基于北斗衛(wèi)星的海洋調(diào)查測量監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：通信針對目前我國海洋調(diào)查測量單點作業(yè)模式的現(xiàn)狀，采用我國自主研發(fā)的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為無線信道單元，設(shè)計了基于北斗衛(wèi)星的分布式海洋調(diào)查測量監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)岸站或母船的監(jiān)控中心對一個或多個測量終端的遙測遙控，建立了船與岸、船與船之間的實時聯(lián)系，形成分布式的海洋調(diào)查測量模式，對海量調(diào)查數(shù)據(jù)的實時高效傳輸及實時調(diào)整調(diào)查測量計劃任務(wù)都具有戰(zhàn)略性的意義。
關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星；海洋調(diào)查船；監(jiān)測中心；監(jiān)測終端；嵌入式數(shù)據(jù)采集儀

0 引言
    目前執(zhí)行海洋調(diào)查測量任務(wù)的各調(diào)查測量船都是單獨作業(yè)的單點模式，各調(diào)查測量船的基本功能是調(diào)查采樣、數(shù)據(jù)采集、以及樣品和數(shù)據(jù)的初加工與存儲，待艦船返航到岸站處理中心后再將數(shù)據(jù)加工成信息產(chǎn)品并發(fā)布，不能實時與岸站、其他船只或海洋觀測手段等進(jìn)行實時數(shù)據(jù)傳輸，存在產(chǎn)品發(fā)布周期長、數(shù)據(jù)更新慢等不足。本系統(tǒng)根據(jù)調(diào)查測量船測量設(shè)備現(xiàn)狀和作業(yè)模式，分別在監(jiān)控中心和測量終端搭建硬件平臺，研制專用測控軟件，并利用北斗系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信功能在監(jiān)控中心和測量終端之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和指令交互，即將各測量終端采集的測量狀態(tài)數(shù)據(jù)按要求實時傳送至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理和分析，并可根據(jù)任務(wù)需求向各測量終端下達(dá)控制指令，以指導(dǎo)和監(jiān)控各測量終端的測量過程，從而形成在監(jiān)控中心集中控制下的多艘測量船同時進(jìn)行測量的分布式測量作業(yè)模式，達(dá)到提高測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量和測量作業(yè)效率的目的。

1 總體方案設(shè)計
    北斗衛(wèi)星是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)，信號覆蓋范圍為我國領(lǐng)土及周邊地區(qū)。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)兼具導(dǎo)航定位、短信息通信、精密授時三大功能，可全天候、全天時提供衛(wèi)星導(dǎo)航信息和短信息傳輸服務(wù)，可在我國及周邊廣大地區(qū)，為公路交通、鐵路運(yùn)輸、海上作業(yè)、水文、氣象等領(lǐng)域提供定位及數(shù)據(jù)通信服務(wù)。
    本系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、監(jiān)測終端兩部分組成。本方案研制中，繼承北斗用戶機(jī)通用技術(shù)，將用戶機(jī)劃分為天線、射頻通道、基帶數(shù)字信號處理、數(shù)據(jù)處理、電源模塊和結(jié)構(gòu)六大單元。同時針對分布式海洋調(diào)查測量的具體應(yīng)用需求，需要研制監(jiān)測中心的應(yīng)用軟件和嵌入式數(shù)據(jù)采集儀，對數(shù)據(jù)采集、分包進(jìn)行優(yōu)化處理。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

    監(jiān)測中心用于接收各監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)采集儀所上報的采集數(shù)據(jù)，并通過上層應(yīng)用軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、分析、整理、備份；同時需監(jiān)控各監(jiān)測終端的定位、通信等信息，具備通播發(fā)送、在電子海圖上跟蹤所選目標(biāo)、軌跡回放、點名定位、電子羅盤導(dǎo)航等指揮調(diào)度功能。
    嵌入式數(shù)據(jù)采集儀應(yīng)具備高分辨率彩色屏幕，大字體、高亮度，以方便操作人員對采集數(shù)據(jù)工作和設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行直觀觀察；同時內(nèi)嵌WinCE操作系統(tǒng)，具備按鍵、觸摸屏雙重輸入方式，從而使得操作簡單易用。嵌入式數(shù)據(jù)采集儀與北斗用戶機(jī)配套使用，采集儀具備多路串口，可同時接駁不同設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，采集后的數(shù)據(jù)通過北斗用戶機(jī)發(fā)送到監(jiān)測中心。
    船舶北斗監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集要求北斗用戶機(jī)具有防水、抗腐蝕、抗鹽霧強(qiáng)的特點，同時可接駁高精度GPS，將定位結(jié)果、航速、航向等采集信息通過北斗鏈路發(fā)送到監(jiān)測中心。

2 關(guān)鍵技術(shù)
2．1 監(jiān)測中心設(shè)計
    調(diào)查測量監(jiān)測中心采用北斗一號指揮型用戶機(jī)，該產(chǎn)品可同時接收3顆北斗衛(wèi)星6個波束的信號，IC卡拆卸安裝簡便快捷，具備在電子海圖上跟蹤所選目標(biāo)、軌跡回放、點名定位、電子羅盤導(dǎo)航等實用功能，操作界面美觀、簡單易用。在電池沒電的情況下可直接使用交流適配器工作，環(huán)境適應(yīng)能力滿足野外環(huán)境使用。該產(chǎn)品可選擇兩種安裝方式，如圖2所示。

2．1．1 硬件單元
    該產(chǎn)品采用“一線通”設(shè)計原理，天線與主機(jī)之間采用一根同軸電纜連接，使得安裝更加可靠、便捷。主機(jī)正面具備三星六波束指示燈，便于對用戶機(jī)系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。整機(jī)采用1U高度設(shè)計，安裝拖架后可架設(shè)到標(biāo)準(zhǔn)19寸機(jī)柜中。
2．1．2 軟件單元
    PC平臺數(shù)據(jù)采集軟件裝載到監(jiān)測中心，實現(xiàn)多個遠(yuǎn)端設(shè)備北斗通信數(shù)據(jù)接收、處理，實現(xiàn)遠(yuǎn)端設(shè)備的數(shù)據(jù)采集控制，能夠識別和處理遠(yuǎn)端設(shè)備上報的北斗、GPS位置，實現(xiàn)監(jiān)控指揮終端設(shè)備狀態(tài)等功能。PC平臺數(shù)據(jù)采集軟件采用N-TIER分層架構(gòu)設(shè)計，面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計和實現(xiàn)方法。縱向架構(gòu)層面上，軟件系統(tǒng)提供硬件解析層、數(shù)據(jù)處理層和應(yīng)用層三大層面。在每個大層面上又包含若干小層面的抽象、影射、實現(xiàn)和封裝。采用這種設(shè)計最大限度地降低軟件的耦合性，具有較高的可靠性、可維護(hù)性和可升級性，軟件的總體設(shè)計圖如圖3所示。

    其中自上而下又可以劃分為如下功能模塊：
    (1)采集數(shù)據(jù)處理模塊。能夠接收遠(yuǎn)端設(shè)備發(fā)送的北斗通信報文，實時處理和暫存接收到的采集數(shù)據(jù)，實時顯示報文接收狀態(tài)，丟失數(shù)據(jù)采集報文時應(yīng)自動控制遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)發(fā)，并按照長報文數(shù)據(jù)交換格式拼接接收到的報文，采集數(shù)據(jù)正確、完整接收到后通過交互接口存入信息存儲模塊，用于事后采集數(shù)據(jù)的分析。
    (2)北斗定位模塊。能夠接收和處理所有遠(yuǎn)端設(shè)備申請的北斗定位信息，并能通過交互接口存入信息存儲模塊，以用于后續(xù)北斗與GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行定位精度、使用性和適用性等定位系統(tǒng)應(yīng)用性分析。
    (3)GPS數(shù)據(jù)模塊。能夠接收和處理所有遠(yuǎn)端設(shè)備上報的GPS信息，并能通過交互接口存入信息存儲模塊，以用于后續(xù)北斗與GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行定位精度、使用性和適用性等定位系統(tǒng)應(yīng)用性分析。
    (4)設(shè)備狀態(tài)模塊。顯示指揮終端的北斗卡信息，實時監(jiān)控和顯示指揮終端的設(shè)備狀態(tài)。
    (5)數(shù)據(jù)存儲模塊。存儲和管理北斗定位、GPS定位和采集數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)用戶需要導(dǎo)出為TXT格式或Excel格式文件。
2．1．3 監(jiān)測中心的主要功能
    (1)實時接收下屬用戶所傳輸?shù)纳蠄髷?shù)據(jù)。能夠?qū)崟r接收數(shù)據(jù)采集中心、船舶、車輛、高精度GPS等終端用戶所上報的采集數(shù)據(jù)；自動對上報的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分類分析、匯總。
    (2)下屬用戶位置、短信息監(jiān)控。下屬用戶位置信息可在監(jiān)測中心軟件系統(tǒng)中的電子地圖上顯示跟蹤，進(jìn)行可視化動態(tài)監(jiān)控；點名定位功能(可以指定所轄下屬用戶進(jìn)行定位)；可與下屬用戶進(jìn)行短信息通信；具備地圖漫游和顯示、短信管理、軌跡回放等功能。
    (3)信息管理功能。所有信息均應(yīng)有相應(yīng)的自動管理備份功能；具備對所有存儲的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計和查詢功能。
2．2 監(jiān)測終端嵌入式數(shù)據(jù)采集儀設(shè)計
    監(jiān)測終端的船舶上統(tǒng)一配備北斗一號通信型終端、嵌入式數(shù)據(jù)采集儀及各種調(diào)測設(shè)備。北斗一號通信型終端是在保留北斗普通型用戶機(jī)全部功能的基礎(chǔ)上，針對各類無人值守數(shù)據(jù)采集站的使用特點而開發(fā)研制的一體型用戶終端。除保留北斗定位、通信等功能外，將主機(jī)內(nèi)部核心單元進(jìn)行一體化設(shè)計，大大縮小了整機(jī)體積，同時采用特種外殼對設(shè)備進(jìn)行封裝，適用于高鹽霧、高濕熱等惡劣工作環(huán)境。同時，待機(jī)功耗進(jìn)一步降低，以適應(yīng)長時間工作的需要。嵌入式數(shù)據(jù)采集儀采用多路串口，可同時接駁多種數(shù)據(jù)采集設(shè)備，內(nèi)嵌WinCE操作系統(tǒng)，可同時監(jiān)測接駁設(shè)備的工作狀態(tài)，同時配套北斗一號通信型終端，將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)測中心。如圖4所示。

2．2．1 硬件單元
    嵌入式數(shù)據(jù)采集儀顯示屏采用640×480高分辨率彩色屏幕、大字體、高亮度、操作界面簡單易用；支持3路以上串口，內(nèi)嵌WinCE操作系統(tǒng)，并且具備按鍵、觸摸屏雙重輸入方式。
    北斗一號通信型終端是在保留北斗普通型用戶機(jī)全部功能的基礎(chǔ)上，針對各類無人值守數(shù)據(jù)采集站的使用特點而開發(fā)研制的一體型用戶終端。除保留北斗定位、通信等功能外，將主機(jī)內(nèi)部核心單元進(jìn)行一體化設(shè)計，大大縮小了整機(jī)體積，同時采用特種外殼對設(shè)備進(jìn)行封裝，適用于高鹽霧、高濕熱等惡劣工作環(huán)境。同時，待機(jī)功耗進(jìn)一步降低，以適應(yīng)長時間工作的需要。
2．2．2 軟件單元
    嵌入式平臺數(shù)據(jù)采集軟件裝載到車載或數(shù)據(jù)采集儀等遠(yuǎn)端設(shè)備上，實現(xiàn)GPS位置上報；實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的分包處理，并將分好的包自動按照北斗設(shè)備的最大處理能力上報到指揮終端；實現(xiàn)北斗定位；實時檢測和顯示北斗設(shè)備狀態(tài)。嵌入式平臺數(shù)據(jù)采集軟件采用Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)，界面操作應(yīng)直觀、友好。
    嵌入式平臺數(shù)據(jù)采集軟件采用面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計和實現(xiàn)方法。從縱向上劃分為串口數(shù)據(jù)處理與解析層，數(shù)據(jù)處理層和應(yīng)用層三個層次，每個層次含有若干個小的子模塊，軟件的總體設(shè)計圖如圖5所示。

    各子功能模塊的說明如下：
    (1)串口驅(qū)動模塊。接收GPS接收機(jī)和采集器的數(shù)據(jù)，采用冗余性設(shè)計實現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)的剔除，具有并發(fā)數(shù)據(jù)處理能力。
    (2)采集數(shù)據(jù)處理。接收采集器的采集數(shù)據(jù)，按照長報文數(shù)據(jù)傳輸格式和北斗終端的通信等級自動分包采集數(shù)據(jù)，按照北斗終端的最高傳輸頻度發(fā)送指揮終端，接收指揮終端的長報文控制指令，自動根據(jù)北斗設(shè)備狀態(tài)重發(fā)、補(bǔ)發(fā)采集數(shù)據(jù)包；接收指揮終端的采集數(shù)據(jù)控制指令，實現(xiàn)上報指揮終端號碼更改、設(shè)定采集數(shù)據(jù)上報方式和頻度等采集控制。
    (3)GPS數(shù)據(jù)處理。處理串口驅(qū)動模塊提交的GPS數(shù)據(jù)，按照GPS數(shù)據(jù)傳輸格式打包GPS定位數(shù)據(jù)，符合北斗終端的服務(wù)頻度的情況下發(fā)送GPS數(shù)據(jù)。
    (4)設(shè)備狀態(tài)模塊。顯示北斗終端的用戶卡信息，實時監(jiān)控和顯示北斗終端的設(shè)備狀態(tài)。
    (5)信息存儲。實現(xiàn)大容量采集數(shù)據(jù)的實時存儲，以便于事后采集信息處理。
2．2．3 嵌入式數(shù)據(jù)采集儀主要功能
    (1)數(shù)據(jù)采集。采集氣象站、高精度GPS等數(shù)據(jù)，通過北斗鏈路轉(zhuǎn)發(fā)到海洋環(huán)境監(jiān)測中心；具備顯示屏和按鍵，可監(jiān)控所連接設(shè)備的工作狀態(tài)并可以對北斗設(shè)備進(jìn)行操作控制；可實時顯示北斗設(shè)備工作狀態(tài)；可實時顯示數(shù)據(jù)采集、傳輸工作狀態(tài)。
    (2)北斗基本功能。具備定位、短信息通信功能；具備地圖漫游和顯示、短信管理、軌跡回放等功能。
    (3)信息管理功能。所有信息均應(yīng)有相應(yīng)的自動管理備份功能；具備對所有存儲的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計和查詢功能。

3 結(jié)語
    該系統(tǒng)初步實現(xiàn)了監(jiān)測中心、監(jiān)測終端的各項功能，但由于目前“北斗”每次通信長度受限制，對于海量數(shù)據(jù)利用“北斗”進(jìn)行傳輸，完全實現(xiàn)各種測量數(shù)據(jù)的實時傳輸，還有待于“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，以進(jìn)一步完善該分布式海洋調(diào)查測量系統(tǒng)。