基于GPS和北斗卫星的智能航标遥控遥测系统设计

第12卷 第9期 中 国 水 运 Vol.12 No.9 2012年 9月 China Water Transport September 2012

收稿日期：2012-05-21

作者简介：方 杰，男，广东海事局航标导航处副研究员，长期从事航道维护管理工作及助导航技术研究。

基于GPS 和北斗卫星的智能航标遥控遥测系统设计

方 杰

（广东海事局，广东 广州 510230）

摘 要：文中介绍了航标遥测遥控技术及其发展现状，提出了基于GPS/北斗卫星的智能航标遥测遥控系统的设计方案，将逆向差分GPS 技术应用在航标遥测遥控系统进行航标移位监测，并依靠北斗卫星通信系统实现逆向差分GPS 改正数据传输，实现航标遥测数据传输及遥控命令的发布。系统设计具有前瞻性，对于我国的航标遥测遥控系统建设可以提供参考。

关键词：智能航标；遥测遥控；GPS；北斗

中图分类号：U6444 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2012）09-0048-03

一、引言

航标是能够帮助引导船舶航行、定位和标示碍航物，并表示警告的人工标志，以标示航道、锚地、滩险及其他碍航物的位置。航标对于支持航运、渔业、海洋开发和国防建设等具有重要作用。为适应航运的协调发展，各国均在建设先进的、可靠的航标遥测遥控系统，以提高航标运行可靠性和设备利用率，从而提高航运管理的水平、服务质量及运输水平，保障船舶航运的安全，促进航运经济发展。智能航标已经成为航运领域的研究重要内容之一。

本文针对我国内河水域特点，提出了基于GPS/北斗卫星的航标遥测遥感系统设计方案。

二、智能航标遥测遥控技术发展概述

航标遥测遥控主要应用于航标灯器的监控、供电设备的自动控制，航标工作状态报警等方面。采用的监测、控制设备有：遥控终端（RTU）、可编程控制器（PLC），实现数据通讯的技术有：数传电台、蜂窝电话（NMT），卫星通讯，无线通讯、有线电话等设备。

国外在90年代初利用电子和通信技术建立航标遥测遥控系统，为航运事业提供了高效服务。纵观英、法、美、日等航运大国，已经利用现代电子技术和通讯技术建立起了较为完善的航标遥测遥控系统，为海运事业提供了高效服务；总的来说，国外对于航标遥测和遥控系统的研究和使用处于较为完善的地步。

我国于2000年地开始了这方面研究工作，正处于航标遥测遥控建设的初级阶段，许多技术问题尚未解决，在国内建成的完善的航标遥测遥控系统还比较少，亟须加大对航标遥测遥控系统的研究投入、逐步建设符合我国沿海和内河特点的航标助航体系。

三、航标遥测遥控系统设计方案 1．工作制式和通信方式

常见的智能航标的工作制式主要有三种：自报式：遥测遥控站点或遥测遥控中心始终处于接收状态。应答式：由遥测遥控中心定时或随时呼叫航标远程监控终端，终端响应查询，航标终端数传机需常处于接收状态，耗电量大。混合式：

即自报和查询－应答相结合方式。

本研究从实际应用出发，选择以自报为主的混合式，即自报和查询－应答相结合方式。既能使终端耗电量大为减小，又能保证系统的实时性，工作制式的选择可以在RTU 本地或通过遥控中心遥控改变。具体工作的方式如下：

（1）定时自报和故障自报：定时自报：终端每日定时唤醒，采集数据，并将数据发送至遥测遥控中心，由RTU 本地或遥测遥控中心发送遥控命令改变。故障自报：在定时发送数据之外，终端设有故障自报功能；发现故障则立即打开数传机将故障信息发往遥测遥控中心并存入RTU，这种方式可实现定时自报和故障自报。

（2）查询－应答:为便于遥测遥控中心遥测遥控航标灯，设查询－应答式，实现方法是延长RTU 工作时间，终端在发送本站航标数据后，延长关闭时间，接受和执行遥测遥控中心的遥控命令。

为了增强设计方案的通用性，考虑特殊地理环境，选用如下制式完成遥控中心与远程终端的实时通信。

（1）航标遥测遥控终端与遥控遥测中心之间通信，直接采用卫星通信传输体制（北斗-世广系统）传送数据和收发遥控指令，信息格式符合SCADA 远动规范，数据具有一定的纠错能力，数据传送错误时可确认或重新发送。

（2）遥控遥测中心设GPS 基准站，采用逆向差分方法，航标RTU 的GPS 定位信息与航标灯本身状态信息经过编码后一起发送。

2．系统组成结构

图1 智能航标遥测遥控系统结构

第9期 方 杰：基于GPS 和北斗卫星的智能航标遥控遥测系统设计 49

智能航标遥测遥控系统主要包括航标数据信息采集终端站、数据信息传输链路、数据信息处理和监控中心。遥测遥控系统整体结构如图1所示。

（1）遥测遥控中心

遥测遥控中心与航标RTU 采用卫星通信方式，选用北斗—世广卫星通信系统终端设备。遥控遥测中心设置逆向差分GPS 基准站一个，控制范围可达20km（上下游各10km）。

（2）航标遥测遥控终端

航标遥测遥控终端主要由数据监控终端（RTU）和无线通信装置组成，集实时监测、信息存储、通信管理于一体，航标遥测遥控终端应具备功耗低、高抗干扰性和干扰自恢复等特点，符合野外无人值守的环境要求。

（3）航标灯器

航标灯器能够用无线通信方式远程向中心站报告自己的状态，并且自身具有一定自检功能，在出现故障的情况下能及时向中心站发出报警信息；浮标航标灯应有自己的定位装置（GPS），能够检测到浮体漂移的出现，并及时向中心报警。

（4）航标位置检测设备

针对我国内河的一些特殊地理环境，常规正向差分GPS 技术难以实现（无法实现沿江设置诸多GPS 基站），而传输差分信号的通信体制也是难点之一。因此设计适合北斗通信体制的逆向差分GPS 系统，实现航标的位置监测。

（5）航标状态数据传输终端

传输终端可选择北斗卫星通信机作为航标状态数据传输终端，终端结构如图2所示。 图2 航标状态数据传输终端

3．遥测遥控中心系统软件设计

（1）自动巡检各航标遥测遥控终端（RTU）传送来的信息，在分控画面上以直观的曲线形式反映电流电压等模拟量情况，并提供精细的查询。另外也可以在总图上用表格的形式以分类的方法来反映模拟量的最新数据。

（2）自动巡检各航标遥测遥控终端的开关量状态，在分控画面上以直观的颜色加文字说明的形式来反映，另外，也可以在总图上用表格的形式来反映所有航标遥测遥控终端的开关量状态。

（3）控制功能：遥控既可以人工通过计算机进行控制，又可进行遥控结果的逾时监视。

（4）上报事件的处理及显示：事件包括开关量变位事件、模拟量数据越限事件、通讯事件及故障事件。一旦有事件发生，要显示报警框，并伴有报警声（可选），以提醒操作员进行处理。报警清楚可有自动恢复清除，人工分别清除和人工全部清除三种方法，以适应不同的情况。

（5）图形显示：在前置显示器上显示监控区域内航标遥测遥控终端站的地理位置分布图。进入分画面，可对每个监控设备进行详细的显示。

（6）故障的诊断和预测：按照一定的模型，类似于智能的专家系统，完成故障的诊断及预测（可扩展）。

（7）能对GPS 定位信号作差分计算，并把计算结果以

图形和数据结合的方式实时显示在图形界面上。

图3 遥测遥控中心系统软件结构

四、智能航标的设计

航标类型、尺度等应根据其功能及其所布设的位置，并根据国标GB5863-93《内河助航标志》的相关规定来确定。依据航道航标布设图及其对该航道功能的要求确定航标的选型。在航标上不仅要配备航标灯，而且还配有通讯设备、RTU、蓄电池、太阳能电池板以及相关设备的天线。并兼顾航标的稳定性、抗风性能等。因素，智能航标上设备较多，平时维护保养的需要，浮标上应留有适当的地方，让维修人员能站在浮标上进行适当的维护保养操作。

1．航标灯配置

按照常用要求及航标灯的功能需求，常用的船形浮标和沿岸标设备进行如下设计和配置。

（1）船型浮标设备配置：航标灯；无线通信模块；GPS；RTU；蓄电池；太阳能电池；

（2）沿岸标设备配置：航标灯；无线通信模块；水位遥报仪；RTU；蓄电池；太阳能电池；助航标志。

2．航标的遥测遥控 （1）航标灯可采集的参数

电流摸拟输入量：太阳能电池充电电流；蓄电池供电电流；航标灯工作电流。电压模拟输入量：太阳能电池充电电压； 蓄电池电压；航标灯工作电压。光传感器输入：日光值。航标位置坐标。GPS 数据。

（2）GPS 及通信

为确保航标标位的准确性，能及时发现航标位移的情况。当航标发生移位时，且位移量超过标位水平距离，系统必须及时报警。此距离可以根据航段的枯水期的水位等参数并结合GPS 单点定位精度设定。

（3）航标灯应执行的遥控命令

航标灯：强制开/强制关/光阀控制，状态互相切换；设置收、发讯机定时启动时间点；设置航标灯 （下转第8页）