北斗导航系统在船舶通信导航领域中的应用分析.pdf

2023年9 月计算机应用文摘第39 卷第17 期北斗导航系统在船舶通信导航领域中的应用分析王彦仕（中海电信有限公司,上海2 0 0 0 9 0）摘要：北斗导航系统是中国独立开发的一种卫星导航系统，位列世界最强大的三大卫星导航系统之一。在北斗导航系统成功研制之前，我国的船舶通信导航主要依赖GPS系统。然而，如今北斗导航系统实现了全球覆盖，不仅能够与GPS系统竞争，还为我国船舶提供更为可靠、精准的定位途径，保障其安全航行。文章简要阐述了北斗导航系统的组成、工作原理及功能，并对其在船舶通信和船舶定位方面的应用进行分析，以供相关研究参考与借鉴。关键词：北斗导航系统；船舶；通信导航WANG Yanshi中图法分类号：TN967Application analysis of BeiDou Navigation Satellite System in field ofAbstract:BeiDou Navigation Satellite System is a satellite navigation independently developed byChina,ranking among the three most powerful star of david navigation systems in the world.Beforethe successful development of the BeiDou Navigation Satellite System,Chinas ship communicationand navigation mainly relied on GPS systems.However,nowadays,the BeiDou Navigation SatelliteSystem has achieved global coverage,not only able to compete with GPS systems,but also providingmore reliable and accurate positioning channels for Chinese ships,ensuring safe navigation.Thearticle briefly explains the composition,working principle,and function of the BeiDou NavigationSatellite System,and analyzes its application in ship communication and ship positioning,providingreference and reference for relevant research.Key words:BeiDou Navigation Satellite System,ship,communication navigation船舶的通信导航和定位功能在极其严酷的海上环境中是确保安全航行的关键。这对船载导航系统的性能提出了更高的要求。除了一般的定位功能,船载导航系统还需要具备其他功能，如能够对有关事件发出紧急警报、实时测距障碍物、监测船舶漏水等。作为我国独立开发的全球卫星导航系统,北斗导航系统拥有极强的安全性与可靠性。凭借其实时通信和提供定位功能等优势，北斗导航系统已经被广泛应用于我国的多个领域。1北斗导航系统概述1.1北斗导航系统组成北斗导航系统主要由空间端、地面端和用户端三部分组成。其中,空间端包含三种类型的卫星，分别是静止、同步和中圆轨道卫星；地面端由多个地面站组成，如主控站、同步站、监控站等，同时还包括星间文献标识码：Aship communication and navigation(China Shipping Telecom Co.,Ltd.,Shanghai 200090,China)链路操作与管理设备群；用户端则包含卫星导航系统芯片、模块、天线等基础组件，以及终端产品、应用系统和运行软件等 11.2北斗导航系统工作原理北斗导航系统中最关键的功能之一是定位,其主要工作原理（见图1）是根据“三球交会”的规律来实现空间定位。具体而言,以三颗具有已知坐标和准确状态的卫星为圆心,以每颗卫星与用户终端的距离为半径,构建出三个球形的空间结构。这三个球形的交点即为用户终端的地理位置。通过卫星通信技术来测量卫星与用户端的距离，然后进行自动求解，从而实现准确的定位。然而,如果有地面控制中心参与定位,可以直接利用两颗卫星来完成。将两个具有已知坐标和准确状态的卫星作为圆心，将每颗卫星与用户端之间的距离作为半径，构建出两个球形的空间结构。这两个球形的交点即为用户终端的地理位置。2023 年第17 期在进行这样的定位时,地面控制中心必须以全球电子高程地图库的地形图为依据,将两个卫星的圆弧线与地形图的交点相结合,才能获得用户的二维位置 2 。地面中心测单站测高站赤道卫星轨道图1北斗卫星定位原理图1.3北斗导航系统功能北斗导航系统提供全天候、高精度、连续和实时的全球定位与导航服务。用户可以享受免费的定位和定时服务，其定位准确度可达10 米，测速准确度为0.2米/秒,定时准确度为2 0 纳秒;而在亚太地区,定位准确度可达5米，测速准确度为0.1米/秒,定时准确度为10 纳秒。该系统还提供短报文通信服务，可以在中国及周围区域内实现双向数字通信。单次通信容量可达1000个汉字，全球短报文通信容量为40 个汉字。通信流程为用户首先将加密后的通信内容和接收者的用户ID传送至地面控制中心。接收到通信内容后，地面控制中心将其传送至广播电文中，并通过北斗导航卫星将信息传送至接收者。最后，接收者解密处理收到的通信内容，完成通信任务。此外,北斗导航系统还参与国际搜救工作，与其他卫星导航系统共同构成覆盖全球的搜寻系统，并通过构建用户端的反向链路，极大地提升了搜救效率。2北斗导航系统在船舶通信中的应用2.1通信模块中的应用北斗导航通信模块的工作原理如下：当收到定位或通信请求时，通过数据射频芯片变频基带的影响，将信号频率截变为16 15.8 MHz,并将截变后的信号功率放大后传输至北斗导航卫星，从而完成北斗电文信号的传输任务。具体的通信过程如图2 所示。相比过去传统的导航通信模块，北斗导航系统的定位功能在电源、基带与射频芯片、功放芯片等电路设计中体现其优势。在具体设计过程中，针对北斗卫星导航系统处理高频信号的特点，传递通道被计算机应用文摘设计为直线，以避免因电路设计不合理而对高频信号传递过程产生的影响。同时,为保证PCB板中每个模块的相互独立性，采用了数字电压与模拟电压信号隔离的方法，规避线路之间相互干扰的风卫星险 2 。在此基础上，提出了一种由信号线布置、电源线布置、接地线布置构建而成的四层板北斗导航通信系统的设计方案。实验测试结果显示，在天气晴朗时，北斗导航通信系统可以在10 2 0 秒内完成相应的定位和通信请求。然而，在恶劣或极端天气下，要实现定位和通信功能可能需要较长时间，一般为 6 0 秒左右。LNA部分功放部分HBRSK调制信号BN161P功放芯片TEXN信号图2 北斗导航通信模块2.2低噪声放大器中的应用我国的卫星定位系统接收到的卫星定位信号在传输过程中会受到严重的削弱,而且空间中也会存在大量的杂波。因此,为了确保在船舶通信导航系统中使用无畸变的数据，必须应用低噪声放大器技术，以提升信号的信噪比，并将其发送到射频芯片上进行数据分析与处理。简单来说，低噪声放大器的主要作用是对从北斗卫星传送来的信号进行过滤和增强，以提高信号在进入射频信号处理模块后的完整性和可靠性。其具体结构如图3所示，通过两级放大、级间匹配、阻抗匹配和过滤等步骤，从北斗卫星发送的信号就能得到一个完整且可靠的待射频芯片处理的信号 3。偏置电路最小峡声系数匹配第天级放大器线图3北斗低噪声放大器结构示意图通常情况下，北斗卫星传送的信号经过空间和大气衰减后,到达地面的中心频率位于S波段 4,即2491.75MHz。该信号的频率带宽为8.16 MHz，平均功73射频部分基带处理M芯片UART接力第输出阻抗匹配级间匹配一级放大器5V.3.3V电源供电滤波器输出74率为-117 dBm。为确保信号不发生畸变并保证其可靠性,需要关注如表1所列的相关参数。表1低噪声放大器的目标参数与实测值参数名称目标参数信号频率范围2491.7512MHz增益32dB驻波比1.8dB噪声系数1.5dB3北斗导航系统在船舶定位中的应用北斗导航系统在船舶定位中应用了控制软件与电子海图信息库，即北斗电子海图信息控制系统。在北斗导航的船舶定位系统中,船舶的工作人员实时获取船舶的地理位置、航行速度、时间等信息 5同时，操作系统被植人船舶定位系统中，使船载设备能够实时接收北斗卫星的通信信息。船载设备的显示屏会显示船舶上方北斗导航卫星的数量、当前所处的轨道位置以及方位角数据，并在卫星图像上显示实时运行变化数据。此外,船舶的位置、航速、方向等信息会持续被监测、采集、运算。最后，结合北斗电子海图信息库的图形,将船舶所处的地理位置、航速、方向等数据信息叠加显示在电子海图上，为船舶工作人员提供详细的数据依据。电子海图界面在北斗导航船舶定位系统中起着非常关键的作用，它直接显示船舶的具体方位信息，方便船舶工作人员操纵。在绘制电子海图方面，通常使用麦卡托和墨卡托投影法或使用现有的电子海图，(上接第7 1页)参考文献：1 郭代红，于承喧.基于医院信息系统数据的临床用药风险自动监测评价专家共识 J.中国药物应用与监测，2 0 2 1,18(5):277-287.2吕登峰,王珊.基于全流量监测的医院信息系统网络安全现状分析 J.甘肃科技,2 0 2 1,37(19)：12-14.3姜胜耀，贺迟，姚华彦.医院信息系统运行状态主动监测机制的设计与实现 J.中国数字医学,2 0 2 0，15（8）：34-35+43.4 李国恒.探讨医院信息系统监测及运维管理平台的构建J.信息记录材料,2 0 2 0,2 1（3）：7 8-7 9.5】黄将.医院信息系统监测及运维管理平台的构建 J.计算机产品与流通,2 0 18(11）：2 7 2.6朱爱萍,洪淇,曹恒富，等.基于医院信息系统的慢性病监测系统的开发和应用 J.实用预防医学，2 0 18,2 5（9)：计算机应用文摘并结合北斗导航卫星的定位信息，为工作人员提供辅助，随时监视船舶的航向。同时，电子海图还可以标记可能存在的礁石、浅滩等障碍,从而防止意外发生。实测值4结束语2.49GHz31.809dB1.1dB0.9dB2023年第17 期北斗导航系统在全球范围内的开通和使用,将对海上运输行业产生积极而深远的影响。一方面，它可以打破国外通信导航系统的垄断,为我国提供更独立和可靠的导航服务。另一方面,北斗导航系统的应用可以大幅度提升船舶的行驶安全性，使我国的远洋航海事业拥有更大的发展空间，推动我国国际经济与贸易的发展。参考文献：1】吴晓明.北斗全球卫星导航系统及其船舶应用 J.中国船检,2 0 2 0(6):6 8-7 1.2郑丽彬，丁天明,艾万政,等.北斗卫星导航系统在船舶中的应用及对策 J.水运管理,2 0 19,41（10：31-34.3谢鹏.北斗卫星导航系统在航海领域的应用研究 J.中国航务周刊,2 0 2 2(2 7):43-45.4闫子耀.基于北斗系统的船舶导航系统定位精度研究J.中国水运（下半月），2 0 18,18（7)：49-50.5田向阳,乔文长.北斗导航系统在船舶海上航行中的应用研究 J.数字技术与应用,2 0 17（8）：54-56.作者简介：王彦仕（19 8 1一），本科，工程师,研究方向：船舶驾驶台通信导航设备应用和研发。1054-1056+1067.7】盛开,陈俊,熊宜军.药品不良反应监测与医院信息系统数据共享与对接管理的实现研究 J.江西中医药大学学报，2017,29(5):97-100.【8 徐玉茗,李馨龄，王玲，等.医院信息系统与国家药品不良反应监测系统对接的探索 J.中国医药导刊,2 0 17,19(3):317-318.9冯强，李毅,王文洋.运用实验室和医院信息系统监测临床标本质量和危急值处置效果 J.中华临床实验室管理电子杂志,2 0 16,4(2):12 2-12 6.10 】余超,徐玉茗，李馨龄，等.我国医院信息系统与国家药品不良反应监测系统对接的需求调研 J.中国药物警戒，2016,13(3):154-158.作者简介：苏玉成（19 8 2 一），本科，工程师，研究方向：计算机网络系统。