引言

目前執行海洋調查測量任務的各調查測量船都是單獨作業的單點模式，各調查測量船的基本功能是調查采樣、數據采集、以及樣品和數據的初加工與存儲，待艦船返航到岸站處理中心后再將數據加工成信息產品并發布，不能實時與岸站、其他船只或海洋觀測手段等進行實時數據傳輸，存在產品發布周期長、數據更新慢等不足。本系統根據調查測量船測量設備現狀和作業模式，分別在監控中心和測量終端搭建硬件平臺，研制專用測控軟件，并利用北斗系統數據通信功能在監控中心和測量終端之間進行數據傳輸和指令交互，即將各測量終端采集的測量狀態數據按要求實時傳送至監控中心，監控中心對接收到的數據進行實時處理和分析，并可根據任務需求向各測量終端下達控制指令，以指導和監控各測量終端的測量過程，從而形成在監控中心集中控制下的多艘測量船同時進行測量的分布式測量作業模式，達到提高測量數據的質量和測量作業效率的目的。

1 總體方案設計

北斗衛星是我國具有自主知識產權的衛星通信導航定位系統，信號覆蓋范圍為我國領土及周邊地區。北斗衛星系統兼具導航定位、短信息通信、精密授時三大功能，可全天候、全天時提供衛星導航信息和短信息傳輸服務，可在我國及周邊廣大地區，為公路交通、鐵路運輸、海上作業、水文、氣象等領域提供定位及數據通信服務。

本系統主要由監控中心、監測終端兩部分組成。本方案研制中，繼承北斗用戶機通用技術，將用戶機劃分為天線、射頻通道、基帶數字信號處理、數據處理、電源模塊和結構六大單元。同時針對分布式海洋調查測量的具體應用需求，需要研制監測中心的應用軟件和嵌入式數據采集儀，對數據采集、分包進行優化處理。系統總體設計如圖1所示。

監測中心用于接收各監測終端的數據采集儀所上報的采集數據，并通過上層應用軟件對數據進行分類、分析、整理、備份；同時需監控各監測終端的定位、通信等信息，具備通播發送、在電子海圖上跟蹤所選目標、軌跡回放、點名定位、電子羅盤導航等指揮調度功能。

嵌入式數據采集儀應具備高分辨率彩色屏幕，大字體、高亮度，以方便操作人員對采集數據工作和設備工作狀態進行直觀觀察；同時內嵌WinCE操作系統，具備按鍵、觸摸屏雙重輸入方式，從而使得操作簡單易用。嵌入式數據采集儀與北斗用戶機配套使用，采集儀具備多路串口，可同時接駁不同設備進行數據采集工作，采集后的數據通過北斗用戶機發送到監測中心。

船舶北斗監測與數據采集要求北斗用戶機具有防水、抗腐蝕、抗鹽霧強的特點，同時可接駁高精度GPS,將定位結果、航速、航向等采集信息通過北斗鏈路發送到監測中心。

2 關鍵技術

2.1 監測中心設計

調查測量監測中心采用北斗一號指揮型用戶機，該產品可同時接收3顆北斗衛星6個波束的信號，IC卡拆卸安裝簡便快捷，具備在電子海圖上跟蹤所選目標、軌跡回放、點名定位、電子羅盤導航等實用功能，操作界面美觀、簡單易用。在電池沒電的情況下可直接使用交流適配器工作，環境適應能力滿足野外環境使用。該產品可選擇兩種安裝方式，如圖2所示。

2.1.1 硬件單元

該產品采用“一線通”設計原理，天線與主機之間采用一根同軸電纜連接，使得安裝更加可靠、便捷。主機正面具備三星六波束指示燈，便于對用戶機系統工作狀態進行監測。整機采用1U高度設計，安裝拖架后可架設到標準19寸機柜中。

2.1.2 軟件單元

PC平臺數據采集軟件裝載到監測中心，實現多個遠端設備北斗通信數據接收、處理，實現遠端設備的數據采集控制，能夠識別和處理遠端設備上報的北斗、GPS位置，實現監控指揮終端設備狀態等功能。PC平臺數據采集軟件采用N-TIER分層架構設計，面向對象的軟件設計和實現方法。縱向架構層面上，軟件系統提供硬件解析層、數據處理層和應用層三大層面。在每個大層面上又包含若干小層面的抽象、影射、實現和封裝。采用這種設計最大限度地降低軟件的耦合性，具有較高的可靠性、可維護性和可升級性，軟件的總體設計圖如圖3所示。

其中自上而下又可以劃分為如下功能模塊：

（1）采集數據處理模塊。能夠接收遠端設備發送的北斗通信報文，實時處理和暫存接收到的采集數據，實時顯示報文接收狀態，丟失數據采集報文時應自動控制遠端設備進行補發，并按照長報文數據交換格式拼接接收到的報文，采集數據正確、完整接收到后通過交互接口存入信息存儲模塊，用于事后采集數據的分析。

（2）北斗定位模塊。能夠接收和處理所有遠端設備申請的北斗定位信息，并能通過交互接口存入信息存儲模塊，以用于后續北斗與GPS數據進行定位精度、使用性和適用性等定位系統應用性分析。

（3）GPS數據模塊。能夠接收和處理所有遠端設備上報的GPS信息，并能通過交互接口存入信息存儲模塊，以用于后續北斗與GPS數據進行定位精度、使用性和適用性等定位系統應用性分析。

（4）設備狀態模塊。顯示指揮終端的北斗卡信息，實時監控和顯示指揮終端的設備狀態。

（5）數據存儲模塊。存儲和管理北斗定位、GPS定位和采集數據，并可以根據用戶需要導出為TXT格式或Excel格式文件。

2.1.3 監測中心的主要功能

（1）實時接收下屬用戶所傳輸的上報數據。能夠實時接收數據采集中心、船舶、車輛、高精度GPS等終端用戶所上報的采集數據；自動對上報的采集數據進行分類分析、匯總。

（2）下屬用戶位置、短信息監控。下屬用戶位置信息可在監測中心軟件系統中的電子地圖上顯示跟蹤，進行可視化動態監控；點名定位功能（可以指定所轄下屬用戶進行定位）；可與下屬用戶進行短信息通信；具備地圖漫游和顯示、短信管理、軌跡回放等功能。

（3）信息管理功能。所有信息均應有相應的自動管理備份功能；具備對所有存儲的歷史數據進行分類統計和查詢功能。

2.2 監測終端嵌入式數據采集儀設計

監測終端的船舶上統一配備北斗一號通信型終端、嵌入式數據采集儀及各種調測設備。北斗一號通信型終端是在保留北斗普通型用戶機全部功能的基礎上，針對各類無人值守數據采集站的使用特點而開發研制的一體型用戶終端。除保留北斗定位、通信等功能外，將主機內部核心單元進行一體化設計，大大縮小了整機體積，同時采用特種外殼對設備進行封裝，適用于高鹽霧、高濕熱等惡劣工作環境。同時，待機功耗進一步降低，以適應長時間工作的需要。嵌入式數據采集儀采用多路串口，可同時接駁多種數據采集設備，內嵌WinCE操作系統，可同時監測接駁設備的工作狀態，同時配套北斗一號通信型終端，將采集到的數據轉發給監測中心。如圖4所示。

2.2.1 硬件單元

嵌入式數據采集儀顯示屏采用640×480高分辨率彩色屏幕、大字體、高亮度、操作界面簡單易用；支持3路以上串口，內嵌WinCE操作系統，并且具備按鍵、觸摸屏雙重輸入方式。

北斗一號通信型終端是在保留北斗普通型用戶機全部功能的基礎上，針對各類無人值守數據采集站的使用特點而開發研制的一體型用戶終端。除保留北斗定位、通信等功能外，將主機內部核心單元進行一體化設計，大大縮小了整機體積，同時采用特種外殼對設備進行封裝，適用于高鹽霧、高濕熱等惡劣工作環境。同時，待機功耗進一步降低，以適應長時間工作的需要。

2.2.2 軟件單元

嵌入式平臺數據采集軟件裝載到車載或數據采集儀等遠端設備上，實現GPS位置上報；實現采集數據的分包處理，并將分好的包自動按照北斗設備的最大處理能力上報到指揮終端；實現北斗定位；實時檢測和顯示北斗設備狀態。嵌入式平臺數據采集軟件采用Windows CE嵌入式操作系統，界面操作應直觀、友好。

嵌入式平臺數據采集軟件采用面向對象的軟件設計和實現方法。從縱向上劃分為串口數據處理與解析層，數據處理層和應用層三個層次，每個層次含有若干個小的子模塊，軟件的總體設計圖如圖5所示。

各子功能模塊的說明如下：

（1）串口驅動模塊。接收GPS接收機和采集器的數據，采用冗余性設計實現錯誤數據的剔除，具有并發數據處理能力。

（2）采集數據處理。接收采集器的采集數據，按照長報文數據傳輸格式和北斗終端的通信等級自動分包采集數據，按照北斗終端的最高傳輸頻度發送指揮終端，接收指揮終端的長報文控制指令，自動根據北斗設備狀態重發、補發采集數據包；接收指揮終端的采集數據控制指令，實現上報指揮終端號碼更改、設定采集數據上報方式和頻度等采集控制。

（3）GPS數據處理。處理串口驅動模塊提交的GPS數據，按照GPS數據傳輸格式打包GPS定位數據，符合北斗終端的服務頻度的情況下發送GPS數據。

（4）設備狀態模塊。顯示北斗終端的用戶卡信息，實時監控和顯示北斗終端的設備狀態。

（5）信息存儲。實現大容量采集數據的實時存儲，以便于事后采集信息處理。

2.2.3 嵌入式數據采集儀主要功能

（1）數據采集。采集氣象站、高精度GPS等數據，通過北斗鏈路轉發到海洋環境監測中心；具備顯示屏和按鍵，可監控所連接設備的工作狀態并可以對北斗設備進行操作控制；可實時顯示北斗設備工作狀態；可實時顯示數據采集、傳輸工作狀態。

（2）北斗基本功能。具備定位、短信息通信功能；具備地圖漫游和顯示、短信管理、軌跡回放等功能。

（3）信息管理功能。所有信息均應有相應的自動管理備份功能；具備對所有存儲的歷史數據進行分類統計和查詢功能。

3 結語

該系統初步實現了監測中心、監測終端的各項功能，但由于目前“北斗”每次通信長度受限制，對于海量數據利用“北斗”進行傳輸，完全實現各種測量數據的實時傳輸，還有待于“北斗”導航系統的進一步發展，以進一步完善該分布式海洋調查測量系統。