基于IsatDataPro卫星通信的船舶跟踪与监测系统_雷洪

基于IsatDataPro卫星通信的船舶跟踪与监测系统_雷洪 第38卷第1期2015年3月 中国航海 NAVIGATIONOFCHINA Vol(38No(1Mar(2015 文章编号:1000,4653(2015)01,0009,05 基于IsatDataPro卫星通信的船舶跟踪与监测系统 雷 洪，郑佳春，黄娜娜，龙 延 (集美大学信息学院，福建厦门361021) 摘 要:为使远海船舶的货舱信息方便有效地传输到陆地上，提出Inmarsat全球卫星的IsatDataPro短数据服务，并 分析其在船舶跟踪与监测系统中应用的可行性。以船舶货舱监测系统为例，详细介绍该系统中用户终端系统的软硬件设计。试验结果表明:系统设计的卫星终端可将采集到的数据经处理后按事先设置的时间间隔传输给监控中心或货主。采集的信息包括时间、位置、航向、速度、湿度、温度、报警等。关键词:船舶工程;IsatDataPro;货舱监测;短数据;卫星通信;数据采集;软硬件设计中图分类号:U675(7 ——————————————————————————————————————————————— 文献标志码:A VesselTrackingandMonitoringSystemBasedonIsatDataProServices LEIHong，ZHENGJiachun，HUANGNana，LONGYan (InformationEngineeringCollege，JimeiUniversity，Xiamen361021， China) Abstract: TheIsatDataProShortDataServiceofInmarsatglobalsatelliteisusedinvesseltrackingandmonitoringsystemforshiptoshoretransmissionofcargoinformation(ThefeasibilityofIsatDataProShortDataServicefortheapplicationisanalyzed(Thehardwareandsoftwaredesignoftheuserterminalofthecargomonitoringsystemisdescribedindetail(Thesystemgathersinformationcovering time，position，heading，speed，humidity，temperature， alarm(Trialsshowthatthesatelliteterminalisabletocollectandprocessdata， andtotransmitthedatatothemonitoringcenterortheowneraccordingtopresettimeinterval( Keywords:shipengineering;IsatDataPro;cargomonitoring; shortdata;satellitecommunication;datacollection; hard-wareandsoftwaredesign 随着人们对信息传输的需求越来越大，卫星通 信因具有覆盖范围广、通信距离远、通信容量大、传输质量高、 机动性好、生存能力强等优点而广泛应用于远距离传输和电视广播中。 在一些特定的环境(如车辆监控、船舶任务执行情况监控、油气管道 ——————————————————————————————————————————————— 监 需要短数据卫星通信来传输数据，这测系统等)中， 使得短数据卫星通信越来越受到人们的关注。作为 地面移动通信的一种延伸和补充，对其进行研究具有重大意义。 目前，对近海船舶进行监测主要通过船载自动AIS),1-3,、识别系统(AutomaticIdentificationSystem， ,4, GPS+GP,S/CDMA+GIS,5-7,、海事卫星、北斗/世广卫星 ,8-9, 通信的方式，其中海事卫星提供的IsatDataPro业务 十分适合短数据传输的船舶跟踪与监测系统。此处介绍基于IsatDataPro业务的船舶跟踪与监测系统，首先分析IsatDataPro卫星的通信业务及船舶跟踪与监测适用性，其次介绍系统的组成及开 最后对系统试验及结果进行分析。发方法， 1 1(1 IsatDataPro卫星通信业务及Isat-DataPro适用性分析 IsatDataPro卫星通信业务 IsatDataPro是Inmarsat全球卫星通信服务的一 等，而对远海船舶进行监测只能通过卫星 种，主要用于移动资产或固定资产的远程管理和通 信，适合每月传输数据量在10,1000KB的用户。 ——————————————————————————————————————————————— 11-20收稿日期:2014-基金项目:福建省自然科学基金(2013J01203);福建省软科学基金(2013,0080);厦门市科技计划项目(3502Z20130005); 交通运输部科技计划项目(2013,329,815,290);集美大学李尚大学科建设基金(ZC2013013) 作者简介:雷 mail:786040378@qq(com洪(1991—)，男(畲族)，福建宁德人，硕士生，主要研究方向为信息处理系统。E-mail:jchzheng@jmu(cn通讯作者:郑佳春(1965—)，男，福建永春人，副教授，从事通信与信息处理系统的研究。E- 10 中国航海2015年第1期 近实时传输到设备上的信息最高可达10000Bytes，而从设备回传的信息最高可达6400Bytes，这将满足机器对机器(M2M)解决中对更高数据速度日益增长的需求。新服务将在快速增长的M2M市场中提供众多安全和基于位置的服务，可广泛应用于船舶与舰队的管理和安全保障、远程监控、远程信息处理以及数据采集与监视控制系统(SupervisoryControlAndDataAcquisition，SCADA)。 IsatDataPro系统网络架构见图1，由空间部分、地面部分和用户终端等3部分组成。 1)空间部分:IsatDataPro业务使用的是3颗静止的第4代海事卫星，基本覆盖了全球78?S,78?N ——————————————————————————————————————————————— ,10, 的区域(见图2)。卫星使用L波段通信，该波段具有很强的抗雨雪衰减能力。 2)地面部分:主要包括地面站和数据中心。地面站用于接收和发送卫星信号，数据中心用于运营管理和客户服务等。 3)用户终端:主要包括解决方案提供商的应用服务器和最终用户终端。应用服务器通过网络从数或将信息、命据中心读取最终用户终端回传的信息， 令通过数据中心传给地面站，由地面站发送给卫星，最后由卫星发射给最终用户终端。最终用户终端分为海用型和陆用型2种 。 图1IsatDataPro 系统网络架构 的船舶都强制要求安装AIS，应用范围非常广泛。由于AIS发射的信号只能覆盖周围30nmile的范因此通过AIS只能实现港区内船舶的动态监控。围， 3)卫星追踪定位，指通过船载的卫星发射和接收装置向公司传输船位数据。这种方式不受海区的限制，可以较好地实现全天候监控，但明显的缺点是适合于远洋船舶追踪。目前卫星通信费用昂贵， BLM-Shipping已经利用低轨卫星提供船舶AIS定位与追踪服务，利用卫星技术追踪船舶将成为今后的 图2 ——————————————————————————————————————————————— 第4代海事卫星覆盖图 发展趋势。 IsatData与其他的短数据卫星通信方式相比，Pro业务具有以下特点: 1)高效的传输速率，接近实时传输，传输100Bytes延时最多不超过15s，1000Bytes不超过45s。 2)全球覆盖，且不受天气和海况的影响，提供稳定的通信连接。 3)支持用户终端分组，可对多个用户终端广播1次广播或组播多个用户终端的计费按1和组播，条数据处理。 1(2IsatDataPro适用性分析 船舶追踪是指通过技术手段实时跟踪船舶的位 置，从而对船舶的安全生产和船期执行情况进行远程监控。目前有以下3种主流的船舶追踪方式:1)陆基移动通信网络追踪，即通过中国移动、电信的通信网络实现对沿海船舶的动态追踪。该追踪监控方式明显的缺点是只能在沿海有网络信号的地区使用，比较适用于沿海航行船舶。2)AIS系统追踪，指根据船载AIS发送的信号实时掌握船舶的动态信息。目前全球500总吨以上 雷洪，等:基于IsatDataPro卫星通信的船舶跟踪与监测系统 11 4)用户终端体积小，安装方便。 5)SkyWave公司生产的型号为IDP-690的卫 GPS星终端包含集成的卫星调制解调器、双向天线、接收器、串——————————————————————————————————————————————— 口通信、数模输入输出、可编程的微控制 器等，既可通过GPS实现定位、定时，又可通过开发其内嵌的可编程微控制器、串口通信、数模输入输出 速度、湿度、温度、报警等数据的采集。可实现航向、 IDP-690卫星终端及IsatDataPro业务十分适合见， 短数据传输的船舶跟踪与监测系统。下面以船舶货舱环境参数监测应用为例介绍其应用系统的开发。 图4 用户终端系统组成框图 GPS接收器、调制解调器、双向天线、串口通信、数模 输入输出、可编程的微控制器等。690卫星终端需要24V电源，由于IDP-因此系统使用24V直流电源供电，并经LP2950转换稳压模块生成5V电源和参考电压;温湿度传感器(AMT1001)将所在环境的温度、湿度转换为相应电压输出。将参考电压、温度输出和湿度输出传给IDP-690卫星终端，由其中内嵌的可编程微控制器实现AD转换、数据处理和传输。IDP-690终端支持4个通用输入/输出(GPIO)端口，可分别配置为模拟输入、数字输入或数字输出，用于连接到简单的传感器和执行器。为提高测量精度，设计一个参考电压电路来自动校准误差，此处使用的是AMT1001模拟温湿度传感器，分别设计一个湿度和温度测试电路来测量湿度和温度。硬件 I/O-1输入2V的参考电压，I/O-2输入电路见图5， I/O-3输入可测范围的温度可测范围的湿度电压， ——————————————————————————————————————————————— 电压。2(2(3 终端软件开发 IDP卫星终端中的用户功能由软件结构的服务 2船舶跟踪与监测系统开发 当远洋船舶运输一些对环境温度和湿度比较敏感的货物时，让货主知道货物的动态信息是有必要的。系统采用卫星终端处理采集到的信息后，根据事先设定的时间间隔将其传输给监控中心或货主。传输的信息包括:时间、位置、航向、速度、湿度、温 报警等。度、2(1 系统组成 船舶跟踪与监测系统组成框图见图3，其中:用 690卫星终端、户终端由IDP-温湿度传感器系统、能源设备组成，完成原始数据的采集，并通过海事卫星 将信息传给地面站信息处理中心;无线通信系统由3颗静止的第4代海事卫星提供全球覆盖网，完成海事卫星信息的传输;中心控制系统由接收信号的地面站、网关服务器、应用服务器、数据服务器和Web显示组成，完成信息的接收、处理并通过网络在Web中显示 。 来实现，而软件结构是由Lua脚本实现的。Lua是 一个小巧的脚本语言，很容易嵌入到大多数应用程序中。每个服务有唯一的服务识别号码(SIN)，提供明确定义的功能，有利于远程配置和升级。服务分为核心服务和用户服务2大类。 ——————————————————————————————————————————————— (1)核心服务是在终端中可配置的基本构件块，大部分有网络可视性，包含I/O辅助功能、发送和接收信息、获取当前位置、查询状态和配置等，例 图3 船舶跟踪与监测系统组成框图 如可通过配置核心服务(SIN19)修改发送的间隔时间; (2)用户服务是对终端的核心功能进行简单或高级的扩展。 SkyWave公司提供了一套功能丰富的PC软件工具来加快开发设计。使用DeveloperStudio进行终端程序设计;使用Messenger发送/接收消息;使用Scope和Console测试，纠错应用。Lua应用程序流程见图6。 2(22(2(1 用户监测终端设计 用户终端组成框图 系统组成框图见图4，其主要由卫星通信终端、 温湿度传感器、电源等组成。2(2(2终端硬件电路设计 系统卫星通信终端使用的是SkyWave公司生 690的卫星终端， 产的型号为IDP-包含集成的卫星 12 中国航海2015年第1期 图5硬件电路图 ——————————————————————————————————————————————— (1)使用3个GPIO端口，GPIO-1连接参考电GPIO-2连接湿度传感器，GPIO-3连接温度传感压， 通过设置eiocoreservice(SIN25)将3个端口设器， 置成模拟输入，通过设置属性值设置每个端口的报警范围; (2)通过设置端口值的映射表将端口模拟值转化为容易读取的值(%或?); (3)程序以事件为驱动，该设计分为I/O模拟端口事件(判断3个模拟端口检测的值是否超过范围，若超出，则发送相应警报)、定时发送报告事件(检测定时是否已到，若是，则发送相应的报告，重新定时)和发送消息事件(检测是否有请求消息的命令，若有，则发送相应消息)等3个事件，程序将不断地判断哪个事件被触发，并进行该事件的处理 。 2(3 监控中心Web服务软件开发 监控中心Web服务系统体系结构(见图7)由4部分组成。处理后的数据通过应用服务器传输给数据库服务器，当客户端浏览器向Web服务器提出请 Web服务器首先响应请求，求时，然后到数据库服 务器上查询，并将查询的结果送回到Web服务器上，最终以HTML页面的形式返回到浏览器 。 ——————————————————————————————————————————————— 图7监控中心Web服务系统体系结构 这里使用的是浏览器/服务器(Browser/Server)模式。采用开放数据库互连(OpenDatabaseCon-ODBC)调用实现应用服务器与数据库服务nectivity， 器间的信息交换。ODBC具有统一的用户接口，容易实现与各种数据库服务器进行交互的程序，对数据库类型依赖性较弱。Web服务器由WindowsNTServer和InternetInformationServer5(0构成，数据库服务器由SQLServer2000构成，以ASP方式完成Web与数据库的动态数据处理。 3 3(1 试验结果及其分析 试验平台 690试验所用平台包含一个下载好程序的IDP-卫星终端、一块电压转换与温湿度采集电路板以及一个24V的直流电源。 3(2试验结果及其分析 试验是在路面上进行的，每隔5min采集一次数据，采集的数据经过处理后显示在Web页面上(见图8)。工作人员可通过相应的图像化操作控制开始检测、停止检测和显示警报数据。当温湿度值 图6 程序流程图 超出阈值时，系统也会自动显示相应的报警数据。同时，该系统——————————————————————————————————————————————— 可监控多个船舱的数据，可选择不同的 雷洪，等:基于IsatDataPro卫星通信的船舶跟踪与监测系统13 船舱进行数据监控。此外，系统还支持将数据导入 地图中显示(见图9) 。于位置的服务中，相信在未来的一段时间里，其将在船舶任务执行情况监控、浮标监测环境参数、车辆监 控、电子驾驶、智能电网、水文监控、油气管道监 测系统等方面发挥重要的作用。 参考文献 ,1,罗欢，陈建文，赵志国，等(基于信号阻塞矩阵检测 OTH,舰船目标,J,(雷达科学与技术，2011，9(2): 160-165( ,2,魏武财(基于AIS的船舶实时监控系统的研究与实 D,(厦门:厦门大学，2008(现, ,3,B,USHS，LEHNE,S，F,ITZT，etal(ShipSurveillance 图8 数据采集显示网页(IEEETransonGeoscienceandwithTerraSA,-X,J, ,emoteSensing，2011，49(3):1092-1103( ,4,张鹏，张烁，钟南(浅析海事卫星在远程船舶视频监 J,(数字通信世界，2013(5):30-控系统中的应用, 32( ,5,肖慧敏(基于GP,S的船舶作业跟踪系统的研究 ——————————————————————————————————————————————— ,D,(烟台:烟台大学，2013( ,6,边宝祥，杜太行，贾科进(冷链运输监测系统中的 GPS与GP,S技术,J,(电子设计工程，2013，21 (2):27-30( 图9Google地图显示,7,王凯(基于CDMA/GPS/GIS的船舶航行监控系统 ,D,(重庆:重庆大学，2005( ,8,郑超波(基于北斗/世广卫星的船舶实时远程监控系 (上海:上海海事大统的数据通信程序的开发,D, 2006(学， ,9,丁振国(基于“北斗”J,(航海的船舶实时监控系统, 2011(4):41-43(技术， ,10,赵玉民(浅析短数据卫星通信及行业应用方案,J,( 2012(6):68-71(卫星与网络，4结语IsatDataPro服务为开发人通过试验可以看出，员提供了容易使用的开发工具，通过用户服务可方便地对自定义的应用进行设计。IsatDataPro服务以其强大的全球收发信息性能广泛应用于安全和基 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 2015年中日韩航海学会学术会议参会人员推荐工作启动 2015年中日韩航海学会学术会议将由日本航根据2014年中、日、韩三国航海学会代表团会议的商定， ——————————————————————————————————————————————— 海学会承办，并于2015年11月19日至21日在日本北九州举行。 为促进航海学术交流，提高航海科技水平，展现我国航海方面的先进技术和研究水平，同时为广大青年航海科技工作者提供与亚洲其他国家交流技术、推介学术成果的机会，中国航海学会日前下发了“关于推荐 。通知明确了出席本次学术会议的人员应满足下述条出席2015年中日韩航海学会学术会议人员的通知” 件:1(有用英语撰写的论文，且论文内容和水平适合在本次会议发表;2(英语听说熟练，可以进行学术交流;3(能够出席会议，并服从会议相关要求;4(能够承担赴日的注册、交通、食宿等费用;5(所在单位允许，且能为其参会提供必要的保证。 2015年中日韩航海学会学术会议中方出席人员的推荐工作由中国航海学会秘书处负责，2014年度中国航海学会优秀论文的作者和中国航海学会会员享有优先被推荐的资格。 ———————————————————————————————————————————————