徐風(fēng)云，萬(wàn)隆君，徐軼群，蔡亞軍，方 超

（集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門 361000）

0 引言

由于遠(yuǎn)洋航海船舶與船舶、船舶與岸基之間通信距離較遠(yuǎn)，影響因素多，困難多。在航海領(lǐng)域上，目前遠(yuǎn)洋航海大多數(shù)依賴于海事衛(wèi)星、美國(guó)全球定位系統(tǒng)作為通信主要手段。文獻(xiàn)[1]以國(guó)際海事衛(wèi)星通信海事寬帶系統(tǒng)作為通信系統(tǒng)，盡管海事衛(wèi)星系統(tǒng)使用的L波段獨(dú)有的特性，L波段終端因其天線波束較寬可以迅速地尋星和對(duì)星。但是它的通信費(fèi)用昂貴，使許多用戶望而卻步。文獻(xiàn)[2]以美國(guó)全球定位系統(tǒng)作為通信手段，GPS具有全天候、不易受任何天氣的影響、全球覆蓋率高和三維定點(diǎn)定速定時(shí)高精度等特點(diǎn)，但是缺少短報(bào)文通信，而且通信技術(shù)需要掌握在本國(guó)手中，尤其是在軍事上，應(yīng)積極避免采用他國(guó)衛(wèi)星技術(shù)作為通信方式。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用不僅廣泛，而且成本低，是目前我國(guó)作為自主研發(fā)可利用的最好的海洋通信方式。其短報(bào)文通信功能，為遠(yuǎn)洋數(shù)據(jù)的傳輸提供了更加便利的信道[3-4]。為此，本文提出了利用北斗的短報(bào)文通信以及定位功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人船艇的數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)測(cè)。

無(wú)人機(jī)、無(wú)人自主航行器以及無(wú)人船艇隨著智能化發(fā)展也逐漸成為研究熱點(diǎn)。無(wú)人船艇是一種依托船舶，可裝載定位、導(dǎo)航以及控制設(shè)備新型的搭載平臺(tái)，并且搭載多種海洋傳感器，監(jiān)測(cè)各類數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)各種海洋任務(wù)[5-6]。

在無(wú)人船艇上采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)的短報(bào)文通信功能的通信功能，實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇定位功能以及無(wú)人船艇數(shù)據(jù)的傳輸。使水面無(wú)人船艇的工作范圍從近海域擴(kuò)展到遠(yuǎn)洋，實(shí)現(xiàn)岸基對(duì)無(wú)人船艇自身參數(shù)以及在遠(yuǎn)洋上對(duì)其工作范圍內(nèi)的海洋環(huán)境、水面情況的監(jiān)測(cè)[7-10]。本論文提出了一種利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)，開發(fā)無(wú)人船艇數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)方案。此方案便捷高效，可在各級(jí)別水面無(wú)人船艇上使用。通過(guò)現(xiàn)有的無(wú)人船艇數(shù)據(jù)采集技術(shù)，加載北斗衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)，開發(fā)船載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置，岸基人機(jī)交互界面。本文將我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的通信技術(shù)，應(yīng)用于無(wú)人船艇的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，為無(wú)人船艇的數(shù)據(jù)傳輸提供了一種高效便捷的方式，同時(shí)對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的民用以及商業(yè)推廣有著重要意義。

1 北斗短報(bào)文相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介及系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 短報(bào)文雙向通信功能流程

短報(bào)文通信功能是我國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比的特有功能，用戶和用戶、用戶和中心控制系統(tǒng)之間可以進(jìn)行短報(bào)文的雙向通信，這就使北斗系統(tǒng)不需要依賴其他通信系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)位置信息的傳送，方便指揮中心對(duì)用戶的監(jiān)控與調(diào)度。每個(gè)用戶終端都有一個(gè)用戶號(hào)，這個(gè)用戶號(hào)是唯一的。通過(guò)這個(gè)唯一的用戶號(hào)，經(jīng)過(guò)地面中心站轉(zhuǎn)發(fā)的短報(bào)文都能被識(shí)別身份，其工作流程如下。

（1）發(fā)送的信息內(nèi)容和接收方賬號(hào)的申請(qǐng)信號(hào)會(huì)被加密。加密后的信號(hào)通過(guò)衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)，到達(dá)地面中心站。

（2）通信申請(qǐng)信號(hào)發(fā)送到地面中心站后，將信號(hào)解密后再加密，經(jīng)衛(wèi)星廣播給用戶。

（3）接收方用戶終端收到衛(wèi)星廣播的電文后，經(jīng)過(guò)解調(diào)、解密，獲得消息內(nèi)容，完成一次通信[4]。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延約為0.5秒，通信最高頻度是1秒1次，工作流程圖如圖1所示。

圖1 北斗系統(tǒng)的短報(bào)文工作流程圖Fig.1 Short message flow chart of Beidou system

1.2 系統(tǒng)功能分析

本文研究的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)終端是為航海用戶所用，再結(jié)合航海用戶會(huì)遇到的特殊情況，確定設(shè)計(jì)終端要實(shí)現(xiàn)的功能[11]。本設(shè)計(jì)主要分為船載轉(zhuǎn)發(fā)裝置和岸基顯示界面，兩部分的功能分析如下。

船載轉(zhuǎn)發(fā)裝置功能：

（1）實(shí)時(shí)提取船載用戶的位置數(shù)據(jù)，并儲(chǔ)存到相應(yīng)的存儲(chǔ)單元，在岸基用戶的申請(qǐng)指令下，進(jìn)行打包處理，返回定位數(shù)據(jù)；

（2）能將無(wú)人船艇的參數(shù)按北斗短報(bào)文格式處理打包封裝，在岸基用戶的申請(qǐng)下，返回短報(bào)文數(shù)據(jù)。

岸基軟件界面功能：

（1）向船載接收機(jī)發(fā)送申請(qǐng)指令；

（2）按北斗協(xié)議格式4.0和自定義的數(shù)據(jù)格式解析船載返回的數(shù)據(jù)包；

（3）在設(shè)計(jì)好的軟件界面顯示所需的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

1.3 總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無(wú)人船艇數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要分為船載硬件和岸基軟件兩部分，如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Design overall structure

1.4 總體設(shè)計(jì)工作流程

總體設(shè)計(jì)工作流程分為兩部分，如圖3所示。

整個(gè)設(shè)計(jì)的工作流程分為船載和岸基兩個(gè)部分，兩個(gè)部分的工作流程如下。

（1）船載硬件工作流程

控制器模塊接收北斗定位模塊的實(shí)時(shí)定位信息，實(shí)時(shí)儲(chǔ)存就近十條定位數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以北斗定位協(xié)議格式進(jìn)行處理；

接收無(wú)人船艇數(shù)據(jù)采集信息，并以短報(bào)文協(xié)議格式進(jìn)行處理；

在船載北斗收發(fā)天線得到岸基申請(qǐng)指令時(shí)，判斷要返回的是定位數(shù)據(jù)還是短報(bào)文數(shù)據(jù)，并根據(jù)需求，返回實(shí)時(shí)處理好的數(shù)據(jù)包。

圖3 整體設(shè)計(jì)工作流程圖Fig.3 Flow chart of overall design

（2）岸基軟件工作流程

界面分別設(shè)計(jì)定位和短報(bào)文申請(qǐng)觸控按鍵，點(diǎn)擊該按鍵可通過(guò)串口向岸基北斗收發(fā)天線發(fā)送申請(qǐng)指令，并由該天線通過(guò)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)向船載發(fā)送申請(qǐng)指令；

解析船載返回的數(shù)據(jù)包，按自定義的協(xié)議格式解析該數(shù)據(jù)包，并將用戶所需數(shù)據(jù)顯示在開發(fā)的交互界面上。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的船載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置主要有控制器模塊、北斗定位模塊、無(wú)人船艇參數(shù)傳輸模塊、RS232通信接口模塊以及北斗通信模塊幾部分組成。該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置基本原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 船載轉(zhuǎn)發(fā)裝置原理結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Schematic diagram of ship's transponder

控制器模塊：負(fù)責(zé)處理北斗用戶機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的申請(qǐng)，判斷應(yīng)返回的是定位數(shù)據(jù)還是無(wú)人船艇參數(shù)數(shù)據(jù)；對(duì)北斗定位信息、無(wú)人船艇參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，采用相應(yīng)的報(bào)文編碼方式編寫報(bào)文，再將處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給北斗用戶機(jī)。

北斗導(dǎo)航/定位模塊：接收MCU的申請(qǐng)指令，通過(guò)串口控制的方式向控制器模塊提供實(shí)時(shí)定位信息和航行基本數(shù)據(jù)。定位信息包含無(wú)人船艇的實(shí)時(shí)經(jīng)緯度、定位時(shí)間、地面高程和用戶高程；航行基本數(shù)據(jù)包括無(wú)人船艇的航向、航速等基本信息。

無(wú)人船艇參數(shù)傳輸模塊：在得到控制器的申請(qǐng)指令下，將無(wú)人船艇參數(shù)通過(guò)串口通信傳輸給控制器，該參數(shù)包括無(wú)人船艇的排水量、吃水線、橫傾角、縱傾角、航向等。

北斗通信模塊：負(fù)責(zé)接收岸基傳輸來(lái)的申請(qǐng)指令，發(fā)送控制器打包處理完成的返回?cái)?shù)據(jù)。

RS232通信接口模塊：負(fù)責(zé)各個(gè)模塊之間的連接，接收和傳輸各模塊之間的數(shù)據(jù)信號(hào)。

2.1 控制器模塊

圖5 無(wú)人船艇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置主控制器引腳連接圖Fig.5 Main controller pin connection diagram of unmanned vesselsBased transponder

控制器選擇STM32F103VET6為主控制芯片，它是ST公司推出的基于ARM Cortex-M3的STM32系列處理器，同單片機(jī)系列相比較，該芯片具有性能高、功耗小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。該芯片與其他32位微處理器比較，成本較低，但又能實(shí)現(xiàn)其他處理器所能實(shí)現(xiàn)的大多數(shù)功能，并且后期維護(hù)升級(jí)簡(jiǎn)單[13]。無(wú)人船艇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置的主控制器與各個(gè)模塊的接口引腳如圖5所示。

本設(shè)計(jì)使用STM32的串口2（UART2）通過(guò)SP3232連接UM220模塊來(lái)進(jìn)行北斗信息的接收和設(shè)置；使用STM32的串口3（UART3）來(lái)進(jìn)行模擬報(bào)文數(shù)據(jù)的接收和處理；使用串口5（UART5）來(lái)連接北斗用戶機(jī)天線模塊，進(jìn)行天線數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。三個(gè)串口在STM32的控制下同時(shí)工作，相互協(xié)調(diào)。作為船載端，進(jìn)行北斗報(bào)文申請(qǐng)的接收和判斷，采集無(wú)人船艇信息并處理，提取北斗衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，并做綜合處理后返回岸基用戶端。

2.2 北斗定位模塊

根據(jù)設(shè)計(jì)思路和功能需求，又參考了各個(gè)模塊相關(guān)參數(shù)、通信格式協(xié)議等方面的因素，本模塊選擇了和芯星通生產(chǎn)的UM220III-N系列北斗導(dǎo)航/定位芯片作為該設(shè)計(jì)的北斗定位模塊。該芯片具有高性價(jià)比，抗干擾，能在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定精確的定位等優(yōu)勢(shì)，具有出色的導(dǎo)航，定位功能，既可以支持單系統(tǒng)定位，又可以支持雙系統(tǒng)聯(lián)合定位，并且支持A-GNSS和D-GNSS[14-15]。SMD表貼封裝，方便批量生產(chǎn)。UM220III-N電路圖如圖6所示。

圖6 UM220模塊電路圖Fig.6 UM220 module circuit diagram

2.3 無(wú)人船艇參數(shù)傳輸模塊

該模塊連接相應(yīng)的無(wú)人船艇數(shù)據(jù)采集模塊，故設(shè)計(jì)串口通信接口，進(jìn)行無(wú)人船艇參數(shù)采集模擬。本設(shè)計(jì)中使用STM32的串口3來(lái)進(jìn)行模擬報(bào)文數(shù)據(jù)的接收和處理，電路連接上，將STM32的PB10和PB11引腳作為數(shù)據(jù)的輸出輸入接口。如圖7所示。

2.4 北斗通信模塊

北斗天線模塊采用的是三模一體用戶機(jī)，該一體機(jī)內(nèi)部集成RDSS模塊、RDSS B1/GPS L1模塊、天線等，該三模一體機(jī)能夠?qū)崟r(shí)地接收B1/L1衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)現(xiàn)北斗定位以及北斗短報(bào)文通訊。它具有很高的集成度、體積小、功耗低、連接簡(jiǎn)單、操作方便，非常適應(yīng)于船艇導(dǎo)航、位置上報(bào)及短報(bào)文通信等大規(guī)模應(yīng)用[12]。如圖8所示。

圖7 無(wú)人船艇參數(shù)傳輸模塊電路連接圖Fig.7 Circuit connection diagram of unmanned vesselsBased Parameter

2.5 RS232通信接口模塊

RS-232是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA(Elec?tronic Industry Associa?tion)制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫，232 為標(biāo)識(shí)號(hào)[16]。RS232模塊采用SP3232芯片，其電路圖如圖9所示。

圖8 北斗三模一體機(jī)Fig.8 Beidou satellite three-mode one

圖9 模塊電路圖Fig.9 RS232 Module circuit diagram

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 船載端無(wú)人船艇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的開發(fā)工具選擇了Keil MDK，Keil MDK通過(guò)uVision4強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境將C編譯器、庫(kù)管理、宏匯編、鏈接器和仿真調(diào)試器在內(nèi)的完整開發(fā)方案等功能組合在一起。

該船載端無(wú)人船艇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置程序主要通過(guò)以下幾個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)功能：北斗通信模塊子系統(tǒng)、UM220北斗定位模塊子系統(tǒng)、無(wú)人船艇數(shù)據(jù)采集模塊子系統(tǒng)等幾部分。首先對(duì)北斗定位模塊、STM32串口和北斗通信模塊初始化。對(duì)北斗通信模塊的串口初始化設(shè)置之后，UM220定位模塊開始實(shí)時(shí)獲取無(wú)人船艇定位數(shù)據(jù)并由串口傳輸至控制器模塊，控制器模塊接收數(shù)據(jù)并放入隊(duì)列等待被讀??；控制器模塊接收實(shí)時(shí)無(wú)人船艇數(shù)據(jù)，按照北斗電文協(xié)議格式做數(shù)據(jù)處理，根據(jù)申請(qǐng)類型，向北斗天線用戶模塊返回報(bào)文。為了達(dá)到以上功能的實(shí)現(xiàn)，采用C語(yǔ)言作為程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)軟件的設(shè)計(jì)，其主要程序流程如圖10所示。

圖10 船載端無(wú)人船艇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置軟件流程圖Fig.10 Flow chart of unmanned vessels based transponder

3.2 岸基端監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

岸基監(jiān)測(cè)軟件是一款基于.Net平臺(tái)開發(fā)的Winform應(yīng)用程序，采用的是.Net FrameWork框架，軟件利用C#編程語(yǔ)言開發(fā)[17-18]。該監(jiān)測(cè)平臺(tái)是基于C/S（Client/Server）架構(gòu)下開發(fā)的客戶端應(yīng)用程序軟件。

該設(shè)計(jì)開發(fā)工具采用Visual Studio 2010，它是一套完整的開發(fā)工具集，包括自動(dòng)編譯、項(xiàng)目創(chuàng)建向?qū)Ш蛣?chuàng)建部署工程等大量的功能的實(shí)用開發(fā)工具，為開發(fā)人員提高工作效率。

岸基監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，用戶界面分別可以實(shí)現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的查詢、水面無(wú)人船艇（unmanned surface ves?sel，簡(jiǎn)稱USV）參數(shù)查詢、短報(bào)文通信以及通信設(shè)置等功能；信息處理層可以實(shí)現(xiàn)北斗數(shù)據(jù)的解析、與北斗天線模塊的串口通信等功能。為實(shí)現(xiàn)以上功能，根據(jù)需求設(shè)計(jì)了軟件程序，軟件設(shè)計(jì)流程如圖11所示。

圖11 軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.11 Software design flow chart

4 總結(jié)

本文探討了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在無(wú)人船艇數(shù)據(jù)傳輸上的應(yīng)用，積極研發(fā)了無(wú)人船艇船載端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置和岸基端數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)，通過(guò)無(wú)人船艇船載端軟硬件和岸基端軟件監(jiān)測(cè)平臺(tái)的聯(lián)機(jī)測(cè)試，船載端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置各個(gè)串口都能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，岸基端軟件監(jiān)測(cè)平臺(tái)界面滿足需求，該數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。為無(wú)人船艇的數(shù)據(jù)傳輸提供了一種高效便捷的方式，同時(shí)對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的民用推廣有著重要意義，并具有很高的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。為遠(yuǎn)洋無(wú)人船艇管理帶來(lái)了巨大的便利，也為海上船舶的遇險(xiǎn)救助與安全提供了更多手段。