采集系統衛星通信論文范文

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1衛星信號復用模塊

衛星信號復用模塊的功能是：將船載北斗收發設備與其原配的控制終端設備進行分離；將信號根據不同策略復用為兩路數據信號；提供與數據采集終端的接口。圖1給出了衛星信號復用模塊與系統的其他部分的連接的方式。其中的北斗衛星通信天線完成北斗信號的收發、導航信號的接收以及雙向數字接口的信號交互；北斗控制終端是國內北斗星通公司開發的多用途控制設備，其功能涵蓋了導航、軌跡錄、報文收發和緊急情況下的報警呼救等；數據采集終端是本系統中的采集數據的收發系統，利用人工輸入海洋資源數據，并通過衛星信道將數據發回北斗整列控制中心。衛星信號復用模塊是各個模塊的通信中樞，完成設備對信道的申請和釋放，并且為各個工作子系統供電，系統對其工作穩定性和可靠性提出了較高的要求。圖2給出了衛星信號復用模塊的內部結構圖。其中RXD_T和TXD_T分別表示RS232電平的北斗衛星天線的數據收發信號；RXD_K和TXD_K表示北斗控制終端的RS232數據收發信號；RXD_C和TXD_C表示數據采集終端的數據收發信號。其結構比較簡單，但是在前期的設計和測試中發現了一系列可靠性問題。長時間地將數據采集終端以在線方式工作會造成衛星天線或者控制終端無法收發數據，因此在設計上采用了回饋電源模式，即當采集器不工作時，切換電路工作于信號直接切換模式，信道不受數據采集器控制。同時還發現當數據采集器不工作時，地線連接會造成數據串擾，所以在設計中采用了地線切換模式，當采集器不工作時將地線斷開。為了進一步提高可靠性，降低干擾，信號切換沒有采用有源的電子器件，而采用了電磁式繼電器，當采集器不工作時系統的信號處于機械切換模式。采取上述措施后，系統無響應和數據通信失敗的現象基本沒有出現。

2控制終端設計

控制終端是數據采集人員的操作設備，其功能是輸入采集的數據并且將數據發送。控制終端采用了ARM9架構的S3C2440作為核心處理器，利用自主開發的嵌入式操作系統，采用面向對象技術進行開發。其設計的模塊結構圖見圖3。S3C2440核心板上有SDRAM與NANFLASH，分別用于應用程序的執行和程序的存儲；北斗控制終端接口包含了北斗天線的串行控制口和電源；智能液晶顯示接口通過串口2將核心板的顯示控制數據傳遞給智能液晶模塊；陣列式掃描接口讀取操作人員的輸入鍵值用于數據控制。控制終端的軟件結構圖見圖4。掃描鍵盤處理模塊驅動陣列式鍵盤，讀取用戶的輸入鍵值，并提交系統處理；智能終端GUI模塊負責用戶的圖形界面處理，主要功能包括控件界面繪制，事件響應以及消息傳遞；GPIO電路驅動模塊用于控制衛星信號復用模塊的北斗信號切換，以及北斗系統電源的管理；偽漢字空間的轉換模塊負責將采集到的數字信號映射到GB2312的漢字空間，以適應北斗衛星通道的數據傳輸；稀疏數組壓縮模塊解決了北斗數據包短，而采集數據量較大的問題，通過自定義的無損壓縮算法，將采集的數據高效率壓縮以適應北斗數據通道的特點；北斗數據編碼解碼模塊負責將處理好的數據以北斗規定的格式編碼和解碼；系統參數管理模塊負責管理存儲在智能終端中的系統參數，以配置不同的應用方案。

3偽漢字編碼方案

北斗衛星通信系統對用戶的級別做了嚴格限制，民用的北斗運營商普遍采用了內容過濾程序，即當發現傳輸內容為GB2312國標碼時，允許數據通過，當發現傳輸內容為非GB2312國際碼時不允許數據通過。數據采集的數據格式不符合GB2312編碼標準，因此在系統設計上遇到了數據無法傳遞的困難。為了解決上述問題，設計了偽漢字編解碼方案。其基本思路是：編碼時將原始的數據流進行分解，分配到多個漢字空間，解碼時從漢字空間提取出數據流，并且將拆分的數據進行合并。GB2312是北斗采用的漢字通信系統，用于民用終端的數據發送。GB2312中每個漢字由2個字節組成，第一個字節的范圍為176~247，而第二個字節的范圍為160~254。因此第一個字節的有效編碼空間為0~71，而第二個字節的編碼空間為0~94。為了簡化算法，將兩個字節的編碼空間都設置在0~63即2的6次方范圍內。實際上將數據看成一個Bit流，將8Bit為單位分解為6Bit為單位，其示例圖見圖5。圖中上方的8Bit的3個字節被看成24Bit的數據，在圖中部分解到4個字節，每個字節為6位，高2位補零。實際上上方的數據與中部的數據從Bit流看來都是24Bit。得到4個字節的6Bit數據后，在每個字節上加上176得到圖5中下部的數據，即偽漢字編碼。該編碼的范圍位于GB2312的范圍內，可用于北斗信號的數據傳送。解碼的過程與編碼的過程相反，不再敘述。在編碼的過程中還會遇到實際問題：圖5中演示的情況屬于比較特殊的情況，輸入的數據的字節數量是3的倍數，輸出的字節數量為4的倍數。現實的數據流不一定滿足上述要求，例如如果輸入的數據是4個字節，輸出需要的字節數是6個字節；如果輸入的是5個字節輸出的需要6個字節。這樣會給編解碼帶來巨大的困難。為了簡化編解碼，可以將數據進行特殊的處理，辦法是在傳遞的數據中增加一個數據的長度指示，并且將數據進行整數倍拼湊。其過程見圖6。在數據的頭部附加了一個長度指示器，其作用是當收到的數據后部附加的有PAD時可以將原始的數據提取出。PAD是附加在有效數據后面的無效數據，PAD的數量根據原始數據長度變化，其數量為0~2個。數據擴展的原則是將數據的整體長度擴展為3的倍數。這樣得到的偽漢字編碼的數據長度就是4的倍數，如此擴展的目的是有利于編碼和解碼。

4北斗數據通訊陣列與系統整體架構

由于北斗系統是軍民兩用系統，并且隨著用戶數量的增加，通信帶寬日益緊張，為了保障系統中的高級用戶權限，對用戶的收發信息的頻度做了限制，平均一分鐘才能發送一條信息。而對于接收信息的頻度卻沒有限制，所以信息的接收相對較快。由于北斗的信息通道采用了無驗證的協議，發送方無法得知接收方是否成功接收數據。為了保證通信的可靠性，本數據采集系統對北斗通信協議進行了改進。具體方法為：發送方發送消息后，從系統中獲取一個隨機變量用于產生延時，如果在規定的時間長度內沒有收到對方發來的驗證數據就繼續發送，直到成功收到接收方的驗證數據報。采用上述協議后，系統通信的可靠性得到了提高，但卻給北斗的通信系統帶來的嚴重負擔。特別是隨著采集系統數量的增加，控制中心的通信負擔日益加大，采集終端數據發送的成功率也大幅下降，嚴重影響了系統的正常工作。為了提高系統的數據吞吐率，利用北斗系統收發速率不平衡的特點設計了北斗衛星陣列，采用了單點接收設備以及多點發送的通信模式。當接受北斗設備收到采集系統來自海上的信息后，根據負載平衡的算法，從發送陣列中選擇一個空閑設備完成數據發送。如果沒有空閑設備就根據負載最少原則獲取北斗發送設備并將數據壓入發送消息隊列。采用北斗陣列和負載平衡算法后，數據的吞吐率提高，系統的反應速度加快，也提高了采集設備的用戶體驗。系統的整體結構見圖7。多個北斗設備通過統一的網關接入北斗應用服務器，相關的控制軟件運行在其上，負載解析和實現北斗設備的控制協議，系統的負載平衡以及將采集的數據回寫到數據庫服務器。系統決策服務器上運行的軟件負責解析數據，分析相關的資源信息，以及GIS的控制信息。Web服務器對通過VPN網關的遠程用戶提供了數據訪問服務，由于數據涉密，對不同的用戶采用了硬件加密的認證模式，數據的傳輸也經過了加密通道的處理。

5實際應用

該研究項目經過多年的研發已經在海洋漁業資源、海洋生態和海洋安全方面得到廣泛應用。為了分析海洋漁業資源，在本終端上設計了漁業捕獲實時報告系統。具體方法是針對漁業捕撈的的各種船型，每種船型選擇常見的50種魚類，將魚類的名稱和圖片寫入終端。船員在捕撈結束后利用本終端將各種魚類的產量通過北斗發送給控制中心。其中的數據不僅有漁獲產量，而且還有捕撈的時間和地點，控制中心將數據記錄入數據庫后，結合相關的港口漁獲數據，以及海洋衛星遙感數據，可以分析海洋魚類的巡游規律，并且指導漁業生產。漁業管理部門也可以了解海洋整體上的生產情況，以便合理地進行生產管理。目前已經在南海生產漁船上安裝了近300套設備，大部分設備工作正常。圖8給出了第二代漁獲采集終端實物，圖9給出了GIS軟件上的安裝了設備的漁船的作業分布圖。該系統還用于漁場預測，結合衛星遙感信號得到的溫度、洋流和葉綠素等相關因素，根據終端傳回的數據，分析漁場并將得到的預報信息通過控制中心發送到終端上，從而指導漁業生產，減少資源消耗，提高經濟效益。圖10給出了漁場預報的樣圖。該設備還用于增值放流工作的檢測：為了保證漁業資源的穩定，需要人工放流魚種。為了跟蹤放流魚種的生長和巡游情況，放流前在部分魚種上留有標志，并且在放流前將標志與魚種信息記錄在數據庫中，當魚被裝有終端的漁船捕獲后，船員將魚的參數和標志編號輸入終端，通過北斗發回控制中心，相關的放流數據就可以進入軟件分析，從而得到放流的效果評估。目前本終端還具有了天氣預報信息的發送以及他國漁船越界捕魚事件報告的功能，可以在漁業安全和保護國家漁業資源等方面發揮作用。

6結束語

北斗衛星船載數據采集系統是針對大面積海洋資源數據采集設計的集成系統，涵蓋了嵌入式系統技術、衛星通信技術、偽漢字編碼技術、數據庫技術、WEB技術以及數據安全技術。研究的內容涉及硬軟件開發技術、通信協議設計技術、編碼技術、GIS技術、數據庫訪問技術以及Web開發技術等各個方面。項目經過樣機研發、小規模測試到大規模推廣等各個階段，目前已經在南海的船舶上得到推廣應用，獲取了大量的南海資源數據，并在數據分析的基礎上產生了一批相關成果。在今后的工作中，該系統將和正在研發的船載無人數據采集系統相結合，將現場采集數據與資源采集數據相融合，進一步研究海洋的規律，為科研和生產服務。

作者：鄧銳王峰陳海生陳亮單位：廣東海洋大學智能工程研究所