更设置的串口，其默认波特率是9600bps，最高能够设置到230400bps，输入/输出信号类型为3.3V的TTL电平。该芯片的测速误差为0.1m/s，定位误差为3m，导航信息为NMEA0183格式，能够在-40℃~+85℃的环境中维持正常运行。芯片还能利用串口输出GSV、GSA、GGA、RMC、GLL等8种定位数据，使用者能够通过串口对模块的工作状态进行设置，完成定位数据的组合输出。 3.2.2 硬件电路的设计
（1）RDSS模块工作电路
UM220 RTC RF输入 2.85V SRAM RF输入匹配 UART SP1 SAW Filter RF前端 基带处理器 数字中频滤波 接口 Reset Event LDO TCXO ROM BD2/GPS FLASH CPU VCC UBAT
图3.4 RDSS模块工作电路图
本电路是由商用北斗SIM卡和RDSS模块构成。RDSS模块电源设置为5V，并与商用SIM卡的数据IO端口、复位和时钟相连，但时钟线不能太长。模块的
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第3章 基于北斗的航标监测系统软硬件设计
29和30引脚与CPU的P3.1和P3.0相连，并选取串行通信协议完成信息交互。电路原理如图3.4所示。
SIM卡电源为3.3V直流电，与通讯模块组合运行。其中，C3、C4、C5全部是纹波电容，用来消除信号内的噪声。SIM卡拥有唯一的全球编号，与通讯模块共用身份参数。RDSS模块能够为采用不同类型的SIM卡的用户提供不同的服务频度。例如，商用北斗SIM卡的服务频度为1分钟，而军用北斗SIM卡的服务频度为1秒。
（2）UM220工作电路
图3.5 北斗二代电路图
如图3.5所示，UM220芯片的电源电压为3.3V直流电，通过串口3（第39、40管脚）与CPU进行信息交互。模块的第57管脚为VBAT端口，应与3.0V电池电源的正极连接。模块的第49管脚为复位引脚，与MAX811芯片第2管脚连接，组成GNSS模块的复位电路。假如模块RST管脚的电平被降低大于5ms，则模块能够自动复位。
芯片的第2管脚为天线信号的输入端口，能够提供+2.85V的天线反馈电压。采用+2.85V供电的有源天线能够直接连接到GNSS_ANT端口。由于本方案选取的并非+2.85V有源供电天线，所以要外接3.3V直流电源。
（3）程序下载电路
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图3.6 程序下载电路图
如图3.6所示，该电路的功能是对计算机端口与CPU芯片的电平进行转换。MAX232是符合RS-232标准的单电源转换芯片，具有高集成、低能耗和低成本等特性。该电路的第11和12管脚和CPU的P3.0和P3.1连接，第13和14管脚和串口连接器的管脚3与2连接。需要留意的是，芯片的第2管脚应接5V直流电源，串口连接器的第5管脚需要接地。
（4）复位电路
图 3.7 复位电路图
如图3.7所示，CPU的P4.6管脚与复位电路连接。P4.6是CPU的第二复位引脚，它的门槛电压大概是1.33V。当P4.6引脚低于门槛电压时，CPU会处于复位状态。7805芯片的管脚1与5V电源相接，管脚2的电压大概会在4V左右，管脚3接地。电阻R1的大小为10K，R2大小为20K，通过分压会使P4.6处的电压值大概是1.33V。因此当7805的管脚2处电压大于4V时，CPU正常运行，
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第3章 基于北斗的航标监测系统软硬件设计
否则，CPU处于复位状态。
（5）电源电路
图3.8电源电路图
RS232芯片、STC12C5A60S2单片机、UM220芯片和TYMD052模块都需要接入北斗通讯定位模块的电源。其配套UM220芯片和SIM卡电压的均为3.3V，TYMD052模块电压为5V，其VBAT引脚需要3.0V电池电源。
由蓄电池与太阳能板构成的太阳能供电系统能够给航标监测模块功能板提供稳定、持续的8V直流电压电源。LM338K稳压芯片的输入端电压在7~12V范围内，输出端电压是5V，最大电流为5A。TYMD052模块的射频发射电流为3A，工作电流能够超过3.5A，采用LM338K稳压芯片可以保证电流要求。
考虑到设计需求与成本原因，选取LM1117电源稳压芯片给UM220芯片供电。LM1117是一种低压差电压调节器，能够把5V电压变换为3.3V，并且能够利用电阻调整变换比例。UM220芯片的备用电源输入端为VBAT引脚，能够支持系统暂时的低能耗供电。
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3.2.3 嵌入式软件实现
位置信息采集完成 接收串口指令完成 开始 程序初始化 是 解析数据 是 组装数据包 发送数据包 发送数据包 转发数据 否 天气信息采集完成 否 是 海况信息采集完成 组装数据包 是 组装数据包 是 组装数据包 否 电气数据采集完成 发送数据包 否 发送数据包
否 图 3.9 嵌入式软件流程图
为了满足北斗通讯模块的信息接收、信息转发以及位置数据获取的需要，嵌入式软件需要具备以下功能：
（1）接收串口1发送的参数设置命令，然后做出对应操作；
（2）采集天气和海况信息、电气数据和位置信息等参数，组装成数据包，随后发送。
该软件使用前后台程序构造，也就是在各外部中断中采集天气与海况数据以及航标参数数据，并在主程序中对信息进行组装和发送。具体来说，嵌入式软件利用定时器中断采集天气与海况数据、电气数据信息和位置信息，并在主程序中对数据包分别进行组装和发送工作；在串口1中断中接收航标设置命令，并在主程序中对命令进行解析和转发。这里，串口中断拥有最高的优先级。嵌入式软件流程如图3.9所示。
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第3章 基于北斗的航标监测系统软硬件设计
解析数据包和组装数据包是嵌入式软件的两个重要子程序。 （1）组装数据包的流程如下：
①采集数据内容的长度，并将长度转换为16进制ASCII码； ②填写对应的信息种类字段的字符数组；
③填写信息内容字段，信息内容字段的各项用逗号分隔；
④依次把代表各字段的字符数组拼接到一起，并填充0X00，补够70字节，组成发送字符数组；
⑤按照北斗通讯模块通讯申请命令的报文格式，将发送字符数组作为内容字段与其他字段拼接；
求校验和，并将结果填充到校验和为，形成通讯申请命令。 （2）解析数据包的工作流程如下：
①按照北斗通讯模块通讯命令的格式，获取通讯内容长度； ②从内容字段的第一个字节开始，获取相应长度的参数； ③按照约定的内容格式，将内容依次复制到对应字符数组中； 3.2.4 通讯报文设计
由于RDSS模块的通讯申请命令具有固定的报文格式，因此本文只对报文的内容字段进行了设计，设计了固定的格式要求。
待发送信息主要有5类，包括海况信息、天气信息、报警信息、位置信息和航标状态信息，其中报警信息报文具有最高的优先级。RDSS模块通讯申请命令内容字段的长度固定为70字节，全都用ASCII码编写。
内容字段的格式为： 信息种类
（1）“信息种类”字段：代表要发送的报文类型，其长度是1字节。其中，0x31代表海况信息，0x32代表天气信息，0x33代表位置信息，0x34代表航标状态信息，0x35代表报警信息。
（2）“信息长度”字段：代表“信息内容”字段的长度，其单位是字节，字段的长度为8bit，用16进制ASCII码编写。
（3）“填充信息”字段：如果以上三个字段的总长度低于80字节，则用0x00
信息长度 信息内容 填充信息 29
进行填充，以确保报文的总长度固定为80字节。
(4)“信息内容”字段：代表真正要发送的信息内容，字段的总长不固定。具体如下：
①海况信息
海况信息内容字段包括流向、水位、流速、水温，相邻项目之间用逗号隔开，全用ASCII码编写，规定格式是：$rate，direction，temperature，level，总长度是21字节。具体参数如表3.1所示。
表3.1 海况信息字段参数描述
参数 $ direction level rate temperature
②天气信息内容字段
天气信息内容字段包括风向、空气湿度、风速、空气温度和能见度，相邻项目之间用逗号隔开，规定格式是：$temperature，humidity，rate，direction，visibility，总长度是23字节。具体参数如表3.2所示。
表3.2 气象信息字段参数描述
参数 $ direction humidity rate temperature visibility
标识 起始符 代表流向，单位为°，数据格式为AAA 代表水位，单位为m，数据格式为AAA.A 代表流速，其单位为m/s，数据格式为AAA.AA 代表水温，单位为°C，数据格式为AAA.A， 第1个A是符号位，全1代表负，全0代表正。 标识 起始符 代表风向，单位为°，数据格式为BBB 代表空气湿度，单位为%，数据格式为BBB 代表风速，其单位为m/s，数据格式为BBB.BB 代表空气温度，其单位为°C，数据格式为BBB.B， 第1个B是符号位，全1代表负，全0代表正。 代表能见度，单位为m，数据格式为BBBBB 30
第3章 基于北斗的航标监测系统软硬件设计
③定位信息字段
定位信息字段完全采用Unicore通信协议中的BDGLL消息格式，包含经度、纬度、定位时间、有效位和校验和等。其格式为$BDGLL，Lat，N，Lon，E，time，Valid，Mode*cs，总长度为49字节。具体的参数描述如表3.3所示。
表3.3 定位消息字段参数描述
参数 BDGLL E cs N time 标识 定位系统标识 东经或西经指示；E-东经；W-西经 校验和 北纬或南纬指示；N-北纬；S-南纬 代表UTC时间，时间格式为hhmmss.sss hh-小时；mm-分钟；ss.sss-秒 代表经度字段，格式为dddmm.mmmm； 其中dd代表度；mm.mmmm代表分 代表纬度字段，格式为ddmm.mmmm； 其中dd代表度；mm.mmmm代表分 位置有效标识；V-无效；A-有效 定位模式；V-无效；A-有效 Lon Lat Valid Mode ④航标参数信息字段
航标参数信息字段包括航标灯的航标灯亮灭状态、工作电流、工作电压、蓄电池电流、蓄电池的电压，每个代表项用逗号隔开，其格式为：$Voltage1，Current1，Voltage2，Current2，flag，总长度为22字节。具体的参数描述如表3.4所示。
表3.4 航标参数信息字段参数描述
参数 $ flag Current1 Voltage1 Current2
标识 起始符 代表灯器两灭状态，全1代表亮，全0代表灭 代表工作电流，单位为A，数据格式为D.DDD 代表工作电压，其单位为V，数据格式为DD.DD 代表蓄电池电流，单位为A，数据格式为D.DDD 31
Voltage2 ⑤预警信息字段
代表蓄电池电压，其单位为V，数据格式为DD.DD 预警功能是指，如果电流电压大于设置值时，模块将发出预警信息，其格式为：WARING。随后，北斗通讯定位模块发出warning预警信息，并发送当时的航标状态信息。
3.3 航标信息采集与设置模块
程序下载电路 参数采集电路 驱动控制电路 灯器电路
MCU
STC12C5A32S2
复位电路 时钟电路 电源电路 对外接口电路
图3.10 航标信息采集与配置模块构造图
航标信息采集与设置模块拥有独立的CPU，能够与其他模块同时工作。它利用串口与北斗通讯定位模块进行数据交互。该模块包括了参数采集电路、程序下载电路、复位电路、对外接口电路、电源电路、灯器电路和驱动控制电路，具体硬件构造如图3.10所示。 3.3.1 硬件电路实现
（1）电压电流采集电路
MAX4372
Vout
A/D转换电路
RG1
RG2
SIGN
CPU
电压 输入
RSENSE
负载电路
图 3.11 电压电流检测电路设计图
电压电流采集电路的功能主要为收集航标灯器的电压、电流、蓄电池电压、
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第3章 基于北斗的航标监测系统软硬件设计
蓄电池电流、灯光闪光状态，再把以上虚拟信号变成数字信号，该电路一共需获取并记录一个状态值、两个电流值和两个电压值。电压与电流的获取是通过 MAX4372监测芯片组成的电路实现的。电压电流采集电路的原理如图 3.11 所示。
MAX4372芯片具有成本低、测量误差小等优点，而且芯片在测量输出电压时并不会影响蓄电池的接地线路，可在电池供电系统中使用。其中，Vout是电压输出端，代表期望的输出电压，通过A/D 转换电路处理，将其转为数字值再传输到CPU 内。SIGN代表Rsense电阻中电流Isense的方向，从RG2到RG1代表负，反之代表正。电流的数值可以通过运算获取，其运算公式为：
I sense=V out / R sense （3.1）
这一过程通过监测CPU内编程实现。
监测CPU利用P2.2端口监测航标灯实时的闪光情况。当灯亮时，P2.2引脚的电平为3.3~5V，取逻辑状态值为1；当灯灭时，P2.2引脚电平为0~0.5V，取逻辑状态值为0。电路原理如图3.12所示。 （2）驱动控制电路
1
航标灯电路
2
2N2907三极管
3
P2.2
CPU
P2.1
VCC
VCC5
图 3.12 驱动控制电路原理图
驱动控制电路相当于航标灯器电路的逻辑开关，能够控制灯器闪光周期和闪光状态。当三极管的管脚3是低电平时，1和2之间成为高阻态，航标灯为熄灭状态；反之，管脚1和2之间为通路，航标灯亮。单片机利用程序对P2.1端口的高低电平进行设置，从而实现对航标灯的闪光周期和闪光状态的控制。其中，2N2907是小功率PNP三极管，其工作温度为-50℃~150℃，能够在恶劣的环境下正常运行。
33
（3）存储器电路
VCC VCC
A2 A1 A0 GND
AT24C64
WP sda
VCC scl
CPU
P2.4 P2.5
图 3.13 存储器电路原理图
AT24C64为可擦除存储器ROM，能够提供8K*8bit的存储空间，时钟频率为1MHZ，能够兼容400KHZ的ⅡC总线。CPU与存储器之间的通讯协议为ⅡC协议。存储器电路原理如图3.13所示。
ⅡC作为一种多向控制总线，能够把不同种类的外设连接到一个总线上，使不同设备之间的读写速度能够得到同步。总线包括了时钟线SCL和数据线SDA，其中SCL用来同步时钟信号，SDA用来接收和发送数字信号。总线上的各种外围设备利用SDA发送的地址信号进行寻址。
如图3.13所示，单片机CPU上的P2.5与P2.4端口分别同存储器的SDL和SDA端口相连，组成ⅡC总线。因为总线上仅有一个AT24C64存储芯片，所以存储器的地址端口A0、A1和A2全部接地，此三个端口全都表示为0。嵌入式软件模拟ⅡC总线的通讯模式，实现CPU对AT24C64的字节写、字节读。
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第3章 基于北斗的航标监测系统软硬件设计
3.3.2 嵌入式软件实现 串口是否接到命令 开始 系统初始化 是 接收/解析命令 执行相应操作 是 否 电气信息采集完成 是 模数转换 发送信息到串口 否 是 闪光周期采集完毕 发送数据到串口 否 航标灯工作正常 否 故障处理 发送报警信息到串口 图 3.14 嵌入式软件流程图
嵌入式软件主要实现3个作用：
（1）定期获取蓄电池电流、蓄电池电压、工作电流、工作电压和闪光状态，对信息进行A/D转换，再传送到数据处理模块的航标信息缓冲区；
（2）获取并解算北斗通讯定位模块发送的控制指令，对数据采集终端的电气参数等信息进行设置。
（3）当监测到航标的电流、电压状态不正常时，产生报警信息，并向数据处理模块发送报警中断信号；
嵌入式软件选取前后台程序构造，即在各外部中断中采集电压电流数据、闪光周期和工作参数数据，并在主程序中完成对以上数据的发送。嵌入式软件通过定时器中断获取电压电流数据、闪光周期和工作参数数据，并在主程序中分别发送数据；在串口1中断中接收航标配置指令，并在主程序中完成命令的解算和相关操作。其中，串口中断具有最高的优先级。嵌入式软件流程如图3.14所示。
3.4 本章小结
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本章主要对航标监测系统的信息收集终端的软、硬件电路系统进行了具体设计，并分别对天气和海况信息采集设备的进行了选取与功能设计，还对北斗定位通讯模块、航标信息采集与设置单元的硬件电路设计和嵌入式程序设计以及通讯报文的格式进行了设计。
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第3章 基于北斗的航标监测系统软硬件设计
第4章 航标监测系统中的定位精度优化
4.1北斗系统工作原理及系统
北斗卫星导航系统是我国拥有独立知识产权的卫星系统，具备卫星数量少、双向通信等优点，目前已能够在整个亚太地区完成定位、导航、通信等任务；根据北斗二代系统的规划，到2020年左右，我国还将建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。北斗系统的成功开发，使我国打破了长期以来美国、俄罗斯等国在卫星导航领域的垄断，实现了中国卫星导航系统的跨越。 4.1.1北斗一代系统原理及结构
（1）北斗一代系统的工作原理
北斗一代卫星系统是由一颗在轨备用卫星（110.50E）、两颗地球静止卫星（800E和1400E）、标校系统、用户接收和中控系统等模块构成。其工作模式为：
①由中控系统同时向两颗静止卫星发送询问信息，并通过卫星转发器向覆盖区域内的所有用户转发；
②用户收发机回应其中一颗卫星的询问信息，但向两颗卫星同时发送响应信息，再通过卫星转发回中控系统；
③中控系统接收并解析用户发送的信息，再按照用户的请求内容进行对应的信息处理；
④通过解析用户请求内容，中控系统运算能够得到两个时间延迟：一是从中控系统发送询问信息，通过某静止卫星转发至用户收发机，收发机发送定位响应信息后再经同一卫星转发回中控系统的延迟时间；二是自中控系统发出询问信息，经上述同一卫星到达用户收发机，收发机发送响应信息，经另一颗卫星转发回中控系统的延迟时间。
因为两颗卫星与中控系统的空间位置均为已知的，所以根据以上两个延迟时间就能够计算出用户收发机到第一颗卫星的距离，以及收发机到两颗卫星距离的总和。同时，中控系统通过查询计算机内的数字化地形图获得用户的高程值，进而得到用户位于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。然后，以第一颗卫星为球心得到一个球面，再以两颗卫星的位置为焦点得到一个椭球面，即可解析得到用户位置的三维坐标，最后对这个坐标信息进行加密再通过出站信息将其发到用户收发机。
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（2）北斗一代系统的结构 北斗一代系统的结构如下图：
空间卫星
地面中控系统
用户收发机
图4.1 北斗一代系统的结构图
北斗一代系统的结构主要分为三部分： ①用户收发机
用户收发机的功能包括接收中控系统经卫星转发的测距询问信息，经混频和放大后注入相关内容，并由发射器向1-2颗卫星发射响应信息。其结构主要由显示器、放大和混频器、信息录入键盘、发射器和收发天线等构成。
②地面中控系统
地面中控系统是北斗一代系统的管理和控制中心，主要负责对整个系统内信息进行搜集、处理与并对各模块状态进行监控等，其结构主要包括信息处理分系统（定轨子系统和加密子系统）、时间分系统、信息收发分系统、信道监控分系统和监控分系统等。它的主要功能包括：
Ⅰ.发送标准时间信息和询问信息（也称出站信息），接收用户响应信息（也称入站信息）；
Ⅱ.获取卫星的准确坐标，并利用出站信息为用户提供卫星坐标信息； Ⅲ.为用户提供精确授时与定位服务，同时记录用户的相关参数； Ⅳ.转发用户间通讯信息或和用户通过报文通讯；
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Ⅴ.控制并监测地面设备的状态和卫星有效载荷；
Ⅵ.为新用户的收发机进行入网注册登记和性能参数检测；
Ⅶ.能够根据实际情况临时控制部分用户收发机的工作甚至关闭部分收发机；
Ⅷ.能够根据实际情况对标校机相关运行状态进行控制等，中控系统作为整个系统的中心，承担了系统内的全部运算和处理。
③空间卫星
空间卫星部分由三颗地球同步卫星构成，包括一颗备用卫星以及两颗工作卫星，主要负责完成用户收发机和中控系统之间的双向信息转发。卫星的主要载荷包括L天线与S天线（各两个波束）、变频转发器。工作卫星可以接收和完成地面中控系统发出的控制指令并完成子系统发送的测量卫星状态的指令。在工作卫星出现故障时，备用卫星能够随时代替任一颗卫星工作。 4.1.2北斗二代系统原理及结构
北斗二代系统是在已知卫星在每一时刻的位置和速度的基础上，以卫星作为空间基准点，通过用户接收设备，测定用户至卫星的距离或多普勒频移等观测量来确定用户的位置和速度。北斗卫星导航系统主要由空间部分、地面控制部分和用户接收部分组成。空间部分主要是卫星所组成的导航星座。导航卫星沿着一定的轨道运行，卫星上除了电源和收发天线之外还有专用的导航系统，其中包括导航电文的存储、高稳定频标、双频发射机等。地面控制部分的主要任务和功能是跟踪和观测空间部分卫星地运行状况，计算和编制卫星的星历、卫星时钟差等参数，并将其注入到卫星的存储器中。用户接收部分也常常被称之为北斗终端，其能够接收卫星发射的导航电文和无线电信号，由无线电信号测量出终端到卫星的距离或者是多普勒频移；根据导航电文计算出观测时刻卫星的位置和速度，结合距离和多普勒频移解算出用户的位置和速度。
4.2差分GPS定位技术
由于美国的GPS系统在对商业用途提供的定位服务存在较大的定位误差，我国以及其他很多地区都在直接获取其信号的基础上利用差分定位的方法对定位精度进行了提高，并收获了很好的效果，所以在这里首先分析GPS系统的差分定位方案。
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差分GPS定位的基本方案是：在一个经提前测量过“精确地理坐标”信息的位置（基站），用GPS的C/A码接收机收取GPS卫星的定位参数信息而获取该基站的“GPS定位坐标”，将其和“精确地理坐标”进行比较，就可以得到该基站的“GPS定位误差修正量”。再通过无线电信号将“误差修正量”发送到该基站周围所有C/A码GPS接收机，修正其接收机的定位信息。通过“差分GPS定位”，能够使C/A码接收机的定位误差降低约10倍之多。
GPS定位存在三类误差。一是每一个用户收发机都具有的卫星自身误差，例如星历误差、卫星钟误差等；二是不能被用户测量或被校正模型来计算的传播延迟误差，例如对流层误差、电离层误差等；三是各用户收发机自身的误差，例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。利用差分GPS定位，能够完全消除第一类误差，也可降低大部分第二类误差，不过这主要取决于基站和用户收发机之间的距离，第三类误差则无法消除。
差分GPS定位系统能够在一定的程度上来提升定位精度，只需一个GPS基站和一个用户收发机，采取实时或事后处理方法，就能够消除用户收发机上的公共误差（电离层和对流层误差等）。
按照差分GPS基站发送信息的不同，可以把差分GPS定位分为三种，即：伪距差分、位置差分和相位差分。这三种差分定位方法的原理是基本相同的，均是基站发送修正量，用户收发机接收修正量信息，再对自身测量结果进行修正，从而得到精确的位置信息。所不同的是，三种方法发送修正量的具体内容不一样，导致其差分定位误差也不同。 4.2.1伪距差分GPS基本原理
伪距差分GPS是现在应用最多的差分定位方法，绝大多数民用差分GPS都采取该方法。
首先，根据已知的GPS基站精确坐标与GPS卫星星历求出卫星到基站的距离，然后将此值与基站收发机用C/A码测量的伪距观测值进行对比，求差得出测距误差（也称伪距误差）。然后，基站把卫星的测距误差发送给周边地区的所有用户收发机，用户利用此测距误差来校正自身测量的伪距。最后，用户利用改正后的伪距解算出自身地理坐标，从而消除掉大部分公共误差。
伪距差分GPS方法可以基本消除卫星误差和信号传播误差，但随着用户到
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基站距离的增加又出现了系统误差，这种误差用任何差分方法都是不能消除的。因此，用户和基站之间的距离很大程度上决定了误差大小。 4.2.2位置差分GPS基本原理
位置差分GPS是一种最基本的差分定位方法，几乎所有GPS收发机都能使用此类差分方法。基站上的GPS收发机通过对4颗卫星进行观测，就能够进行三维定位，并测算出基站的位置信息。但是因为卫星误差、卫星传播误差以及收发机自身误差等影响，测算出的位置与基站的已知位置是有误差的。基站将两者对比后的误差修正量发送到周边所有用户的收发机，使用户能够对其自身的坐标进行修正。
通过位置差分方法，用户修正后得到的位置信息已经消除了基站和用户之间的公共误差，例如大气影响、SA影响和卫星轨道误差等，降低了定位误差。然而，采用这一方法的基础条件是基站和用户要观测的是同样的4颗卫星，因此位置差GPS定位多数只用在用户与基站间距在100海里内的情况。 4.2.3载波相位差分原理
测地型收发机利用GPS卫星载波相位对静态基线进行测量获得了很高的精度。但为了可靠地求解出相位模糊度，要求静止观测一两个小时或更长时间。这样就限制了在工程作业中的应用。于是探求快速测量的方法应运而生。例如，采用整周模糊度快速逼近技术（FARA）使基线观测时间缩短到5分钟，采用准动态（stop and go），往返重复设站（re-occupation）和动态（kinematic）来提高GPS作业效率。这些技术的应用对推动精密GPS测量起了促进作用。但是，上述这些作业方式都是事后进行数据处理，不能实时提交成果和实时评定成果质量，很难避免出现事后检查不合格造成的返工现象。
差分GPS的出现，能实时给定载体的位置，精度为米级，满足了引航、水下测量等工程的要求。位置差分、伪距差分、伪距差分相位平滑等技术已成功地用于各种作业中。随之而来的是更加精密的测量技术一载波相位差分技术。
载波相位差分技术又称为RTK技术（real time kinematic），是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。
与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信
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息一同传送给用户站。用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出厘米级的定位结果。实现载波相位差分GPS的方法分为两类：修正法和差分法。前者与伪距差分相同，基准站将载波相位修正量发送给用户站，以改正其载波相位，然后求解坐标。后者将基准站采集的载波相位发送给用户台进行求差解算坐标。前者为准RTK技术，后者为真正的RTK技术。
4.3北斗二代系统的定位误差
2007年，我国正式提出北斗二代卫星导航系统的方案，提供了一种新的导航定位选择方案，一方面能够打破目前美国GPS系统在民用市场上的垄断地位，另一方面也使我国国防科技水平上升了一个新的台阶。
北斗二代卫星是通过观测一组卫星的星历表、信号发送时刻、伪距离等参数来对用户进行精确定位。因为用户钟差无法获知，所以要测得用户的三维坐标，至少要对4颗及以上卫星进行测量。与GPS系统类似，在北斗定位中，也存在着三类误差。一是卫星自身具有的误差，包括卫星钟误差、星历误差等；二是卫星传播过程中产生的误差，包括电离层误差、对流层误差，多径效应等；三是用户收发机自身的误差，包括内部噪声、通道延迟、接收天线电气相位中心误差等。
通常来说，使用北斗二代系统的伪距信息进行无源自主定位，误差可以控制在10米以内，但是对于港口内很多狭窄航道的航标的定位要求来说，依然存在一定的不适应性。
4.4北斗二代系统差分定位方法
与GPS系统类似，北斗二代系统也能够利用差分定位方法提高定位精度，其主要方式有两种：伪距单点定位算法与载波相位测量法。
北斗二代卫星支持下的伪卫星技术借鉴了GPS导航定位的原理。在地面上合理布置伪卫星站，位置提前精确测定。用户收发机同时接收北斗信息和伪卫星信息，实现快速精密定位。当设置两颗及两颗以上伪卫星时，就同北斗卫星一起形成了类似于GPS的四星定位系统。收发机同时测定至4颗卫星（伪卫星）的距离，方法是测量卫星发射电波至收发机接收到电波的时间差，乘以光速c求得距离。
合理设置几个伪卫星基站，可以将其中一颗伪卫星作为差分基准站，组成差分定位。利用已知的差分基准站精密坐标计算出差分伪卫星站到卫星的距离，与
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观测伪距比较得到改正数，并将这一改正数实时发送出去。用户收发机利用接收的伪距改正数，对各个卫星的伪距观测量进行改正。再利用改正过的伪距进行定位计算，求解出精确的用户收发机的位置。由于这种改正能将公共误差抵消，例如卫星时钟偏差、星历误差、电离层误差、对流层误差等，从而大大提高定位精度。
伪卫星方案同GPS导航定位的原理相似，下面借鉴GPS解算方法，对用伪距观测值单点定位算法及差分法和载波相位技术等来进一步提高精度的算法进行详细分析。
4.4.1伪距单点定位算法
伪距与用户收发机的坐标值（x，y，z）之间的函数关系式如下：
222ρi（x-xi）-（y-yi）（z-zi）ctr-cts （4.1）
上式中，ρi为第i颗卫星的伪距值；ts与（xi，yi，zi）分别为第i颗卫星的钟差与坐标，都能过从卫星的导航电文中获取，是已知数。tr和（x，y，z）为钟差和用户收发机的坐标，是未知数。
因为用户收发机初始设置的大概坐标（x0,y0,z0）的精确度较差，所以在对方程实现线性化时消去高阶项将产生线性化误差，而且，本系统解算卫星坐标值时采用的时间的误差也较大，以上情况都将在未知数的解算过程中产生误差。而采用迭代法，也就是在得到第一次解后，用它作为近似值再重新解算，能够消除大部分误差，求出未知数阵X的近似精确值。而且，这种迭代过程收敛很快，一般迭代两次就能够解算出较精确的数值。如果能够测得四颗以上卫星，还可以利用最小二乘原理进行未知数解算。可组成的误差方程如下：
vexxeyyezzblj,j1,2,...,n （4.2）
也可以写成：
VAXL （4.3）
利用最小二乘原理VTVmin，组成方程为：
TTAAXAL （4.4）
能够解算得到未知数：
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X(ATA)ATL （4.5）
4.4.2载波相位测量定位算法
伪随机码测距，其测量误差大约是一码元宽度的1/100。载波相位测量的观测量是收发机所接收的卫星载波信息与本振参考信息的相位差，从而测定卫星载波信息在传播路程上的相位变化值，以确定信息传播的距离。不使用码信息，误差不受码控制的影响。
载波相位测量是卫星S发出一个载波信息，在任一时刻t其在卫星S处的相位为s，而此时经距离传播到收发机K处的信息，其相位为k，则有S至K的相位变化为（sk），其中包括了整周数和不足一周的小数部分。为方便计算，载波相位均以周数为单位。如果能测定（sk），则卫星S至收发机K的距离即为：
1(s-k)（N0） （4.6）
以上公式内：
N0代表载波相位的（时刻t）整周数部分；
代表不足一周的小数部分；
代表载波的波长，是已知数
载波测量相位示意图如下图所示
图4.2 载波测量相位示意图
载波相位测量需要连续跟踪卫星，通过中频信号测定接收机K在tj时刻的基准信号与接收机收到的载波信号的相位差。
静态定位中整周模糊度的求解已得到了很好的解决。动态定位中，整周跳变的探测和修复要困难些，可以利用接收机收到的多种观测信息之间的相互关系来解决。目前主要有下列方法：
（l）利用载波相位及其变化率的多项式拟合来探测、修复周跳；
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（2）伪距和载波相位观测值组合法； （3）载波相位差分法。
4.5本章小结
本章在对现有的GPS差分技术进行分析的基础之上，结合北斗二代系统和GPS定位系统之间的区别，提出了一种适合北斗导航系统的差分定位技术，通过基于北斗卫星和伪卫星组合导航定位的原理和算法，并实现了算法中的地心直角坐标系和大地坐标系之间的相互转换，通过差分定位提高精度。其中伪距单点定位和伪距差分定位结果良好，与相应硬件结合即可实现定位。而载波相位测量方法测量值复杂，加上北斗卫星信号资料的缺乏，难以建模设定初始值，没有进行数据仿真。
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