趙鳳龍

（交通運(yùn)輸部北海航海保障中心天津通信中心，天津 300451）

隨著我國(guó)海上業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，大型船只作業(yè)也越來越頻繁，但由于船只變方向的周期較長(zhǎng)，導(dǎo)致船只碰撞率的增加，所以構(gòu)建一個(gè)北斗定位的海上安全與通信系統(tǒng)迫在眉睫[1]。

針對(duì)上述問題，文獻(xiàn)[2]提出利用RS、GPS 定位和無人機(jī)組成一個(gè)三維體結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)電纜局部放電檢測(cè)，這種方法能夠全面得到系統(tǒng)完善的放電數(shù)據(jù)，也能達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的，但是利用的技術(shù)造價(jià)較高，設(shè)備較昂貴；文獻(xiàn)[3]提出利用物聯(lián)網(wǎng)來解決定位數(shù)據(jù)源傳輸?shù)膯栴}，此方案雖然能夠全面快速的達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Ч?，但在使用過程中，其安全性不穩(wěn)定，容易造成數(shù)據(jù)丟失等情況，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全；文獻(xiàn)[4]提出SAR 圖像船舶目標(biāo)定位方法，該方法通過采集船舶SAR 圖像，利用圖像處理方式得到船舶目標(biāo)位置，但該方法采集的船舶SAR 圖像清晰度低，導(dǎo)致其定位船舶目標(biāo)位置存在較大的偏差。

針對(duì)上述不足，本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)北斗定位技術(shù)的海上安全與通信系統(tǒng)，旨在進(jìn)一步提高航線的正確度和距離的安全度。

1 北斗定位系統(tǒng)的實(shí)施

北斗定位系統(tǒng)功能框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)融合示意圖Fig.1 Schematic diagram of system fusion

圖1 中，各傳感器將檢測(cè)的信號(hào)分解成兩路信號(hào)，一路是脈沖信息，一路是行波信息。所有信息都經(jīng)過芯片采樣處理，采樣中心將電纜局部放電區(qū)出現(xiàn)時(shí)間記錄[5]，檢測(cè)信息通過北斗短信通信發(fā)送到電力系統(tǒng)主機(jī)，然后通過雙端法計(jì)算距離，以便于定位實(shí)施。

信息采集模塊：信號(hào)首先由FPGA 分析，采集模塊收到的二次信號(hào)轉(zhuǎn)化成多路模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路端口可容納的信號(hào)，對(duì)北斗的電文進(jìn)行解調(diào)；然后和內(nèi)部通信協(xié)議進(jìn)行對(duì)接，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳遞到ARM 中；最后傳遞到電力監(jiān)控部門[6]。

北斗相關(guān)傳輸數(shù)據(jù)如表1 所示。具體定位實(shí)施步驟如圖2 所示。由圖2 可知，北斗系統(tǒng)依照碼跟蹤和載波跟蹤計(jì)算出原始震蕩波和反射震蕩的時(shí)間差，結(jié)合信號(hào)傳輸速度，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)局部海上區(qū)域的準(zhǔn)確定位。但是該系統(tǒng)接收的定位信息較單一，實(shí)時(shí)度較差，所以，本研究通過移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

表1 北斗傳輸數(shù)據(jù)Tab.1 Beidou transmission data

圖2 北斗實(shí)施流程Fig.2 Flow chart of Beidou implementation

2 改進(jìn)型北斗定位海上安全與通信模型設(shè)計(jì)

本研究利用移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)對(duì)北斗系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

圖3 北斗系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of the Beidou system

由圖3 可知，北斗定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)無線通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，尤其是北斗短報(bào)文通信的制定，克服了眾多因環(huán)境原因造成的通信盲區(qū)的問題。對(duì)本研究海上定位區(qū)安全航行距離數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取達(dá)到了精確定位和信息快速傳輸?shù)哪康腫7]。

北斗海上安全與通信邏輯模型如圖4 所示。由圖4 可知，將系統(tǒng)運(yùn)用船舶或海上設(shè)備，通過系統(tǒng)終端的綜合船橋系統(tǒng)和綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)獲取通信節(jié)點(diǎn)狀態(tài)來推論船舶安全信息，由北斗系統(tǒng)RDSS數(shù)據(jù)通道發(fā)送到陸地管理終端[8]，達(dá)到及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取船舶海上安全狀態(tài)信息的目的，實(shí)現(xiàn)船舶和陸地管理用戶間的安全信息互聯(lián)互通，提高安全管理水平。

圖4 北斗海上安全通信模型Fig.4 Beidou maritime security communication model

通過北斗系統(tǒng)RDSS 數(shù)據(jù)通道接收海上安全信息的業(yè)務(wù)，進(jìn)一步提高船舶的海上航行安全度。

3 移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)的船只通信定位模型設(shè)計(jì)

在船舶移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，本研究使用Q×Q 表示該通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的一個(gè)海區(qū)，Q 是具體定位區(qū)的長(zhǎng)度，在海區(qū)存在N 個(gè)船只通信傳感節(jié)點(diǎn)，通信海區(qū)半徑用r 表示，在實(shí)施船只定位時(shí)，其通信節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)受到繞射、障礙物阻擋等因素影響，船舶通信節(jié)點(diǎn)信號(hào)傳播具備各向異特征[9]，所以本研究使用對(duì)數(shù)正態(tài)傳播模型計(jì)算船舶通信節(jié)點(diǎn)信號(hào)功率大小。d0，d 是船只通信的上傳節(jié)點(diǎn)和獲取節(jié)點(diǎn)的估計(jì)距離和真實(shí)距離，船舶移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點(diǎn)信號(hào)功率，計(jì)算公式為

式中：n 是通信信號(hào)上傳通道衰減系數(shù)；pr是接收節(jié)點(diǎn)信號(hào)傳輸功率；pt是發(fā)出信號(hào)功率；Ω（d0）是無線模塊傳輸模型；Nσ是高斯隨機(jī)噪聲。

移動(dòng)互聯(lián)模塊的傳輸天線增益用Gt表示，獲取信息的天線增益用Gr表示，無線電自由空間傳輸模型計(jì)算公式為

式中：λ 是通信信號(hào)波長(zhǎng)；η 是信號(hào)獲取模塊的衰減系數(shù)。

在定位目標(biāo)海區(qū)中，設(shè)定2 個(gè)任意的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，如果兩節(jié)點(diǎn)距離是d 時(shí)，設(shè)定：

所以船只在移動(dòng)互聯(lián)區(qū)內(nèi)基點(diǎn)和獲取傳輸信號(hào)的大小能夠通過正態(tài)傳輸表示，計(jì)算公式為

式中：令κ＝pr（d0）+Nσ，則式（4）可表達(dá)為

將式（5）代入式（4）得出10nlgd＝κ-pr（d）。

3.1 海上距離估算實(shí)施

由于多船舶通信節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)區(qū)域內(nèi)為均勻隨機(jī)分布狀態(tài)，且每個(gè)多船舶通信節(jié)點(diǎn)的通信半徑均相同，其作用范圍為規(guī)則的圓，依據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度和節(jié)點(diǎn)距離之間的近似特征[10]，則最小接收信號(hào)強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)最大節(jié)點(diǎn)距離的關(guān)系計(jì)算公式為

式中：pmin、dmax是最小接收傳輸速率及節(jié)點(diǎn)的最遠(yuǎn)距離。

信號(hào)在傳輸時(shí)的衰減系數(shù)的計(jì)算公式為

將式（6）、式（7）代入式（5），多艦船通信節(jié)點(diǎn)距離的估算公式為

通過上式獲取船只在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)區(qū)內(nèi)，所有通信節(jié)點(diǎn)的距離大小。

3.2 通信節(jié)點(diǎn)距離誤差補(bǔ)償

由于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通信信號(hào)內(nèi)存在干擾噪聲以及信號(hào)傳輸?shù)乃p性，導(dǎo)致計(jì)算相鄰船舶通信節(jié)點(diǎn)距離存在一定誤差，為提升多船舶通信目標(biāo)定位精度，需對(duì)相鄰船舶通信節(jié)點(diǎn)距離誤差進(jìn)行補(bǔ)償處理，其詳細(xì)過程如下：d 表示2 個(gè)多船舶通信節(jié)點(diǎn)距離，該距離與距離誤差之間的計(jì)算公式為

式中：φ（d）是兩船之間的距離誤差；ε、ξ 是一次誤差系數(shù)和常誤差系數(shù)。誤差系數(shù)函數(shù)的計(jì)算公式為

式中：I（ε，ξ）是誤差系數(shù)函數(shù)；di是真實(shí)數(shù)據(jù)；φ（di）是真實(shí)距離和估計(jì)距離的差量。

將式（10）誤差系數(shù)求導(dǎo)，計(jì)算公式為

將式（11）求解后，獲取一次誤差系數(shù)和常誤差系數(shù)數(shù)值，計(jì)算公式為

式中，鄰船舶通信節(jié)點(diǎn)距離誤差補(bǔ)償后的修正數(shù)的計(jì)算公式為

3.3 海上目標(biāo)定位實(shí)施

海上多目標(biāo)移動(dòng)時(shí)，在本研究移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)區(qū)中，目標(biāo)在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的移動(dòng)信標(biāo)會(huì)隨著船舶的航行向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不斷發(fā)送位置信息包，此時(shí)未知的多船舶通信目標(biāo)節(jié)點(diǎn)可依據(jù)概率推算其位于某個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)周圍，從而實(shí)現(xiàn)多船舶通信目標(biāo)的定位。以補(bǔ)償后的相鄰船舶通信節(jié)點(diǎn)距離為基礎(chǔ)。xi、yi是誤差補(bǔ)償后的船只通信節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，多船只的節(jié)點(diǎn)位置限制公式為

想要實(shí)現(xiàn)多船只通信目標(biāo)定位更加準(zhǔn)確，設(shè)置其連通性通信節(jié)點(diǎn)位置約束方程，計(jì)算公式為

如果某個(gè)船的通信節(jié)點(diǎn)被獲取，則其連通性通信節(jié)點(diǎn)位置約束方程計(jì)算公式為

式中：xa、ya是通信區(qū)的坐標(biāo)；s 是通信半徑。

依據(jù)上述過程更新多船舶通信目標(biāo)通信節(jié)點(diǎn)區(qū)域后，獲取多船舶通信目標(biāo)未知點(diǎn)的定位信息的計(jì)算公式為

式中：O（x，y）是該通信區(qū)內(nèi)通信目標(biāo)未知點(diǎn)的位置，x，y∈ui；FRSSI（·）是不確定節(jié)點(diǎn)和確定節(jié)點(diǎn)距離似然概率函數(shù)。

3.4 定位數(shù)據(jù)檢測(cè)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

海上船只定位檢測(cè)測(cè)試中，通信傳輸信號(hào)識(shí)別準(zhǔn)確度的判斷指標(biāo)計(jì)算公式為

式中：TP、TN 是準(zhǔn)確識(shí)別的傳輸信號(hào)和無傳輸信號(hào)；FP、FN 是錯(cuò)誤判斷的傳輸放電和無傳輸信號(hào)。LQ越大表示判斷的正確度越高。

4 試驗(yàn)流程與結(jié)果

在試驗(yàn)過程中，通過測(cè)量發(fā)送接收傳感終端電壓和電流的測(cè)量，可以推算出本系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)時(shí)推算的數(shù)據(jù)如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)穩(wěn)定度示意圖Fig.5 System stability diagram

圖5 中，本研究系統(tǒng)在工作中的誤差率和浮動(dòng)率都較低，表明本系統(tǒng)擁有穩(wěn)定和高效率的特點(diǎn)，在運(yùn)行中可以有效地面對(duì)諸多挑戰(zhàn)。

本研究以某港口的出入航線作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使用本研究系統(tǒng)對(duì)出入港航線內(nèi)多船舶通信目標(biāo)進(jìn)行定位，其中多船舶均加入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，多船舶的信標(biāo)信息發(fā)送間隔為0.1～1.0 s，其通信半徑區(qū)間為10～30 m，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度10～50 s。使用本文方法對(duì)其距離估算值誤差進(jìn)行補(bǔ)償處理，補(bǔ)償后誤差值不得高于0.5 m，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental data

由表2 可知，本文方法對(duì)估算的多船舶通信節(jié)點(diǎn)距離進(jìn)行補(bǔ)償后，其估算多船舶通信節(jié)點(diǎn)距離偏差最小是0.14 m，最大僅為0.33 m，該數(shù)值較所設(shè)的閾值低，說明本文方法可有效對(duì)多船舶通信節(jié)點(diǎn)距離進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后的多船舶通信節(jié)點(diǎn)距離與其實(shí)際距離誤差較小。

將10 艘船加入移動(dòng)互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)的北斗定位模塊，在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)進(jìn)行定位試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)類型和相關(guān)數(shù)據(jù)如圖6 所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Fig.6 Experimental statistical data

由圖6 可知，本文方法在定位船舶通信目標(biāo)時(shí)的定位位置與船舶通信目標(biāo)位置完全吻合，說明本文方法受船舶數(shù)量影響較少，具備較強(qiáng)的多船舶通信目標(biāo)定位方法。檢測(cè)某一移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)區(qū)內(nèi)某船只的實(shí)驗(yàn)顯示頁(yè)面參數(shù)如表3 所示。

表3 測(cè)試定位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Test and positioning experimental data

由表3 可知，本系統(tǒng)能夠?qū)⒎烹妳^(qū)的詳細(xì)參數(shù)以及地理信息全部顯示，表明本系統(tǒng)在應(yīng)用中，能夠在減少檢測(cè)周期，提高檢測(cè)效率。北斗系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 北斗系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.4 BDS test data

由表4 可以看出，在該北斗系統(tǒng)數(shù)據(jù)測(cè)試中，通過多次試驗(yàn)將系統(tǒng)的穩(wěn)定數(shù)據(jù)記錄，確保定位業(yè)務(wù)的正常實(shí)施和整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)誤差數(shù)據(jù)如圖7 所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.7 Experimental data

由圖7 可知，本研究方法的誤差率不超過1%，且在實(shí)驗(yàn)6 h 后基本穩(wěn)定在0.5%以下。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)北斗定位技術(shù)的海上安全與通信系統(tǒng)。利用BDS 技術(shù)將海上船只進(jìn)行定位，確認(rèn)船只安全位置，保證航線和距離的正確度；并進(jìn)一步使用了MI 技術(shù)，通過計(jì)算船只通信節(jié)點(diǎn)距離和誤差距離的關(guān)系特征，對(duì)其求導(dǎo)后得到距離誤差補(bǔ)償量，對(duì)多船舶通信節(jié)點(diǎn)距離誤差實(shí)施補(bǔ)償。使用基于單移動(dòng)信標(biāo)的多船舶通信目標(biāo)定位方法實(shí)現(xiàn)多船舶通信目標(biāo)的實(shí)時(shí)定位。但本研究系統(tǒng)存在各個(gè)環(huán)節(jié)功能不穩(wěn)定，需要人工監(jiān)控來防止出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定情況，這也是后續(xù)本系統(tǒng)需要加強(qiáng)和改進(jìn)的方向。