基于北斗卫星的海洋测量数据传输系统

第29卷第4期2009年7月

海 洋 测 绘

HYDROGRA P H I C SURVEY I N G AND CHART I NG

V o l 29,N o 4

Ju.l ,2009

收稿日期:2009 03 11;修回日期:2009 03 31

作者简介:邓玉芬(1970 ),女,辽宁葫芦岛人,工程师,硕士研究生,主要从事测绘仪器设备研究。

基于北斗卫星的海洋测量数据传输系统

邓玉芬,张 博,沈 明,宋海英,孙 磊

(海军海洋测绘研究所,天津 300061)

摘要:针对目前我国海洋测量船上测量数据无法实时传输的现状,采用我国自主研发的北斗卫星导航系统为无线信道单元,结合数据压缩及长报文通信协议等技术,设计了基于北斗卫星的海洋测量数据传输系统,解决了海洋测量船上测量数据实时传输的问题。

关键词:北斗卫星;海洋测量船;数据传输;数据压缩;通信协议

中图分类号:P 204 文献标识码:B 文章编号:1671 3044(2009)04 0067 03

1 引 言

目前海洋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,待测量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,不能实时与岸站和其他船只进行实时数据传输,存在产品发布周期长、数据更新慢等不足,无法满足信息化条件下的需求。

本文针对海洋测量数据传输系统的现状,利用北斗一号系统空间信息技术和通信技术,设计开发了基于北斗卫星的海洋测量数据实时传输系统,弥补了海洋测量船与岸站或其他船只传输手段的不足。充分利用现有资源,提高海洋测量数据传输的实时性、数据处理的准确性、决策参考的科学性,为优质、高效的应急保障、海洋灾害预警提供有力的支持。

2 系统总体设计及功能

系统的整体结构分为船载单元、岸站指挥单元、无线通信单元。

(1)无线通信单元

无线通讯单元采用我国自主研发的北斗卫星导航系统,采用该系统具有的优势是:

使用安全:北斗系统是我国自主知识产权的卫星导航系统,能保证通信的安全性和保密性。 数据通信实时性强:数据传输快捷,一次发送时间大约为1s ,接收终端在几秒钟之内就可以接收到发送端传输的数据,实时性比较强。

!设备及通信费用低、系统容量大并发能力强,可以同时处理30万用户的申请;数据传输快捷,发送一

包数据用时约为1s ;功能强大,具有定位和授时功能。∀发展前景广阔:随着北斗二代的建设,北斗系统发展成为具有全球导航能力的卫星定位系统,定位体制也将变为垂直定位,而且通信终端的性能也将逐步提高。

基于北斗系统的通信优势,再结合设计的平台软件、数据无损压缩技术及长报文通信协议等技术手段,能确保海洋调查测量数据实时、安全、有效地传输。

(2)船载单元

船载单元上安装的局域网系统可将所有的调查数据传输到数据中心,平台软件对测量设备采集得到的数据进行分析,提取较为关键的信息,例如水深、温度、盐度、船位等信息,存至本地服务器,同时将分析得到的信息进行打包、压缩、校验,通过北斗用户机定期发送至岸站指挥单元的北斗用户机。

(3)岸站单元

岸站指挥单元配备北斗通讯模块、数据分析处理模块、数据存储模块、数据显示模块、网络模块等。数据分析处理模块负责对接收到实时性海洋调查测量数据进行解码、报文识别、报文格式检查、报文订正处理、要素译码和质量控制等数据预处理工作。数据存储模块按照不同的数据种类分类,进行数据组织和管理,把数据存储到中心数据库。数据显示模块和网络模块对数据库中的数据进行历史数据查询和实时数据显示,生成指导性数值产品,并将数据发布到所需单位。3 系统关键技术的解决3 1 数据长度限制问题

北斗系统每次数据通信的长度为98个字节,如

海 洋 测 绘第29卷

果通信数据超过这个数目,则必须采用数据压缩技术进行分包发送。数据压缩算法的选取和设计依赖于海洋测量数据的使用要求和统计特征。本项目对于各种报文数据采用无损压缩,采用无损压缩技术的优点是不但可以降低通信数据数量,降低通信费用,而且可以提高通信效率,缩短通信时间。其中数值预报产品数据采用H u ff m an 算法压缩,ASC II 码的保障数据采用LZ W 算法进行压缩。数据压缩流程如图1

所示。

图1 数据压缩流程图

3 2 数据丢失现象

在实验中发现,每发送40包数据,大约丢失2~3包,表1为2008年9月18日做的无通信协议实验记录。从表1中可以看出,发送了8次长报文(2.27k),其中6次有数据丢包,成功率为25%。8次通信共发送了40#8=320个数据包,14个包没有接收到,丢包率为4.38%。以上可以看出,北斗卫星系统进行数据通信时数据丢包还是非常严重的。数据丢包可能与通信终端性能以及天气现象对卫星信号的影响有关。但无论什么原因,所造成的结果都是一样的,即接收端无法完整地接收到数据。因此需要设计一个合理的通信协议,应用到通信控制中,实现北斗数据通信的可靠性。

表1无通信协议实验记录序号实验时间发送总包数

丢失包数

12008.9.18 8∃1040

022008.9.18 9∃0940332008.9.18 10∃0840242008.9.18 11∃1040252008.9.18 14∃3040062008.9.

18 15∃2040272008.9.18 16∃154038

2008.9.18 17∃10

40

2

3 3 数据包丢失问题的解决

为解决数据包丢失问题,制定了长报文通信协议。基于北斗卫星导航系统的长报文通信协议的制定思路,是对大的数据包进行拆包并加相应的包头,接收端对接收的数据包拆除包头,并对数据合并,如

果有数据包丢失,则要求发送端重新发送丢失的数据包,直到所有的数据接收完毕为止。同时还必须采取超时控制等措施,保证数据通信效率和降低通信费用。图2为数据发送端的工作流程。一个完整的长报文发送过程包括长报文发送、查询响应信息分析和补包三部分。查询响应信息是指发送端发送查询信息后,接收端的回应信息。如果数据一次性发送成功,就不需要数据补包。长报文发送完毕,发送查询命令的作用是通知接收端本次发送的数据包总数量,接收端根据报文总数量,检查接收数据有无丢包,如果有丢包,则统计丢失的包号并反馈到发送端进行重新发送。补包结束后,发送查询命令的作用是通知接收端补包完毕,查询数据是否已经完整。对一些查询信息如果没有收到响应则等待一定时间后重新发送,但对重发次数进行限制(本协议中默认为三次,可以设置)。此外,如果一次补包不成功的话,可以进行第二次补包,但对补包次数也应进行限制,超过一定次数如果仍不成功,则放弃补包,本次长报文发送失败。这样设计的目的一方面是考虑到信息可能丢失的现实;另一方面又可避免陷入死循环,不致因为某一个环节出现了问题而使通信链接长时间无法进行。

图2 数据发送端的工作流程

图3为数据接收端的工作流程。接收端接收到数据后,首先对数据包头进行分析。如果是长报文

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