莊新慶, 鄒緒平, 劉 衛(wèi), 應(yīng)士君
(上海海事大學(xué)商船學(xué)院,上海201306)
在航運(yùn)中,船舶通信導(dǎo)航和定位服務(wù)是船舶航行必不可少的[1],全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在船舶航行中占據(jù)著舉足輕重的作用。目前國內(nèi)外的海事院校和相關(guān)科研機(jī)構(gòu)都建設(shè)有衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室[2-3],如大連海事大學(xué)的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)國家工程研究中心有衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室,上海交通大學(xué)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航模擬器實(shí)驗(yàn)室等。隨著我國北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷完善以及正式為亞太地區(qū)提供服務(wù),目前該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于測繪、電信、水利、漁業(yè)、交通運(yùn)輸、森林防火、減災(zāi)救災(zāi)和公共安全等領(lǐng)域,產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由我國自主研制并且具備短信通信功能,這些優(yōu)點(diǎn)是其他任何導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)所不具備的,將這套系統(tǒng)應(yīng)用于航海中能為船舶的經(jīng)濟(jì)安全提供更多的保障。目前,航海院校及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在船舶導(dǎo)航中的應(yīng)用研究還處在初級(jí)階段。在北斗衛(wèi)星船舶導(dǎo)航方面急需大量的人才,在船舶駕駛中也需要懂技術(shù)更為專業(yè)的航運(yùn)人才?;谝陨峡紤],本文提出了建設(shè)現(xiàn)代北斗衛(wèi)星船舶導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室,該實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)將對(duì)北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究、學(xué)科建設(shè)、實(shí)踐創(chuàng)新、課題研究、研究生和本科生的培養(yǎng)起到重要作用。
結(jié)合我校的航運(yùn)特色和借鑒國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室建設(shè)案例,本實(shí)驗(yàn)室初步確立三項(xiàng)建設(shè)目標(biāo)[4]:
(1)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究,確保技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。結(jié)合我校特色,從基礎(chǔ)研究著手,重點(diǎn)放在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究,開展科技創(chuàng)新。為航運(yùn)專業(yè)及相關(guān)專業(yè)開設(shè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)課程,借助實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)學(xué)生能深入理解衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理和產(chǎn)品測試的方法[5-6]。
(2)完善人才管理機(jī)制,確保人才領(lǐng)先優(yōu)勢。通過實(shí)驗(yàn)室和加強(qiáng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域師資隊(duì)伍建設(shè),全面提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)隊(duì)伍的綜合素質(zhì),凝聚本專業(yè)科研力量,融合現(xiàn)有學(xué)科方向?qū)iL,形成具有船舶特色的專業(yè)方向,為學(xué)科建設(shè)提供有力支持[7]。
建立一支以骨干教師為主,學(xué)歷、職稱和年齡結(jié)構(gòu)合理,技術(shù)水平高、綜合素質(zhì)好的實(shí)驗(yàn)室隊(duì)伍,在引進(jìn)具有衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)專業(yè)背景的高學(xué)歷及實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員的同時(shí)[8],將相關(guān)的理論教師引入到實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)研究中來,加強(qiáng)對(duì)青年教師的培訓(xùn),提高青年教師的實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平和科研能力,以實(shí)驗(yàn)室建設(shè)促進(jìn)管理機(jī)制建設(shè),建立高效、可持續(xù)發(fā)展的實(shí)驗(yàn)室管理模式[9]。制定實(shí)驗(yàn)室管理制度,包括實(shí)驗(yàn)室工作條例、管理?xiàng)l例、工作人員職責(zé)、學(xué)生實(shí)驗(yàn)守則、實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備使用管理辦法等[10]。同時(shí),在保證實(shí)驗(yàn)室管理制度化、規(guī)范化的前提下,結(jié)合開設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、所需實(shí)驗(yàn)設(shè)備、專項(xiàng)課題研究內(nèi)容等方面制定實(shí)驗(yàn)室開放條例,充分利用實(shí)驗(yàn)室資源,實(shí)現(xiàn)學(xué)科間資源有效共享,為學(xué)生和教師的技能訓(xùn)練、實(shí)驗(yàn)教學(xué)及研究開發(fā)提供必要的保障[11]。
(3)加強(qiáng)科研環(huán)境建設(shè),確保條件領(lǐng)先優(yōu)勢??蒲协h(huán)境包括硬件環(huán)境、軟件環(huán)境,依托學(xué)校的資源購置了先進(jìn)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信息模擬器、定位測姿儀、北斗二代接收機(jī)開發(fā)套件等現(xiàn)代化的硬件環(huán)境;軟件方面有數(shù)仿系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、測評(píng)系統(tǒng)等配套的應(yīng)用軟件。
實(shí)驗(yàn)室可提供的研發(fā)條件:①研究軟件北斗接收機(jī)設(shè)計(jì)方法;②開發(fā)北斗接收機(jī)的相關(guān)算法;③ 開發(fā)北斗接收機(jī)導(dǎo)航解算算法;④開發(fā)北斗接收機(jī)基帶算法;⑤北斗芯片和接收機(jī)設(shè)計(jì)方法;⑥開發(fā)GPS/北斗二代多系統(tǒng)兼容接收機(jī)(抗多徑、高靈敏度、中動(dòng)態(tài)、高動(dòng)態(tài));⑦ 多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航終端測試;⑧ 研究GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理和使用方法;⑨多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)研究。
作為現(xiàn)代化的北斗衛(wèi)星船舶導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室,除了以上初步確立的目標(biāo)外,還會(huì)在后續(xù)的研究和使用中為實(shí)驗(yàn)室增加更多的功能,充分發(fā)揮本實(shí)驗(yàn)室的功能。一方面對(duì)衛(wèi)星船舶導(dǎo)航及相關(guān)領(lǐng)域的前沿技術(shù)和熱點(diǎn)應(yīng)用進(jìn)行深入研究,特別是海上搜救方面要充分利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行研究,另一方面,由于北斗衛(wèi)星船舶導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用性很強(qiáng),實(shí)驗(yàn)是教學(xué)實(shí)踐的主要形式,更要注重實(shí)驗(yàn)環(huán)境的真實(shí)性,設(shè)計(jì)綜合的實(shí)驗(yàn),以培養(yǎng)學(xué)生的整體意識(shí)[12]。
北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室建設(shè)采取模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、二次開發(fā)與實(shí)際系統(tǒng)設(shè)備相結(jié)合的原則[13],北斗二代實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)由衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬系統(tǒng)、定位測姿系統(tǒng)、北斗二代接收機(jī)開發(fā)系統(tǒng)和BD2/GPS兼容型用戶機(jī)組成??梢杂糜谘芯啃l(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)在海洋測繪與導(dǎo)航中的各種應(yīng)用,可以用于衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)知識(shí)的演示和教學(xué),可以用于衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備的研究開發(fā),也可以用于衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備的各項(xiàng)功能和性能指標(biāo)的測試[14]。
北斗二代實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的功能和性能指標(biāo)滿足以下文件要求:①《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件(ICD)》;②《衛(wèi)星系統(tǒng)與應(yīng)用系統(tǒng)(RNSS)接口控制文件(2.0版)》,衛(wèi)星導(dǎo)航定位總站 2007.02;③《GPS Interface Control Document(ICD GPS-200D)》。
北斗二代實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)可分成用于船舶航跡仿真的船舶航跡仿真系統(tǒng)和用于衛(wèi)星導(dǎo)航接收終端研制開發(fā)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的衛(wèi)星導(dǎo)航接收終端研制開發(fā)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成[15],建設(shè)方案如圖1、圖2所示。
圖1 船舶航跡仿真測試系統(tǒng)
船舶航跡仿真系統(tǒng)由射頻信號(hào)仿真系統(tǒng)、定位測姿系統(tǒng)、航跡管理主機(jī)、數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、測試評(píng)估系統(tǒng)等組成。
數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)是根據(jù)用戶的設(shè)置生成GPS L1頻點(diǎn)C/A碼和北斗二代 B1頻點(diǎn)C/A碼的觀測數(shù)據(jù)和導(dǎo)航電文,同時(shí)最多能夠生成對(duì)應(yīng)于3個(gè)天線的觀測數(shù)據(jù)和導(dǎo)航電文。數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定載體運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)或航跡管理主機(jī)發(fā)送的軌跡信息,生成對(duì)應(yīng)的仿真場景數(shù)據(jù),并通過千兆網(wǎng)發(fā)送給監(jiān)控系統(tǒng)和測試評(píng)估系統(tǒng)。
射頻信號(hào)仿真系統(tǒng)接收監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的由數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)生成的仿真場景數(shù)據(jù),負(fù)責(zé)生成能夠模擬通過實(shí)際空間傳播的疊加延遲效應(yīng)和多普勒效應(yīng)的射頻導(dǎo)航信號(hào)。射頻仿真分系統(tǒng)可同時(shí)輸出3路射頻信號(hào),分別模擬定位測姿系統(tǒng)3個(gè)接收天線所接收到的導(dǎo)航信號(hào),這三路射頻信號(hào)通過有線的方式連接到定位測姿系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的3個(gè)射頻輸入端口。
監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行控制軟件和顯示軟件,實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻信號(hào)仿真系統(tǒng)的全程控制操作,控制軟件接收數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)發(fā)送的仿真場景數(shù)據(jù),并發(fā)送給射頻信號(hào)仿真系統(tǒng);顯示軟件接收數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)發(fā)送的仿真場景數(shù)據(jù),以圖表的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)仿真場景信息的直觀展示,主要包括衛(wèi)星星座圖、用戶軌跡、用戶的三維位置、速度、加速度等用戶所關(guān)心的信息。
測試評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)行測試評(píng)估軟件,能夠接收由北斗二代接收機(jī)開發(fā)系統(tǒng)輸出的標(biāo)準(zhǔn)格式的定位解算信息及數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)發(fā)送的仿真場景數(shù)據(jù),對(duì)接收機(jī)開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測試評(píng)估。
定位測姿系統(tǒng)為具有測姿功能的衛(wèi)星導(dǎo)航終端系統(tǒng),能夠完成測姿功能。定位測姿系統(tǒng)的定位、定向和測姿結(jié)果,通過串口或者網(wǎng)絡(luò)上傳到航跡管理主機(jī)。
圖2 衛(wèi)星導(dǎo)航接收終端研制開發(fā)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
衛(wèi)星導(dǎo)航接收終端研制開發(fā)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由射頻信號(hào)仿真系統(tǒng)、數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、測試評(píng)估系統(tǒng)和用于教學(xué)的15套BD2/GPS兼容型接收機(jī)開發(fā)系統(tǒng)組成。這套系統(tǒng)可用于衛(wèi)星導(dǎo)航定位、測姿算法的研究,也可用于衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)課程的教學(xué)。用戶可以在開發(fā)板上驗(yàn)證各種算法,并對(duì)在這過程中的數(shù)據(jù)及參數(shù)進(jìn)行控制和監(jiān)視。
BD2/GPS兼容型用戶機(jī)能夠接收北斗二代衛(wèi)星播發(fā)的B1、B3頻點(diǎn)導(dǎo)航信號(hào)和GPS衛(wèi)星L1頻點(diǎn)導(dǎo)航信號(hào),完成定位解算功能,并輸出相關(guān)信息。
以上為北斗衛(wèi)星船舶導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)方案,本方案除了適用于船舶航跡仿真和接收終端研制開發(fā)教學(xué)實(shí)驗(yàn)外,還適用于北斗二代實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的研制和開發(fā),包括概述、需求和任務(wù)分析、總體方案設(shè)計(jì)、功能模塊實(shí)現(xiàn)、電磁兼容性設(shè)計(jì)、可靠性和維修性設(shè)計(jì)以及可測試性設(shè)計(jì),是北斗二代實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)的依據(jù)。
實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)三大類型[16]?,F(xiàn)以基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)作為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì),衛(wèi)星導(dǎo)航基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括:實(shí)時(shí)衛(wèi)星位置解算及結(jié)果分析,實(shí)時(shí)傳輸誤差計(jì)算與特性分析及信噪比與衛(wèi)星仰角關(guān)系,幾何精度因子(DOP)的實(shí)時(shí)計(jì)算與分析導(dǎo)航解算(接收機(jī)位置、時(shí)間)及結(jié)果分析,可視衛(wèi)星預(yù)測。
本實(shí)驗(yàn)就北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)在船舶航行中的性能進(jìn)行分析,實(shí)驗(yàn)需要在船舶上安裝北斗二代接收機(jī),進(jìn)行實(shí)測數(shù)據(jù)分析才能得出結(jié)論。要完成這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)是非常困難的,即使在航海院校有這樣的硬件條件,但也需要花費(fèi)大量的人力、物力、時(shí)間等。那么,有了現(xiàn)代的北斗二代衛(wèi)星船舶導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室,實(shí)驗(yàn)就可以進(jìn)行如下設(shè)計(jì):實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)示意圖如圖3所示。北斗二代衛(wèi)星信號(hào)及船舶航行的場景由衛(wèi)星信號(hào)模擬器完成,根據(jù)我們實(shí)驗(yàn)測試的需要由控制主機(jī)完成模擬場景的設(shè)計(jì)并控制模擬器產(chǎn)生相應(yīng)的射頻信號(hào),再由接收機(jī)接收來自模擬器的信號(hào),送入監(jiān)控、測評(píng)、數(shù)據(jù)接收系統(tǒng),監(jiān)控、測評(píng)、數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控測評(píng),可將實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)用于對(duì)產(chǎn)品的分析。
在實(shí)驗(yàn)中,評(píng)估系統(tǒng)我們采用性能評(píng)估軟件,該軟件包括系統(tǒng)配置和評(píng)估功能選項(xiàng)二個(gè)操作面板,系統(tǒng)配置包括打開串口和關(guān)閉串口兩個(gè)操作選項(xiàng);評(píng)估功能選項(xiàng)包括定位精度、測速精度、靈敏度、偽距精度、通道一致和報(bào)告六個(gè)功能模塊,可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)接收機(jī)性能指標(biāo)的評(píng)估分析。性能評(píng)估軟件能夠?qū)崟r(shí)分析處理由衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)接收機(jī)輸出的標(biāo)準(zhǔn)格式的定位解算信息及衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器輸出的仿真場景理論數(shù)據(jù),也可進(jìn)行事后的數(shù)據(jù)文件分析處理,對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測試評(píng)估。
在偽距觀測精度確定的情況下,如何使精度因子的數(shù)值盡可能減小,是提高定位精度的一個(gè)重要途徑。由于衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)以及觀測衛(wèi)星的選擇不同,所測衛(wèi)星在空間分布的幾何圖形是變化的,導(dǎo)致精度因子的數(shù)值也是變化的。在試驗(yàn)中,根據(jù)不同的要求,可選用不同的精度評(píng)價(jià)模型和相應(yīng)的精度因子,通常有平面位置精度衰減因子(HDOP)、高程精度衰減因子(VDOP)、空間位置精度衰減因子(PDOP)、接收機(jī)鐘差精度衰減因子(TDOP)、幾何精度衰減因子(GDOP)等。根據(jù)數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并得出如圖4所示的DOP值的變化圖,對(duì)下圖進(jìn)行分析可知實(shí)驗(yàn)、研究成果是否達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)。
圖3 實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)搭建示意圖
圖4 幾何精度因子(DOP)值的變化圖
目前實(shí)驗(yàn)室已基本建成,在2012年已經(jīng)通過驗(yàn)收,得到了衛(wèi)星船舶導(dǎo)航領(lǐng)域多位專家的認(rèn)可,實(shí)驗(yàn)室多采用模塊化設(shè)計(jì),在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備更新、設(shè)備維修等方面較為靈活。有力地支撐了學(xué)院的科技創(chuàng)新、專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)及畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)。積極自主開發(fā)全球船舶定位導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)技術(shù),使實(shí)驗(yàn)室發(fā)揮功能最大化、效益最大化,把先進(jìn)的北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)引入航海院校實(shí)驗(yàn)室,實(shí)現(xiàn)了教學(xué)實(shí)踐與社會(huì)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合,根據(jù)航海院校的教學(xué)要求結(jié)合工程實(shí)踐設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn),涵蓋北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的各個(gè)方面,可以很好地幫助學(xué)生理解北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本原理,提高學(xué)生在船的實(shí)際操作能力,真正做到讓學(xué)生成為懂原理懂技術(shù)的使用者。本實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)不僅能為衛(wèi)星導(dǎo)航科研機(jī)構(gòu)、航運(yùn)企業(yè)培養(yǎng)專業(yè)人才也能教師的科研、學(xué)校衛(wèi)星船舶導(dǎo)航相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供一個(gè)更好的創(chuàng)新研究平臺(tái)。
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