基于物联网通信技术的舰船导航控制系统.pdf

第45卷第16 期2023年8 月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.16Aug.,2023基于物联网通信技术的舰船导航控制系统潘红娜，蔡振兴，张婷婷(江西工程学院智能制造与能源工程学院，江西新余338 0 0 0)摘要：导航控制系统对舰船的作战能力提升具有非常重要的意义。传统的GPS导航和AIS系统等都存在一些问题，AIS会存在导航盲区，GPS技术受制于其他国家，容易受到干扰。Zigbee是物联网通信技术的重要组成部分，本文基于物联网通信技术和北斗导航技术提出了一种舰船导航控制系统，设计了基于物联网的北斗导航节点，分析了节点中各个模块的基本作用和实现原理，阐述了物联网数据通信实现的基本原理，对构建的基于物联网的舰船导航控制系统的抗干扰能力、静态和动态定位进行测试，测试结果表明系统具有良好的抗干扰能力，同时静态和动态定位精度都较高。关键词：物联网；Zigbee；导航；北斗导航；舰船中图分类号：TN919文章编号：16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)16-0 133-0 4Ship navigation control system based on internet of things communication technology(School of Intelligent Manufacturing and Energy Engineering,Jiangxi University of Engineering,Xinyu 338000,China)Abstract:Navigation control system plays an important role in improving the combat capability of ships.TraditionalGPS navigation and AIS system have some fatal problems,AIS will have navigation blind areas,GPS technology is subjectto other countries,easy to be interfered with.Zigbee is an important part of the Internet of Things communication techno-logy.This paper proposes a ship navigation control system based on the Internet of Things communication technology andBeidou navigation technology,designs the Beidou navigation node based on the Internet of Things,analyzes the basic func-tions and implementation principles of each module in the node,and expounds the basic principles of the Internet of Thingsdata communication implementation.The anti-jamming ability,static and dynamic positioning of the ship navigation controlsystem based on the Internet of Things are tested.The test results show that the system has good anti-jamming ability andhigh static and dynamic positioning accuracy.Key words:Internet of Things;Zigbee;navigation;Beidou navigation;ships0引言舰船导航控制系统对于保障舰船航行安全具有非常重要的作用。在航行过程中，舰船需要对自身的航线进行规划，同时岸基作战中心也希望能够对舰船进行全程跟踪，以便对所有的舰船进行全方位的控制和管理。传统的舰船导航依赖于GPS导航或者舰载的AIS系统等，AIS在航行过程中会遇到通信盲区，很容易出现定位丢失的情况，而GPS导航虽然应用较为成熟，定位精度也较高，但是属于西方国家的技术产品，在战时非常容易受到干扰或者掐断信号的情况。收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 0基金项目：江西省教育厅科学技术研究项目（GJJ2203006）作者简介：潘红娜（19 8 8），女，硕士，讲师，研究方向为电子信息工程。文献标识码：APAN Hong-na,CAI Zhen-xing,ZHANG Ting-ting船航线的精确规划。国内外有很多学者对智能导航进行了相关研究，田向阳等研究了北斗导航系统在船舶导航中的应用，并和GPS导航进行对比。张宁等2 对北斗导航及通信技术中的关键技术进行了研究，设计了低噪声的信号放大模块。肖学玲3 提出使用物联网技术进行多源融合，从而使得船舶能够获取更多的位置信息，包doi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.16.027因而尝试将北斗导航系统和物联网技术充分融合以解决当前受制于GPS通信的情况，同时物联网技术可以很好地将北斗导航系统短报文的功能加以融合，并将精确授时功能应用到导航控制系统中，从而实现对舰134括和其他船舶的相对位置以及导航定位位置等，最大程度地避免船舶碰撞问题。本文对北斗导航技术、物联网技术等进行总结，提出一种基于物联网通信技术的舰船导航控制系统，解决舰船导航和定位容易在战时受到干扰的情况，提升舰船在战时的作战能力。1关键技术1.1北斗导航技术北斗导航是北斗卫星导航技术的简称，在2 0 0 3年完成了第一代系统的组建，随后进人了大规模的应用阶段。北斗卫星导航共包括35颗卫星，其中2 7 颗为中轨道卫星，5颗静止轨道卫星，3颗为倾斜轨道卫星。北斗卫星导航技术实现的原理如图1所示4-5。舰船科学技术术、激光扫描、全球定位技术等，将各类不同的物体连接到一个网络中，实现信息的传递和共享。物联网系统包括感知层、网络层和应用层，如图2所示。感知层包括传感器、RFID条形码、北斗接收机等获取当前目标的位置信息和其他信息；网络层是利用以太网以及4G网络将获取的目标信息发送出去；应用层直接面对用户，用户可以通过获取的信息并在此基础上构建页面，实现功能的具体化表达。应用层岸基控制中心网络层以太网第45卷导航平台4G网络感知层卫星1卫星2坐标(x,JI,z)坐标(x2,J2,z2)坐标(xg,J3,z2)P2PXFig.1 Principle of Beidou navigation当船舶在行驶过程中，建立（X，Y，Z）坐标系，则行驶的船舶和空中的导航卫星都具有一个唯一的空间坐标，卫星1卫星4和船舶之间的距离为P1P4，这些变量之间满足以下关系6-7 ：P=(x-x1)+(y-y1)?+(z-z1)+c.t,P2=(x-x2)+(-y2)+(z-z2)+c.At,P=(x-x3)2+(y-3)+(z-z3)+c.t,P=(x-4)+(y-y4)+(z-24)+.At。式中：c为光速，t为地面接收的时间差值，均为已知数值，因而可以根据上述关系计算出船舶当前的坐标，进而结合电子海图实现导航。1.2物联网技术物联网技术是目前应用非常广泛的技术之一，其可以用于船舶货物运输的跟踪、舱室监控等。物联网技术是通过各种感知技术，包括各类传感器、射频技传感器卫星3卫星4坐标(4,J4,z)P3一船舶坐标(,J,2)图1北斗导航原理RFID条形码图2 物联网架构Fig.2IOT architecture在物联网架构中，感知层是物联网技术的关键，感知的方法多种多样，在物联网中不仅可以使用RFID技术通过标签读取的方法来获取目标信息，同时还可以通过底层传感器节点来获取信息，而这些传感器节点不仅可以是有线的，也可以通过无线网络来实现感知信息的传递，因而具有极大的灵活性。2基于物联网通信技术的舰船导航控制系统设计2.1基于物联网的北斗导航节点设计由于AIS在舰船导航中会存在信号盲区的问题，因而一般AIS系统都需要和雷达联合使用，但是仍然存在着导航精度不高的问题。为了提升舰船的作战能力，保证舰船能够在不同情况下实现不间断地高精度导航，使用物联网技术设计专门的北斗导航模块是有必要的，设计的北斗导航模块是现有导航系统的必要补充。(1)设计的基于物联网的北斗导航节点硬件结构框图如图3所示。1）信号输入及滤波在天线处接收到北斗卫星导航信号后，使用专门设计的滤波电路将信号中的杂波滤除掉，以保证通信信号的稳定性。2）射频信号处理在进行射频信号处理前，考虑到舰船在航行时温北斗接收机第45卷无线网络UARTOUARTI电源时钟电源输入电源控制图3基于物联网的北斗导航节点硬件结构Fig.3Hardware structure of Beidou navigation nodebased on Internet of Things度差距会非常大，因而设计温度补偿电路，对整个电路中存在的温度漂移进行补偿，有效提升电路的稳定性和可靠性。3）处理器处理器采用低功耗的ARM芯片，包括SDRAM、Flash等，在低功耗处理器中不仅可以实现对导航卫星数据的解算，同时还可以实现对相关数据的存储。在完成数据解算后通过串口UARTO、U A R T 1或者无线网络向外传输数据，同时还可以对舰船上的其他物联网感知节点实现时间同步，以保证整个舰船物联网中感知的信息和时间完全同步，这个功能的实现是通过向外输出高精度的同步时钟，其精度可以达到1PPS，其他节点或者感知传感器模块通过物联网接收同步秒脉冲，从而实现网络内时间的高度同步。4）电源管理基于物联网的北斗导航节点采用了低功耗设计，整个节点需要严格地进行电源管理，包括控制电源时钟、电源输入以及电源控制。为了尽量减小误差，整个系统冷启动的时间非常短，本文设计的节点冷启动时间 40 s，热启动时间 2 s。2.2物联网数据通信实现采用Zigbee技术来实现导航数据的传递，其通信距离最大可以达到10 0 m，但是通信速率 2 50 kbps，在舰船上由于存在较多节点，因而使用Zigbee技术非常容易组成物联网的无线传输网络，且采用Zigbee无线传输具有非常大的灵活性，功耗很低，特别适用于辅助导航系统。舰船的导航位置信息需要极高的安全性，Zigbee技术采用AES128对称密码，符合高级加密标准，因而满足舰船的保密性要求。潘红娜，等：基于物联网通信技术的舰船导航控制系统高精度同步时钟输出天线F射频信SDRAM导航参考号处理信号滤波计算定位时钟Flash温度补偿处理器电源管理135舰船的位置信息数据较小，Zigbee的数据通信速率完全满足这种小数据量的传输要求，Zigbee无线通信频率有多种，如图4所示。不同的通信频率信道数LNA射频输入量也不一样，8 6 8 MHz只有一个信道，9 15MHz有10个通信信道，2.4GHz有16 个通信信道，选择通信频率为2.4GHz，这样能保证不同的通信信道不会发生串扰。Channel o868.3MHz868MHz2.4 GHzChannels 11-265MHz2.4GHz图4Zigbee通信信道分布Fig.4Zigbee communication channel distributionZigbee无线通信是基于物联网的舰船导航控制系统的关键组成部分，通过Zigbee无线网络将北斗卫星导航位置信息发送到舰船控制中心，使得舰船在航行过程中可以不间断接收AIS以及导航控制系统的位置信息。在通过信号盲区或者受到外界信号干扰时，船员通过对比两者数据就可以更加准确地判断当前舰船的行驶状态，并通过和其他舰船的通信获取相对位置信息，为战时提升作战能力提供必要辅助。2.3系统测试1）抗干扰能力测试本文设计的导航控制系统是对AIS系统和雷达的有效补充，因而抗干扰能力是系统的重要指标之一。使用误比特率作为系统测试指标，其基本定义为：单位时间内传输错误的数据量误比特率=单位时间内系统传输的总的数据量对系统进行仿真测试，改变系统信噪比，测试不同信噪比下系统的抗干扰能力，图5为基于物联网的舰船导航控制系统抗干扰能力测试结果。可以发现，系统的误比特率曲线和理论曲线相差很小，同时在信噪比较低时，舰船导航控制系统的误比特率为10-4，信噪比为8 db时误比特率为10-，因而说明系统具有较好的抗干扰能力。系统具有良好的抗干扰能力，这是由于在系统设计时实行了动态信道选择，在舰船上构建的Zigbee网络具有很多的无线网络节点，包括温度、湿度、压强、武器设备的无线网络节点等，在进行动态扫描时会根据当前Zigbee网络全部信道的空闲状态来设置相Chanels 1-10-1-2 MHz 902MHz928MHz915MHz2.4835GHz(2)136Fig.5 The test result of anti-jamming ability of the system关参数，这样就能够降低不同信道干扰的可能性。当所有无线网络节点都开始工作时，整个Zigbee网络会变得非常拥挤，在发送导航数据前侦听所有信道，可以有效减少由于信道拥挤而造成的数据丢失。2）导航定位能力静态测试导航定位能力的测试分为静态测试和动态测试。静态测试是在不同的时间段让船舶行驶到不同的位置，使用AIS、G PS以及本文设计的船舶导航控制系统对船舶进行定位，以测试船舶的单点定位精度。在测试中发现本文设计的导航控制系统和其他系统测试的结果存在差距，其原因是本文设计的北斗导航控制系统在获取北斗卫星数据后，在位置解算时没有考虑平流层对信号传输产生的影响，在采用相关算法对数据进行修正后，系统的静态定位精度得到了明显提升。通过算法计算修正得到的测试结果如表1所示，和AIS系统的测试结果对比，误差均在0.1%以内，证明基于物联网的导航控制系统具有较高的精度。表1导航控制系统静态定位测试Tab.1 Static positioning test of navigation control system测试时间经度纬度经度误差/%纬度误差/%110:05211:00312:10413:05514:00使用不同系统测试并监控该船舶在一段时间内的轨迹。在船舶上配置有高精度的AIS系统和GPS系统，将本文测得的船舶轨迹和AIS记录的轨迹进行对舰船科学技术104比，如图6 所示。可以看出，本文设计的导航控制系理论曲线106实际曲线10-810-1010-1110-120123456788910信噪比/dB图5系统抗干扰能力测试结果123.0928.18123.3128.17123.6328.14123.8428.18124.1128.42第45卷统测试的动态轨迹和AIS动态轨迹基本重合。起始位置24.524.023.523.0222.522.021.521.0123.0123.5124.0124.5125.0125.5126.0126.5图6 导航系统动态测试轨迹对比Fig.6Comparison of dynamic test trajectories ofnavigation systems3结语物联网技术具有极高的安全性和稳定性，和北斗卫星定位导航技术相结合，可以为舰船提供稳定的导航辅助。本文首先对物联网技术和北斗导航定位技术进行阐述，然后设计了基于物联网的北斗导航节点，分析了节点中各个模块的基本作用和实现原理。最后，对构建的基于物联网的舰船导航控制系统的抗干扰能力、静态和动态定位进行测试。测试结果表明，系统具有良好的抗干扰能力，同时静态和动态定位精度都较高。参考文献：1】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.数字技术与应用,2 0 17(8)54-56.2张宁，韩冰,张赞.北斗定位在船舶导航通信系统的应用1.现代工业经济和信息化，2 0 2 2,12(3)：16 5-16 6+18 1.0.100.090.060.060.010.050.010.040.040.08一AIS测试一本文导航系统结束位置经度3肖学玲.基于物联网结构的船舶监控中心多源定位数据研究.舰船科学技术,2 0 16,38(2 4):10 6-10 8.4原磊，许锋.无人船舶智能导航系统设计分析.船舶物资与市场,2 0 2 0(7):6-7.5许璐.基于物联网技术的船舶高效调度系统1.舰船科学技术,2 0 17,39(10):158-16 0.6郭毅.基于北斗卫星导航系统的船联网应用研究.交通标准化,2 0 14,42(2 1):6 3-7 1.7沈珣.近海船舶导航无线传感物联网信息集成平台开发1机电信息,2 0 12(2 7)：17 3-17 4.