基于北斗卫星的海洋调查测量监控系统的设计与实现

摘要：通信针对目前我国海洋调查测量单点作业模式的现状，采用我国自主研发的“北斗”卫星导航系统作为无线信道单元，设计了基于北斗卫星的分布式海洋调查测量监控系统，实现岸站或母船的监控中心对一个或多个测量终端的遥测遥控，建立了船与岸、船与船之间的实时联系，形成分布式的海洋调查测量模式，对海量调查数据的实时高效传输及实时调整调查测量计划任务都具有战略性的意义。
关键词：北斗卫星；海洋调查船；监测中心；监测终端；嵌入式数据采集仪

0 引言
目前执行海洋调查测量任务的各调查测量船都是单独作业的单点模式，各调查测量船的基本功能是调查采样、数据采集、以及样品和数据的初加工与存储，待舰船返航到岸站处理中心后再将数据加工成信息产品并发布，不能实时与岸站、其他船只或海洋观测手段等进行实时数据传输，存在产品发布周期长、数据更新慢等不足。本系统根据调查测量船测量设备现状和作业模式，分别在监控中心和测量终端搭建硬件平台，研制专用测控软件，并利用北斗系统数据通信功能在监控中心和测量终端之间进行数据传输和指令交互，即将各测量终端采集的测量状态数据按要求实时传送至监控中心，监控中心对接收到的数据进行实时处理和分析，并可根据任务需求向各测量终端下达控制指令，以指导和监控各测量终端的测量过程，从而形成在监控中心集中控制下的多艘测量船同时进行测量的分布式测量作业模式，达到提高测量数据的质量和测量作业效率的目的。

1 总体方案设计
北斗卫星是我国具有自主知识产权的卫星通信导航定位系统，信号覆盖范围为我国领土及周边地区。北斗卫星系统兼具导航定位、短信息通信、精密授时三大功能，可全天候、全天时提供卫星导航信息和短信息传输服务，可在我国及周边广大地区，为公路交通、铁路运输、海上作业、水文、气象等领域提供定位及数据通信服务。
本系统主要由监控中心、监测终端两部分组成。本方案研制中，继承北斗用户机通用技术，将用户机划分为天线、射频通道、基带数字信号处理、数据处理、电源模块和结构六大单元。同时针对分布式海洋调查测量的具体应用需求，需要研制监测中心的应用软件和嵌入式数据采集仪，对数据采集、分包进行优化处理。系统总体设计如图1所示。

监测中心用于接收各监测终端的数据采集仪所上报的采集数据，并通过上层应用软件对数据进行分类、分析、整理、备份；同时需监控各监测终端的定位、通信等信息，具备通播发送、在电子海图上跟踪所选目标、轨迹回放、点名定位、电子罗盘导航等指挥调度功能。
嵌入式数据采集仪应具备高分辨率彩色屏幕，大字体、高亮度，以方便操作人员对采集数据工作和设备工作状态进行直观观察；同时内嵌WinCE操作系统，具备按键、触摸屏双重输入方式，从而使得操作简单易用。嵌入式数据采集仪与北斗用户机配套使用，采集仪具备多路串口，可同时接驳不同设备进行数据采集工作，采集后的数据通过北斗用户机发送到监测中心。
船舶北斗监测与数据采集要求北斗用户机具有防水、抗腐蚀、抗盐雾强的特点，同时可接驳高精度GPS，将定位结果、航速、航向等采集信息通过北斗链路发送到监测中心。

2 关键技术
2．1 监测中心设计
调查测量监测中心采用北斗一号指挥型用户机，该产品可同时接收3颗北斗卫星6个波束的信号，IC卡拆卸安装简便快捷，具备在电子海图上跟踪所选目标、轨迹回放、点名定位、电子罗盘导航等实用功能，操作界面美观、简单易用。在电池没电的情况下可直接使用交流适配器工作，环境适应能力满足野外环境使用。该产品可选择两种安装方式，如图2所示。

2．1．1 硬件单元
该产品采用“一线通”设计原理，天线与主机之间采用一根同轴电缆连接，使得安装更加可靠、便捷。主机正面具备三星六波束指示灯，便于对用户机系统工作状态进行监测。整机采用1U高度设计，安装拖架后可架设到标准19寸机柜中。
2．1．2 软件单元
PC平台数据采集软件装载到监测中心，实现多个远端设备北斗通信数据接收、处理，实现远端设备的数据采集控制，能够识别和处理远端设备上报的北斗、GPS位置，实现监控指挥终端设备状态等功能。PC平台数据采集软件采用N-TIER分层架构设计，面向对象的软件设计和实现方法。纵向架构层面上，软件系统提供硬件解析层、数据处理层和应用层三大层面。在每个大层面上又包含若干小层面的抽象、影射、实现和封装。采用这种设计最大限度地降低软件的耦合性，具有较高的可靠性、可维护性和可升级性，软件的总体设计图如图3所示。

其中自上而