潘紅娜，蔡振興，張婷婷

(江西工程學(xué)院 智能制造與能源工程學(xué)院，江西 新余 338000)

0 引 言

艦船導(dǎo)航控制系統(tǒng)對于保障艦船航行安全具有非常重要的作用。在航行過程中，艦船需要對自身的航線進(jìn)行規(guī)劃，同時岸基作戰(zhàn)中心也希望能夠?qū)ε灤M(jìn)行全程跟蹤，以便對所有的艦船進(jìn)行全方位的控制和管理。傳統(tǒng)的艦船導(dǎo)航依賴于GPS 導(dǎo)航或者艦載的AIS 系統(tǒng)等，AIS 在航行過程中會遇到通信盲區(qū)，很容易出現(xiàn)定位丟失的情況，而GPS 導(dǎo)航雖然應(yīng)用較為成熟，定位精度也較高，但是屬于西方國家的技術(shù)產(chǎn)品，在戰(zhàn)時非常容易受到干擾或者掐斷信號的情況。因而嘗試將北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)充分融合以解決當(dāng)前受制于GPS 通信的情況，同時物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以很好地將北斗導(dǎo)航系統(tǒng)短報文的功能加以融合，并將精確授時功能應(yīng)用到導(dǎo)航控制系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)對艦船航線的精確規(guī)劃。

國內(nèi)外有很多學(xué)者對智能導(dǎo)航進(jìn)行了相關(guān)研究，如田向陽[1]研究了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在船舶導(dǎo)航中的應(yīng)用，并和GPS 導(dǎo)航進(jìn)行對比。張寧[2]對北斗導(dǎo)航及通信技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計了低噪音的信號放大模塊。肖學(xué)玲[3]提出使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行多源融合，從而使得船舶能夠獲取更多的位置信息，包括和其他船舶的相對位置以及導(dǎo)航定位位置等，最大程度地避免船舶碰撞問題。

本文對北斗導(dǎo)航技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等進(jìn)行總結(jié)，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的艦船導(dǎo)航控制系統(tǒng)，旨在解決艦船導(dǎo)航和定位容易在戰(zhàn)時受到干擾的情況，提升艦船在戰(zhàn)時的作戰(zhàn)能力。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 北斗導(dǎo)航技術(shù)

北斗導(dǎo)航是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的簡稱，在2003 年完成了第一代系統(tǒng)的組建，隨后進(jìn)入了大規(guī)模的應(yīng)用階段。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航共包括35 顆衛(wèi)星，其中27 顆為中軌道衛(wèi)星，5 顆靜止軌道衛(wèi)星，3 顆為傾斜軌道衛(wèi)星。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)的原理如圖1 所示[4-5]。

圖1 北斗導(dǎo)航原理Fig.1 Principle of Beidou navigation

當(dāng)船舶在行駛過程中，建立（X，Y，Z）坐標(biāo)系，則行駛的船舶和空中的導(dǎo)航衛(wèi)星都具有一個唯一的空間坐標(biāo)，衛(wèi)星1～衛(wèi)星4 和船舶之間的距離為P1～P4，這些變量之間滿足以下關(guān)系[6-7]：

式中：c為光速，Δt為地面接收的時間差值，均為已知數(shù)值，因而可以根據(jù)上述關(guān)系計算出船舶當(dāng)前的坐標(biāo)，進(jìn)而結(jié)合電子海圖實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是目前應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)之一，其可以用于船舶貨物運(yùn)輸?shù)母?、艙室監(jiān)控等。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是通過各種感知技術(shù)，包括各類傳感器、射頻技術(shù)、激光掃描、全球定位技術(shù)等，將各類不同的物體連接到一個網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)信息的傳遞和共享。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖2所示。感知層包括傳感器、RFID 條形碼、北斗接收機(jī)等獲取當(dāng)前目標(biāo)的位置信息和其他信息；網(wǎng)絡(luò)層是利用以太網(wǎng)以及4G 網(wǎng)絡(luò)將獲取的目標(biāo)信息發(fā)送出去；應(yīng)用層直接面對用戶，用戶可以通過獲取的信息并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建頁面，實(shí)現(xiàn)功能的具體化表達(dá)。在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，感知層是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵，感知的方法多種多樣，在物聯(lián)網(wǎng)中不僅可以使用RFID 技術(shù)通過標(biāo)簽讀取的方法來獲取目標(biāo)信息，同時還可以通過底層傳感器節(jié)點(diǎn)來獲取信息，而這些傳感器節(jié)點(diǎn)不僅可以是有線的，也可以通過無線網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)感知信息的傳遞，因而具有極大的靈活性。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)Fig.2 IOT architecture

2 基于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的艦船導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的北斗導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)設(shè)計

由于AIS 在艦船導(dǎo)航中會存在信號盲區(qū)的問題，因而一般AIS 系統(tǒng)都需要和雷達(dá)聯(lián)合使用，但是仍然存在著導(dǎo)航精度不高的問題。為了提升艦船的作戰(zhàn)能力，保證艦船能夠在不同情況下實(shí)現(xiàn)不間斷地高精度導(dǎo)航，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計專門的北斗導(dǎo)航模塊是有必要的，設(shè)計的北斗導(dǎo)航模塊是現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)的必要補(bǔ)充。

設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的北斗導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖3 基于物聯(lián)網(wǎng)的北斗導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Hardware structure of Beidou navigation node based on Internet of Things

1）信號輸入及濾波：在天線處接收到北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號后，使用專門設(shè)計的濾波電路將信號中的雜波濾除掉，以保證通信信號的穩(wěn)定性。

2）射頻信號處理：在進(jìn)行射頻信號處理前，考慮到艦船在航行時溫度差距會非常大，因而設(shè)計溫度補(bǔ)償電路，對整個電路中存在的溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償，有效提升電路的穩(wěn)定性和可靠性。

3）處理器：處理器采用低功耗的ARM 芯片，包括SDRAM、Flash 等，在低功耗處理器中不僅可以實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)據(jù)的解算，同時還可以實(shí)現(xiàn)對相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲。在完成數(shù)據(jù)解算后通過串口UART0、UART1 或者無線網(wǎng)絡(luò)向外傳輸數(shù)據(jù)，同時還可以對艦船上的其他物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)時間同步，以保證整個艦船物聯(lián)網(wǎng)中感知的信息和時間完全同步，這個功能的實(shí)現(xiàn)是通過向外輸出高精度的同步時鐘，其精度可以達(dá)到1 PPS，其他節(jié)點(diǎn)或者感知傳感器模塊通過物聯(lián)網(wǎng)接收同步秒脈沖，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)時間的高度同步。

4）電源管理：基于物聯(lián)網(wǎng)的北斗導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)采用了低功耗設(shè)計，整個節(jié)點(diǎn)需要嚴(yán)格地進(jìn)行電源管理，包括控制電源時鐘、電源輸入以及電源控制。為了盡量減小誤差，整個系統(tǒng)冷啟動的時間非常短，本文設(shè)計的節(jié)點(diǎn)冷啟動時間<40 s，熱啟動時間<2 s。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)

本文采用Zigbee 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的傳遞，其通信距離最大可以達(dá)到100 m，但是通信速率<250 kbps，在艦船上由于存在較多節(jié)點(diǎn)，因而使用Zigbee 技術(shù)非常容易組成物聯(lián)網(wǎng)的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，且采用Zigbee 無線傳輸具有非常大的靈活性，功耗很低，特別適用于輔助導(dǎo)航系統(tǒng)。艦船的導(dǎo)航位置信息需要極高的安全性，Zigbee 技術(shù)采用AES128 對稱密碼，符合高級加密標(biāo)準(zhǔn)，因而滿足艦船的保密性要求。

艦船的位置信息數(shù)據(jù)較小，Zigbee 的數(shù)據(jù)通信速率完全滿足這種小數(shù)據(jù)量的傳輸要求，Zigbee 無線通信頻率有多種，如圖4 所示，不同的通信頻率信道數(shù)量也不一樣，868 MHz 只有一個信道，915 MHz 有10 個通信信道，2.4 GHz 有16 個通信信道，選擇通信頻率為2.4 GHz，這樣能保證不同的通信信道不會發(fā)生串?dāng)_。

圖4 Zigbee 通信信道分布Fig.4 Zigbee communication channel distribution

Zigbee 無線通信是基于物聯(lián)網(wǎng)的艦船導(dǎo)航控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，通過Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航位置信息發(fā)送到艦船控制中心，使得艦船在航行過程中可以不間斷接收AIS 以及導(dǎo)航控制系統(tǒng)的位置信息。在通過信號盲區(qū)或者受到外界信號干擾時，艦船船員通過對比兩者數(shù)據(jù)就可以更加準(zhǔn)確地判斷當(dāng)前艦船的行駛狀態(tài)，并通過和其他艦船的通信獲取相對位置信息，為戰(zhàn)時提升作戰(zhàn)能力提供必要輔助。

2.3 系統(tǒng)測試

1）抗干擾能力測試：本文設(shè)計的導(dǎo)航控制系統(tǒng)是對AIS 系統(tǒng)和雷達(dá)的有效補(bǔ)充，因而抗干擾能力是系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一。使用誤比特率作為系統(tǒng)測試指標(biāo)，其基本定義為：

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有極高的安全性和穩(wěn)定性，和北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合，可以為艦船提供穩(wěn)定的導(dǎo)航輔助。本文對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和北斗導(dǎo)航定位技術(shù)進(jìn)行了闡述和分析；設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的北斗導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)，分析了節(jié)點(diǎn)中各個模塊的基本作用和實(shí)現(xiàn)原理；闡述了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)的基本原理，對構(gòu)建的基于物聯(lián)網(wǎng)的艦船導(dǎo)航控制系統(tǒng)的抗干擾能力、靜態(tài)和動態(tài)定位進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力，同時靜態(tài)和動態(tài)定位精度都較高。

對系統(tǒng)進(jìn)行仿真測試，改變系統(tǒng)信噪比，測試不同信噪比下系統(tǒng)的抗干擾能力，圖5 為基于物聯(lián)網(wǎng)的艦船導(dǎo)航控制系統(tǒng)抗干擾能力測試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)的誤比特率曲線和理論曲線相差很小，同時在信噪比較低時，艦船導(dǎo)航控制系統(tǒng)的誤比特率為10-4，信噪比為8 db 時誤比特率為10-9，因而說明系統(tǒng)具有較好的抗干擾能力。

圖5 系統(tǒng)抗干擾能力測試結(jié)果Fig.5 The test result of anti-jamming ability of the system

系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力，這是由于在系統(tǒng)設(shè)計時實(shí)行了動態(tài)信道選擇，在艦船上構(gòu)建的Zigbee 網(wǎng)絡(luò)具有很多的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括溫度、濕度、壓強(qiáng)、武器設(shè)備的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等，在進(jìn)行動態(tài)掃描時會根據(jù)當(dāng)前Zigbee 網(wǎng)絡(luò)全部信道的空閑狀態(tài)來設(shè)置相關(guān)參數(shù)，這樣就能夠降低不同信道干擾的可能性。當(dāng)所有無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都開始工作時，整個Zigbee 網(wǎng)絡(luò)會變得非常擁擠，在發(fā)送導(dǎo)航數(shù)據(jù)前偵聽所有信道，可以有效減少由于信道擁擠而造成數(shù)據(jù)丟失。

2）導(dǎo)航定位能力靜態(tài)測試：導(dǎo)航定位能力的測試分為靜態(tài)測試和動態(tài)測試。靜態(tài)測試是在不同的時間段讓船舶行駛到不同的位置，使用AIS、GPS 以及本文設(shè)計的船舶導(dǎo)航控制系統(tǒng)對船舶進(jìn)行定位，以測試船舶的單點(diǎn)定位精度。在測試中發(fā)現(xiàn)本文設(shè)計的導(dǎo)航控制系統(tǒng)和其他系統(tǒng)測試的結(jié)果存在差距，其原因是本文設(shè)計的北斗導(dǎo)航控制系統(tǒng)在獲取北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)后，在位置解算時沒有考慮平流層對信號傳輸產(chǎn)生的影響，在采用相關(guān)算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后，系統(tǒng)的靜態(tài)定位精度得到了明顯提升。

通過算法計算修正得到的測試結(jié)果如表1 所示，和AIS 系統(tǒng)的測試結(jié)果對比，誤差均在0.1%以內(nèi)，證明基于物聯(lián)網(wǎng)的導(dǎo)航控制系統(tǒng)具有較高的精度。

表1 導(dǎo)航控制系統(tǒng)靜態(tài)定位測試Tab.1 Static positioning test of navigation control system

使用不同系統(tǒng)測試并監(jiān)控該船舶在一段時間內(nèi)的軌跡。在船舶上配置有高精度的AIS 系統(tǒng)和GPS 系統(tǒng)，將本文測得的船舶軌跡和AIS 記錄的軌跡進(jìn)行對比，如圖6 所示，可以發(fā)現(xiàn)本文設(shè)計的導(dǎo)航控制系統(tǒng)測試的動態(tài)軌跡和AIS 動態(tài)軌跡基本重合。

圖6 導(dǎo)航系統(tǒng)動態(tài)測試軌跡對比Fig.6 Comparison of dynamic test trajectories of navigation systems

3 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有極高的安全性和穩(wěn)定性，和北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合，可以為艦船提供穩(wěn)定的導(dǎo)航輔助。本文首先對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和北斗導(dǎo)航定位技術(shù)進(jìn)行闡述；然后，設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的北斗導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)，分析了節(jié)點(diǎn)中各個模塊的基本作用和實(shí)現(xiàn)原理；最后，對構(gòu)建的基于物聯(lián)網(wǎng)的艦船導(dǎo)航控制系統(tǒng)的抗干擾能力、靜態(tài)和動態(tài)定位進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力，同時靜態(tài)和動態(tài)定位精度都較高。