1.北斗卫星导航系统简介
北斗卫星导航系统是我国具有自主知识产权、独立运行不受其他国家限制的的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统除了可以提供定位、测速和授时服务等免费开放服务，还可以向授权用户提供通信服务等授权服务。北斗卫星导航系统是我国最早在上世纪八十年代开始起步研制的，当时主要是为了国家安全战略需要，因为之前主要依赖于美国的GPS定位系统。我国的卫星导航研制主要按照三步走的计划实施，即第一步先开展卫星导航试验，第二步开始为我国及周边地区导航服务，其覆盖范围基本包括了我国管辖的包括钓鱼岛、黄岩岛、西南沙等我国领海的全部海域，最后一步是达到全球覆盖全天候服务的目标。北斗卫星通信的优势在于覆盖范围比GPRS/CDMA更广，比如在南海广阔海域GPRS/CDMA等信号无法覆盖区域的区域可以无缝覆盖，另外还具有产权自主性。目前北斗卫星导航系统已实现覆盖我国及周边亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力。按照规划，到2020年左右，可以实现全球服务。
2.北斗卫星通信原理
每个北斗用户终端设备都有一个类似居民身份证号码的可识别唯一标识ID号，录入ID号的IC卡除了可以实现入网信息管理外，也可以实现北斗用户身份认证。通信的方式是用户起始终端将对方地址和电文发送到北斗卫星，北斗卫星再将目标地址和电文转发到地面控制中心，地面控制中心将译出的地址和通讯编码又通过北斗卫星发送到目的用户终端(图1)。北斗卫星的通讯容量最多可以一次传输628个二进制位，传输时间在一秒内完成。北斗卫星通信具有信号覆盖区域广，不受气候和环境因素影响，信息传输实时高效，性能稳定、通信信道保密性强，通信资费及后期维护费用低廉，提供统一时间基准和位置服务信息，组网方便，不依赖任何基础网络设施的优点，目前已经全部覆盖我国南海海域，非常适合在南海海域等GSM信号无法覆盖的区域使用。基于北斗卫星通信的航标遥测遥控系统，是将遥测遥控终端安装于浮标、固定标上（灯塔、灯桩、导标等），航标的位置信息、灯器设备的工作电流、电压数据，灯器的开关状态，太阳能板的充电电流等信息数据都会被数据采集模块采集，并判断工作是否正常，到一定的时间间隔后、接收到中心查询指令或出现报警时终端自动将数据按照通信协议打包通过串口发送到通信模块。遥测遥控终端通信模块通过北斗卫星的短报文功能以无线方式将数据发出，数据通过通信基站和交换中心全部集中发送到航标管理机构的通信服务器上，再经过通信服务器将遥测遥控信息发送到航标巡检系统上的遥测遥控系统监控平台。
3.基于北斗卫星通信的航标遥测遥控监控工作原理
航标灯器遥测遥控监控模块包括北斗卫星接收天线、北斗卫星收发处理模块、北斗卫星发射天线、电源模块和监测控制模块。北斗接收天线主要负责收集北斗卫星的导航信号；北斗收发处理模块功能是接收处理捕获跟踪经过变频、解调译码的北斗卫星导航信号，收取监控站给模块传递来的远程监控命令，并把收取到的远程管理命令通过串口发到监测控制模块。然后监测控制模块再通过串口将远程管理命令转发到航标灯器，达到控制航标灯器的工作状态的目的。监测控制模块则定时采集航标灯器的实时数据，把采集到的航标灯器数据通过串口传到北斗卫星收发处理模块，同时把信号的编码调制、变频并放大，最后利用北斗发射天线将射频信号再传输给北斗卫星。根据海上的复杂天气环境，需要模块安装于水密仓中，达到保护设备防水性、防腐蚀性、防盐雾侵害、防老化等功能。
3.1北斗通信协议
信息监测站将采集到的航标位置，工作电流、电压，灯器开启状态等数据通过信息编码编译成北斗终端能够接收的短报文格式，然后北斗发送终端发送此信息到北斗接收终端。北斗报文的短报文信息编码的基本形式一般是：传输通信的指令，传输指令的总长，北斗发射终端的ID，北斗接收终端的ID，北斗协议信息传输内容，北斗短报文内容总共长度，北斗短报文内容数据，传输内容的校验和。举个例子，ID号为425294的一台北斗卫星终端设备向另外一台ID号为425295的北斗卫星终端设备机发送一个阿拉伯数字信息123456，它的命令格式就如图2所示。
3.2北斗数据采集站程序流程
因为野外能源的限制，目前大多数航标采用太阳能板充电，蓄电池储存电能的方式给航标供电，因此带有遥测遥控模块功能的灯器必须是低能耗的。平均值滤波算法可以降低能源消耗，因此采用多次计算的方法来提高数据采集精确度，非线性曲线可以来拟合校正传感器。图3展示了数据采集程序流程。
3.3北斗通信程序流程
在受遥测遥控灯器的北斗终端通电之后，主控单元MCU首先发出检测命令，类似于先询问是否正确。如果北斗卫星回复可以，没有错误，那么主控单元MCU收到确认之后，就可以放心的向北斗卫星发送通信申请了。如图4所示。北斗卫星在接收到控制中心的远程数据时，单片机串口就采取中断方式，先按照位将数据存入存储空间中，然后再提取出需要修改的指令，最后完成相应的采集时间间隔等工作参数的设定。
3.4浮标监管双向通讯的实现
北斗卫星导航系统的特点是可以获知自己的位置，同时也可以将自己确定的位置发给其他用户。北斗卫星导航系统又可以利用短报文进行通讯，所以就可以实现北斗导航用户机模块与北斗卫星的双向通讯。目前，市场上的民用北斗通讯终端一次能够传输628个二进制位，因此北斗通讯终端一次可以传输的BCD码代码就可以达到157个，编码汉字14bit区位码44个。
4.基于北斗卫星通信的南海航标遥测
遥控系统框架基于北斗卫星通信的远程航标监测系统，也就是航标遥测遥控，是针对目前已经成熟完善的GSM公众服务信号网络平台覆盖不到的区域研究的，在这种区域常常伴有天气情况恶劣、交通不便、使用条件恶劣，维修维护困难，巡检人员平常难以到达的特点。航标遥测遥控系统主要包括采集航标工作状况数据信息、传输采集数据信息的通道、将接收到的数据信息进行处理和实时监控航标工作状态的中心四部分。整个工作流程是航标遥测遥控模块首先采集航标的各个工作参数，比如工作电流、工作电压，航标的位置信息，灯器开启状态，然后将这些信息转化为北斗卫星的短报文形式，借助北斗卫星传送回航标遥测遥控监控中心，监控中心将接收回的短板文进行处理后，通过操作界面来判断航标的各个工作参数是否正常。如果异常，则进行航标报警。航标遥测遥控操作界面能够达到以下目的：（1）实时监控航标工作状态功能:可以实时对航标的工作状态信息进行监控，也可以查询某一时间段的航标工作数据。如灯器的灯质信息、航标的位置信息，蓄电池的工作电压，充电电流息、太阳能板充电电压、充电电流等。（2）遥控航标灯器功能:可以对灯器的开启、熄灭进行遥控操作，也可以对航标灯器的灯质进行遥控，改变灯器灯质。（3）与遥测遥控灯器进行双向通信：可以实时从遥测遥控灯器获得工作状态，也可以实时将监控指令发送到灯器的遥测遥控模块。（4）浮标碰撞报警：如果浮标受到撞击，利用加速度传感器，可以对航标监控进行报警，提醒航标管理人员进行航标的保护、追查肇事船舶。（5）航标位置实时获取：通过装有定位模块的灯器，可以获得航标的实时位置信息，掌握航标的位移信息，也可以起到对漂失浮标实时定位的功能。
5.基于北斗卫星通信的航标遥测遥控系统功能
通常判断航标效能是否正常的四要素是：位置准确、灯质正常、涂色鲜明、结构良好。因此从航标管理机构的管理角度看，就要掌握以下遥测功能：（1）采集数据功能。监控终端采集航标灯的各种数据信息，主要包括：灯器的数据信息、灯船、灯浮标的位置信息及撞击信息、供电系统数据信息及其他辅助设施的数据信息。（2）灯器数据监测功能。灯器工作电压：精度等级：0.01；灯器工作电流：精度等级：0.01；灯质：IALA256种。（3）雷达应答器和其他航标设备。工作电流：精度等级：0.01；工作电压：精度等级：0.01。（4）航标的水平位置监测功能。经度：分辨率：0.0001（WGS84坐标系）；纬度：分辨率：0.0001（WGS84坐标系）；速度：浮标运动速度海里/小时。（5）蓄电池监测功能。电池电压：精度等级：0.01（V）；工作电流：精度等级：0.01（V）。（6）对航标数据持续监测、采集。航标故障的发生是不定时的，随机的，因此为了能够掌握航标的工作状况，需要一天24小时不间断的对航标的工作数据进行采集，如果出现航标故障时，可以随时报警处理。（7）遇到异常可自动报警。遥测遥控终端可根据航标管理机构设定的报警范围进行判断，航标的位移和灯器的工作电压、电流，及蓄电池的充电电流、充电电压超过设定范围时，则进行航标工作数据异常的报警。
6.结语
基于北斗卫星通信的航标遥测遥控，可以实现对航标灯器工作电压、工作电流的检测，实现对航标位置的检测，基贵州职称本满足航标管理机构的管理需求，能够替代航标现场巡检，延长现场航标巡检周期，起到节省航标维护费用，节省人力物力的作用，实现航标管理工作由汗水型向智慧型转变。
作者：冀振宇 单位：南海航海保障中心北海航标处
