一种基于北斗星基增强系统和短报文功能的海洋监测浮标的制作方法

本发明属于航运和卫星导航技术领域，尤其涉及一种基于北斗星基增强系统和短报文功能的海洋监测浮标。

背景技术：

海洋浮标是海洋环境自动观测平台，是现代海洋环境立体监测系统的重要组成部分。它具有自动、长期、连续收集海洋环境资料的能力，即使在恶劣环境或其他现场监测手段都难以或无法实施监测的时候，海洋浮标仍能有效工作。海洋浮标是保障海上船舶安全航行的重要设施，可以为海上船舶在夜间和雾天、阴雨天等恶劣天气条件下提供导助航服务。

北斗卫星导航系统尚未大范围地应用于海洋监测浮标，现阶段的北斗海洋监测浮标存在以下缺陷：

1、由于浮标在水上漂浮，受到海浪作用力的影响，浮标前后左右摇摆，进而造成北斗RDSS终端天线的前后左右摆动，天线发射的信号不能成功上星，最终导致北斗浮标发射和接收指令的成功率偏低，成功率一般不超过60％，严重影响和限制了北斗浮标的推广。如图2所示，正常北斗天线发射增益集中在水平15～165度之间(即图中阴影区域)，当北斗天线前后左右摇摆幅度超过这个范围时，北斗卫星将无法正常接收北斗RDSS终端发射的北斗信号，进而产生发送报文丢失。

2、目前北斗民用短报文发送频度通常为每分钟1次，每次最多120个汉字，其信息传输速率最大为1.92kbps。相比于其他通信方式，北斗的信息传输速率较低，现有的北斗短报文发送频度和单次发送信息量已经明显不符合实际需求。

3、由于受航行船舶冲撞、潮汐、水体流动和风浪等人为和自然因素影响，会使浮标偏移设定的运动范围，从而带动水下的铁锚移动，或者在锚链断裂的情况下，出现浮标漂移的现象。一般要求浮标监控系统定位精度为5m，现有的浮标监控系统定位精度无法满足该要求。

4、由于常年处于无人值守的工作状态，导致海洋浮标维护保养困难，容易受到外力有意或者无意的撞击破坏，甚至受到不法分子偷盗，急需加强海洋浮标防撞研究和被盗后的定位追踪。

技术实现要素：

北斗星基增强系统是北斗卫星导航系统的最新发展，主要是利用精确坐标已知的基准站网，对卫星导航系统的空间信号误差进行校准，向地/海面接收机终端播发或转发误差改正数，地/海面接收机接收到误差改正信号后，对原有定位数据进行修正，可得到最高精度为厘米级别的定位数据。

本发明针对上述问题，提出了一种基于北斗星基增强系统和短报文功能的海洋监测浮标，具体包括：浮标传感器单元、数据处理单元、北斗天线集群、北斗星基增强接收机、北斗短报文通信模块、防撞报警评估装置、被盗追踪系统、圆盘形钢质外壳、锚泊系统和供电系统。

所述浮标传感器单元包括姿态传感器和温度传感器，姿态传感器具备六维数据采集能力，包括三轴加速度、二维倾斜、方位等信息；温度传感器采用高精度铂热敏电阻采集温度信息；所述数据处理单元主要完成对姿态传感器和高精度铂热敏电阻实时感知的各类监测数据进行接收、滤波、信号变换、传输等处理；

所述北斗天线集群是指将多部北斗天线按照倒圆锥的形式捆绑形成北斗天线集群，并将所述北斗天线集群固定在三轴稳定平台上，解决浮标由于海浪的作用前后左右摇摆、造成北斗天线的前后左右摆动、天线不易对准卫星、最终导致发射北斗短报文信息失败和接收卫星定位数据不稳定的问题。

所述北斗星基增强接收机实时接收通信卫星播发或转发的多个北斗星基增强信号，修正自身定位数据，进而获得厘米级精度的定位信息，为浮标被盗之后进行追踪定位提供高精度定位信息；

所述北斗短报文通信模块采用自适应北斗集群数传技术提高北斗RDSS短报文发送频度，具体包括：实时接收要传送的数据，对接收数据进行存储、数据处理后送至n个北斗RDSS模块，由时序控制模块控制n个北斗RDSS模块以一定时间间隔依次接通并发送数据，n为大于等于1的正整数。

采用自适应北斗集群数传技术对北斗RDSS模块进行优选，根据用户的使用需要，自动选择最优的北斗RDSS模块数，并接通相应的模块，减少RDSS集群发射的模块数；通过采用改进数据压缩、位拼接和长报文通信等北斗短报文通信技术，提高北斗RDSS短报文的通信容量和速率。

所述防撞报警评估装置包括声音识别模块、激光测距雷达、AIS接收设备、三轴加速度计和控制模块，防撞报警评估装置能够完成对接近浮标的物体和人员的探测和识别，当浮标即将被撞击前，能够发出告警提示，当浮标被撞击后，能够对浮标被撞情况以及肇事船舶信息进行记录，并将数据传回岸上监控平台，为岸上值守人员评估浮标受损情况和对肇事船舶追责提供数据支持。

所述三轴加速度计实时感受浮标被撞击强度和瞬时加速度的变化量，根据计算模型和瞬时加速度的变化量，评估浮标被撞击的程度，再通过北斗短报文功能，将监测到的瞬时被撞击产生的加速度值传回岸上监控平台，为岸上值守人员及时发现和分析浮标被撞情况提供参考数据。

所述被盗追踪系统对浮标高精度位置信息进行实时解算和判断，当位置信息偏离设定阈值时，认定为浮标被盗或者锚链断裂，及时发出告警信息，将浮标实时高精度位置信息通过北斗RDSS功能传回岸上监控平台，为岸上值守人员及时发现和跟踪浮标去向提供参考数据。

所述供电系统采用柴油发电机供电，同时配备太阳能电池板、风力发电机、波浪发电机和蓄电池组。采用各种形式互补供电，保障海上长期阴雨天气、恶劣海况下浮标的不间断供电。

本发明的海洋监测浮标直径大于10m，能够全天候、连续、自动采集和传输海上水文气象资料，监测系统由浮体、锚泊系统和岸站接收装置组成，浮体上承载各类传感器，主要观测项目包括：风向、风速、气温、湿度、气压、降水、能见度、水温、盐度、波浪、海流等；锚泊系统主要由钢筋混凝土重力式锚、柔性锚链和系链环组成。

本发明提出的一种基于北斗的海洋监测浮标，主要是通过在浮标上安装具有北斗短报文功能、能够接收星基增强改正信号的北斗终端接收机，将浮标采集器采集到的各种数据信息以及自身工作状态信息(例如：气象、水文、温度等信息，接收北斗信号功率强度信息，高精度位置信息、速度信息，加速度信息，电池电压、电流、灯的状态等信息)经过北斗卫星链路发送到陆地的北斗指挥机，北斗指挥机将接收的数据信息进行解包和处理后，最终直观的显示给用户，原理示意图如图1所示。

本发明的有益效果在于：

1、提高了北斗浮标发射和接收指令的成功率，其成功率可以达到98％以上，能够满足用户需求；

2、有效提高了北斗短报文的发送频度和单次信息发送量，在同样时间内可以发送更多的有用数据；

3、根据数据量大小及用户所需数据发送时间间隔，自动优选需要工作的北斗集群数传RDSS模块数，有利于节省浮标上宝贵的电力资源，节约北斗短报文通信信道资源，提高浮标工作寿命；

4、能够实时掌握浮标工作状态和位置信息，有效地对浮标偏移进行辨识，降低浮标管理人员的劳动强度以及浮标维护的费用，提高浮标管理效率；

5、有效防止海洋浮标受撞击破坏，提高使用寿命，实现浮标实时高精度位置信息的测量，及时发出告警信息，为值守人员及时发现和跟踪浮标去向提供帮助。

附图说明

图1是本发明基于北斗的海洋监测浮标工作原理示意图

图2是波浪摇摆对北斗浮标RDSS终端的影响示意图

图3是当前北斗浮标RDSS终端的发射流程图

图4是本发明北斗RDSS终端天线倒圆锥捆绑发射示意图

图5是本发明提高北斗浮标信息发送成功率方案流程图

图6是本发明提高北斗浮标信息发射频度和单次发送字节方案流程图

图7是本发明基于北斗星基增强的浮标监控系统

图8是本发明北斗海洋浮标防碰撞和被盗追踪系统功能框图

具体实施方式

下面结合附图，对具体实施例作详细说明。

本发明提出一种基于北斗星基增强系统和短报文功能的海洋监测浮标，包括浮标传感器单元、数据处理单元、北斗天线集群、北斗星基增强接收机、北斗短报文通信模块、防撞报警评估装置、被盗追踪系统、圆盘形钢质外壳、锚泊系统和供电系统。

浮标传感器单元包括姿态传感器和温度传感器，姿态传感器具备六维数据采集能力，包括三轴加速度、二维倾斜、方位等信息；温度传感器采用高精度铂热敏电阻采集温度信息；所述数据处理单元主要完成对姿态传感器和高精度铂热敏电阻实时感知的各类监测数据进行接收、滤波、信号变换、传输等处理。

供电系统采用柴油发电机供电，同时配备太阳能电池板、风力发电机、波浪发电机和蓄电池组。采用各种形式互补供电，保障海上长期阴雨天气、恶劣海况下的不间断供电。

海洋监测浮标直径大于10m，能够全天候、连续、自动采集和传输海上水文气象资料，监测系统由浮体、锚泊系统和岸站接收装置组成，浮体上承载各类传感器，主要观测项目包括：风向、风速、气温、湿度、气压、降水、能见度、水温、盐度、波浪、海流等；锚泊系统主要由钢筋混凝土重力式锚、柔性锚链和系链环组成。

本发明针对现有技术中北斗海洋监测浮标存在的缺陷，提出以下解决方案：

(一)、北斗浮标信息发射成功率低的解决方案

北斗浮标通常是在固定的时间点，将北斗浮标的各种状态参数以及各类传感器采集的信息通过北斗RDSS终端进行发送，但由于海浪的波动影响，在固定时间点进行发送信号时，北斗RDSS终端天线恰巧处于前后左右摇摆的位置，因此造成北斗信号无法上星，报文丢失。当前北斗浮标RDSS终端的发射流程如图3所示。

针对上述造成北斗RDSS终端发射成功率偏低的问题，将多部北斗RDSS终端天线按照倒圆锥的形式进行捆绑，如图4为一种简易的北斗RDSS终端天线倒圆锥捆绑示意图，需要指出的是，图4仅仅只是一种简单示意，实际北斗RDSS终端天线根据监测需要可以增加或减少。

实际工作流程：将浮标采集的信息以报文的形式存储在用户机缓存内，然后用户机对多部北斗RDSS终端信号功率状况进行检测判断，当判断到当前RDSS终端功率状况低于成功发射的指标要求时，不发射，对下一部北斗RDSS终端信号功率状况进行检测判断，一旦监测到功率满足要求时，立刻进行发射，这样就可以很好的解决北斗RDSS终端发射成功率偏低的问题，而且用户如果发现某个用户机没有成功送报文过来，可以手动远程激发北斗RDSS终端再次进行发送。这种方式经过实践检验，成功率可以达到98％以上，可以满足用户的需求，工作流程图如图5所示。

(二)、北斗浮标信息发射频度低和单次发送字节受限的解决方案

采用北斗集群数传技术提高北斗RDSS短报文发送频度，在不改变北斗SIM卡发送频度和单次发送信息量的前提下，通过多张卡旳轮流发送来提高发送频度和信息传输速率。

首先，提高北斗传输量。普通的北斗用户机短报文功能传输的信息量，无法满足海洋浮标监测信息的传输需求，需要采用集群数传的技术来提高发送频度和传输量。其次，制定通用的标准化通信协议。实现数据交换、信息的打包传输及兼容其他数传模式，实现无缝连接，必须对信号进行编码，建立海洋浮标监测信息的北斗通信标准化协议，功能组成结构框图如图6所示。

主要思路：首先，实时接收要传送的数据，对接收数据进行存储，然后进行数据处理，数据处理主要包括数据清洗和数据完好性比对，再送给n(n≥1)个北斗RDSS模块，由时序控制模块控制n个北斗RDSS模块以一定时间间隔依次接通，将数据发送出去，这样就可以实现北斗短报文发送频度的控制。例如，如果想实现每隔30秒发送一次数据，就可以使用2个北斗RDSS模块，假设第一个RDSS在T0时刻发送，则第二个RDSS在T0+30秒时刻发送。如果想实现每隔20秒传送一次数据，就可以使用3个北斗RDSS模块，假设第一个RDSS在T0时刻发送，第二个RDSS在T0+20秒时刻发送，第三个RDSS在T0+40秒时刻发送，依此类推，理论上可以实现任意发送频度。

时序控制的主要思路分三种情况：

(1)第一种情况，数据量正常

根据时序控制模块的指令，RDSS模块以一定时间间隔和规律依次接通，将数据发送出去。假定需要间隔x秒钟发送一次数据，则最多需要的RDSS模块数量和时序控制思路如下：

1)当60/x能够整除时

当60/x能够整除时，需要60/x个RDSS模块。具体发送信息时，时序控制模块按照固定间隔依次接通RDSS模块，首先接通第一个RDSS模块，然后第二个RDSS模块，直至接通第60/x个RDSS模块，然后再循环接通第一个RDSS模块，依次循环接通其他RDSS模块。例如，需要间隔10秒钟发送一次数据时，则需要60/10＝6个RDSS模块，时序控制模块依次接通第1-6个RDSS模块，然后再回头接通第一个RDSS，循环往复。

第一个RDSS模块：第0秒；

第二个RDSS模块：第10秒；

第三个RDSS模块：第20秒；

第四个RDSS模块：第30秒；

第五个RDSS模块：第40秒；

第六个RDSS模块：第50秒；

第一个RDSS模块：第1分钟。

2)当60/x不能够整除时

当60/x不能够整除时，需要60/x(取商)+1个RDSS模块。具体发送信息时，时序控制模块按照固定间隔依次接通RDSS模块，首先接通第一个RDSS模块，然后第二个RDSS模块，直至接通第60/x(取商)+1个RDSS模块，然后再循环接通第一个RDSS模块，依次循环接通RDSS模块。

例如，需要间隔8秒钟发送一次数据时，则需要60/8(取商)再加1，即8个RDSS模块，时序控制模块依次接通第1-8个RDSS模块，时序分配如下：

第一个RDSS模块：第0秒；

第二个RDSS模块：第8秒；

第三个RDSS模块：第16秒；

第四个RDSS模块：第24秒；

第五个RDSS模块：第32秒；

第六个RDSS模块：第40秒；

第七个RDSS模块：第48秒；

第八个RDSS模块：第56秒；

第一个RDSS模块：第1分4秒。

也就是说，第一个RDSS模块发送第一次后，过了1分4秒发送第二次，其他依此类推类推。

(2)第二种情况，数据量偏大

在数据量偏大的时候，为了缓解RDSS模块收发的负担，可以用数据存储模块先对数据进行缓存，然后根据时序控制模块的控制信号，采用第一种情况下的算法流程，依次接通RDSS模块进行数据的发送。

(3)第三种情况，数据量为零

在数据量为零的时候，为了节约能源和节省宝贵的通信信道资源，根据时序控制模块的控制信号，关闭RDSS模块的收发。

(三)、基于北斗星基增强的浮标监控系统解决方案

基于北斗星基增强的浮标监控系统如图7所示，主要由地面参考站网、数据处理中心、地面上行站、空间段以及浮标终端组成。

地面参考站网由一定数目的监测站及控制中心组成，监测站对北斗导航卫星进行实时的数据接收，获取观测数据发送控制中心，控制中心汇总地面参考站网中所有监测站的实时数据、非实时数据、气象数据及监测站坐标并向数据处理中心传送北斗观测数据。

数据处理中心是整个北斗星基增强系统的核心，负责完成数据接收、北斗精密轨道确定、北斗精密钟差确定、区域电离层建模、增强信息生成。另外，还具备系统运营、维护、控制能力，确保整个星基增强系统的有效运转。

地面上行站主要负责从数据处理中心获取系统增强电文信息，进行信号处理和功率放大后，通过天线上行注入到通信卫星中。同时，上行站还负责接收通信卫星下行信号，实现下行监测功能。

空间段主要包括北斗星座和通信卫星，其中，通信卫星负责接收地面上行站上传的增强信号，播发/转发给终端用户。

用户终端接收增强信号和北斗信号进行解调得到增强信息和观测数据，利用增强信息和观测数据进行定位解算，进而获取厘米级精度的定位信息。

(四)、海洋浮标防碰撞和被盗追踪解决方案

如图8所示，北斗海洋浮标防碰撞和被盗追踪系统主要由北斗浮标、岸基浮标监控平台以及空间星座部分组成，其中北斗浮标由激光测距雷达、北斗星基增强高精度定位板卡、控制中心、三轴加速度计、北斗RDSS模块、北斗天线等组成，岸基浮标监控平台主要由北斗指挥机和监控中心组成。

激光测距雷达主要完成对浮标周围物体与浮标距离的探测，将探测信息传入控制中心，并受控制中心控制。

三轴加速度计主要完成浮标三轴加速度变化量的感知，将感知到的信息传入控制中心，并受控制中心控制。

北斗星基增强高精度定位板卡主要完成对浮标位置的高精度定位，将定位信息传入控制中心，并受控制中心控制。

北斗RDSS模块采用上述北斗集群数传、改进数据压缩、位拼接和长报文通信等技术，完成北斗短报文信息的上传和接收岸基浮标监控平台经北斗星座下发的各种控制指令。

北斗天线采用上述倒圆锥捆绑的方式，主要完成北斗定位信息和RDSS短报文信息的收发。

控制中心是北斗浮标的核心单元，完成以下工作：1)完成激光测距雷达探测信息的接收、解算、判断，发出相关告警信息，并通过RDSS通道传回岸基浮标监控平台；2)完成三轴加速度计探测信息的接收、解算、判断，并通过RDSS通道传回岸基浮标监控平台；3)完成北斗星基增强高精度定位板卡实测的浮标高精度位置信息的接收、解算、判断，当位置信息偏离设定阈值时，发出告警信息，并通过RDSS通道传回岸基浮标监控平台；4)完成北斗RDSS模块信息收发控制。

北斗指挥机完成地面北斗RDSS信息的接收，根据需要通过北斗卫星数据链通道向浮标RDSS终端发出控制指令。

监控中心是岸基浮标监控平台的核心单元，是最终面向用户的部分，完成浮标监测信息和告警提示的分析、显示、打印和存储等功能，还通过北斗指挥机发出各种控制指令，对浮标终端进行设置。

具体工作流程：通过在浮标上安装激光测距雷达，实时感知浮标周围物体反射的雷达回波信号，进行距离解算，得出物体与浮标的精确距离。根据物体距离浮标的远近程度，分别用绿灯、黄灯和红灯进行警示。当距离大于50米时，用绿灯表示安全；当距离大于20米小于50米时，用黄灯提示谨慎驾驶，并以中英文交替的形式发出“距离过近，请迅速离开！”的告警提示；当距离小于20米时，用红灯表示警告非常有可能发生撞击，并以中英文交替的形式发出“撞击危险，请迅速离开！”的告警提示；当浮标被撞击时，通过安装在浮标上的高性能三轴加速度计感受撞击强度，根据计算模型和瞬时加速度的变化量，监测浮标被撞击的强度，再通过北斗短报文功能，将监测到的瞬时被撞击产生的加速度值传回岸上监控平台，为岸上值守人员及时发现和分析浮标是否被撞，提供参考数据。监测数据存储在设备硬盘中，存储时间根据用户需求设定。

浮标控制中心控制北斗星基增强高精度定位板卡完成浮标实时高精度位置信息的测量，并对高精度位置信息进行实时解算和判断，当位置信息偏离设定阈值时，认定为浮标被盗或者锚链断裂，及时发出告警信息，并通过北斗RDSS通道传回岸基浮标监控平台，并及时将浮标最新位置信息传回岸上监控平台，发出告警信息，为岸上值守人员及时发现和跟踪浮标去向提供高精度位置信息。

所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。