北斗终端

北斗终端（精选7篇）

北斗终端 篇1

摘要：首先介绍了船联网北斗卫星导航检测终端的概念和系统架构,然后对基于北斗卫星导航系统船联网的硬件终端及嵌入式系统进行了详细的说明,最后指明了本论文的创新之处,为提高内河航运服务质量,树立船联网智能管理典范提供了支持,为全流域船联网统一调度提供信息扩展接口。

关键词：船联网,北斗导航,硬件终端,嵌入式软件

1 引言

卫星导航系统是提供位置、速度和时间信息服务的多模式应用系统,卫星导航定位技术已广泛应用于包括国防、航天、航空、船舶、交通运输、测量测绘、通信、网络等,并且已发展成为一个全球性的高新技术产业。以全球定位系统为代表的卫星导航应用产业已成为继移动通信和互联网之后的全球第三大新经济新增长点。中国北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统,是继美国全球卫星定位系统和俄罗斯全球卫星导航系统之后第三个成熟的卫星导航系统[1]。

我国在水上交通信息技术领域仍然处于跟踪发达国家发展的阶段,但新的技术不断涌现,技术上的新旧交替日益明显,使得我国的水运科技发展面临难得的后发优势。目前,国内外同类产品有《面向内河智能航运信息服务的智能船载终端设备》。

2 研发的必要性

物流信息化是现代物流的主要特征。船舶运行管理信息化是物流信息化的重要组成部分。目前船舶运行信息化以及智能化管理大多数仍是基于功能单一的GPS导航终端,只是起到船东或者货主监控船舶运行轨迹的作用。如能研发与开展船载智能终端的应用,除满足跟踪船舶航行轨迹基本功能外,将船舶航行油耗情况、吃水深度、货仓情况等信息接入智能终端,通过智能终端,实现船上人员与航道信息、港口信息、船闸运行信息、货源信息持有方双向交流,实现货主通过船载智能终端实时掌握货物在途情况等功能应用,将有利于船舶根据航道水深,合理装载货物;有利于根据港口和船闸运行情况,合理确定航行速度,节省油耗;有利于实现不离船进行船闸过闸报到,提升过闸效率;有利于提前获取货源信息,减少等货、空载航程。

3 系统介绍

本文采用船联网北斗卫星导航监测技术与云计算先进的信息技术、通讯技术将所有的水路航运、物流、管理的地理信息、气象数据、各种行业管理规范等有机地结合在一起[2],最终形成一个开放的集数据实时采集、查询、预警、控制、管理、决策于一体的,涵盖内河航运监控、配送管理、安全追溯全流程的黄金水道智能管理平台硬件支撑设备,从而提高航运和物流的管理水平、效率和安全性,推进西江沿江经济带的经济发展。

终端采用先进的北斗卫星导航系统定位技术,除具备一般北斗卫星导航系统的定位、导航等功能外,还具有以下创新功能。

(1)多路视频处理芯片、北斗芯片、储存芯片与各种接口一体化。

(2)与雷达配套和连接,防碰撞与安全、统一指挥一体化。

(3)嵌入式系统的开发具有全程交互功能,与手机移动互联网等形成联动。

(4)实现报闸、导航、船代、货代、电子商务、服务、监控、船岸交互等一体化。

(5)船载北斗卫星导航终端油耗与油量率先实现监测与控制。

油耗与油量监测模块是由油耗与油量传感器利用磁场控制干簧管内触点通断的原理,将被测量变化转换成输出信号,从而线性测出油位(水位)高度的设备通过特殊的处理方式,采用一个恒定的自动控制部件实现油耗的定量测量。统计结果经过船载智能终端上传平台,由平台进行统计分析。安装系统示意图如图1所示。

(6)基于GIS与视频的可视化管理流程的控制。

(7)基于多模传感器的船联网信息的智能监测与控制[3]。

(8) GIS河道信息的集成。

(9)嵌入式控制系统与移动互联网系统一体化。

船联网北斗卫星导航监测终端是一套船用导航系统,它以国际标准(IHOS-57、S-52、S-63)的电子海图显示与信息系统为核心,集成了北斗卫星导航,同时兼容GPS、AIS、雷达/ARPA、罗经、计程仪、测深仪、舵角指示器等多种船载设备[4]。电子海图之所以引起高度重视,是因为它具有传统纸海图无法比拟的优点,能够综合处理内河地理信息、本船航向状态信息、多种目标船动态信息,雷达图像信息,能够进行自动航线设计、航向航迹监测、自动存储本船航迹、历史航程重新演示、航行自动警报(如偏航、误入危险区等)、快速查询各种信息(如水文、港口、潮汐、海流等)、船舶动态实时显示(如每秒刷新船位、航速、航向等),将雷达/ARPA的回波图像叠显在地图上。具有完善的船舶导航、进出港引航、避碰辅助和航行管理功能,有助于保障船舶航行安全和提高营运效率[5]。其终端设计效果图如图2所示。

船联网北斗卫星导航监测终端功能强大,集船载卫星定位、调度屏、行驶记录仪三体合一的全新产品,通过更换手机模块,可支持GPRS/CDMA网络数据传输功能,通过更换定位模块,可支持GPS单独定位、北斗2单独定位、北斗2/GPS双星座融合定位。其终端功能设计如图3所示。

4 硬件终端

根据船联网北斗卫星导航监测终端功能,主控板通过串口接口完成与GPRS和北斗/GPS数据交换,GPRS与北斗/GPS都有独立的CPU串口接口。与铁电存储器及FLASH连接可保存用户设置资料;主控板电源有高压(大于30 V)保护电路。主控板上开关电源电路,分别给GPRS模块和北斗/GPS模块供电。电源逻辑开关控制GPRS模块和北斗/CPS模块的电源。后备电池电路保证主电源断电的情况下,继续给主控板一定时间的供电。后备电池电路具有自充电功能。可检测多路开关信号,并可进行油路控制。可检测主电源断电和主电源欠压。

硬件系统由主机部分、通信部分、定位模块部分、显示及打印扩展通信接口部分、传感器接口五部分组成。主机部分包括ARM处理器、数据存储器、数据传输信号接口;通信部分主要由RS232接口和华为EM310无线通信模块组成,其中无线通信模块EM310用于船载终端同监控中心之间的通信;定位模块采用GPS/北斗双定位模块(CC50-BG或UM220),主要是对船进行实时定位;显示及打印扩展通信接口,可外接调度屏或手柄;传感器信号主要是温度、速度、湿度、气体等传感器信号[6]。其终端架构设计如图4所示,实现的功能包括信令的接收、处理与发送,北斗/GPS数据处理及电源控制,报警,话音业务,无线通信模块的通信,I/O口信号采集与控制等,终端主程序主要用来实现开机自检、协调整个系统工作、在不同时间调用不同程序实现记录仪的各种功能。开机自检功能主要是CPU与外围器件,如存储器RAM、实时时钟模块、显示模块等模块的通信状态检查及实现对这些器件的初始化。如果各外围器件状态良好、初始化通过,则记录仪开始工作循环实现既定功能同时绿色的工作指示灯闪亮指示;如记录仪开机自检没有通过,则实现红色报警指示灯闪烁和报警蜂鸣器的轰鸣报警提示。

在本文中,终端系统包含三块电路板:系统主板、定位模块转接板和碰撞侧翻检测板。

系统主板将船舶运行中的实时数据及图片IC卡、定位信息、碰撞侧翻检测信号等数据由STM32F103VC实时采集存储并通过串口上传到有AM1705为主控的Linux系统;Linux系统作为终端设备的主控系统,解析STM32F103VC子系统送来的实时数据并根据系统设置将数据存储并通过GPRS上传到服务平台。同时Linux系统也作为系统的人机接口通过键盘、LCD、U盘、SD卡、串口进行人机交互。Linux系统通过IIS的AD将音频信息经过G.726压缩后存到SD卡或者NAND FLASH上(可选)。Linux监听外部打入的电话(通过SIM900A模块RI引脚)短信,按系统设定进行接听、挂断、处理[7]。

5 嵌入式系统

船联网北斗卫星导航监测终端是一套对稳定性、实时性、准确性要求很高的系统,不仅在硬件方面,更体现在软件方面。要求系统稳定、实时响应(不能出现因进程挂死而失去响应),要求软件控制程序能正确处理业务逻辑,并且利于进行功能的扩展[8]。因此,北斗导航终端系统必须是一个实时性的操作系统,当外界事件或数据产生时,能够接受并以足够快的速度予以处理,其处理的结果又能在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系统作出快速响应,并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统。纵观市场上的众多实时性嵌入式系统,选取uC/OS-Ⅱ,在显示组件上,采用与uC/OS-Ⅱ相配套的显示库uC/GUI,整个业务逻辑都基于这套系统上(如图5所示)。

本文采用先进的北斗卫星导航系统定位技术,所研究系统除具备一般北斗卫星导航系统的定位、导航等功能外,还具有以下创新功能。

(1)船舶远距离预约申报过闸。当船舶进入北斗定位划定区域即可向船闸发送报到信号并拿到排队号,打破传统申请过闸模式,无需到报到站排队等候递交过闸申请。实现自动快捷的过闸申报。

(2)不靠岸报闸。在船上即可完成报闸,在北斗船载终端上可查看船闸当前报到情况、候闸情况及待调度信息,使船舶过闸更加透明化,提升船闸监控和服务水平。

(3)不停船扣费。绑定缴费账号,通过辅助过闸的手机APP,轻松快捷完成过闸缴费和消费查询等工作。

(4)安全过闸。报闸、缴费全流程全部在船上完成,避免了下船上岸报到易落水出事的风险,提高船闸运行的安全性。

(5)绿色节能环保过闸。减少过闸等待时间.节省折返船来回锚地的油耗费用,降低了船舶运营的成本,降低船舶燃油消耗,促进水运节能减排。

(6)采集AIS信息,监控航道AIS船舶,加强航道管理。北斗终端会将周边一定范围内的AIS船舶数据采集到系统管理平台,工作人员通过监控系统识别船舶信息,为流域船舶分布、货种及流向的大数据分析提供了夯实的基础数据。

(7)船舶状态监控。通过姿态、温湿度、油耗等传感器,掌握船舶实时状态,加强安全监控和风险防范。

6 结论

船联网北斗卫星导航监测终端的研发,从“企业→物流→运输→加工→仓储→控制→决策”全生命周期实现精准管理,起到了规模化、集成化发展的作用,平台涵盖了库存监控、配送管理、安全追溯全流程,消除了大量的航运、物流过程时间、运输等供应链环节过多的成本消耗,提高了物流效率,保障了物流的安全与可控,同时物流客户可以实时了解到整体运作的物流进程,有针对性地进行终端营销和管理策略调整,从而实现了物流客户利益的最大化。

参考文献

[1]唐金元,于潞,王思臣.北斗卫星导航定位系统应用现状分析[J].全球定位系统,2008(2):26-30.

[2]刘丹,田银枝.采用北斗导航终端和位置云技术构建公安扁平化指挥系统应用[C].中国卫星导航学术年会,2013.

[3]潘程吉,汪勃,解冲锋,等.北斗导航系统在物联网中的应用展望[J].遥测遥控,2011(6):14-17.

[4]朱仲英.传感网与物联网的进展与趋势[J].微型电脑应用,2010,26(1):1-3.

[5]刘灿由.电子海图云服务关键技术研究与实践[D].中国人民解放军信息工程大学,2013.

[6]顾一中,孙亚民,王华,等.基于北斗定位系统的新型无线传感器网络路由算法[J].兵工学报,2009(3):306-312.

[7]蔡勇,战兴群,张炎华.基于嵌入式Linux的“北斗一号”卫星导航系统软件设计[J].中国惯性技术学报,2005(1):54-58.

[8]崔琳琳.基于WindowsCE和北斗二代的嵌入式电子海图定位显示研究[D].大连海事大学,2014.

北斗终端 篇2

位置服务的目的就是为了给人们提供与位置相关的信息和服务。随着科技的进步, 人们的生活质量越来越高, 人们生活的城市之中, 交通工具越来越多, 在一些专业领域 (交通运输领域、监控监护领域) 中, 人们的工作与位置信息有着很重要的关系。

国内在车辆监控系统方面的研究开始于20世纪90年代, 大都是基于GPS应用和移动通信技术, 目前, 其产品在银行、公安、交通等部门得到了比较广泛的应用。车辆监控系统通常由车载终端、无线数据链路和监控中心构成, 车载终端安装在受控车辆上, 是系统关键的组成部分。国内车载终端主要基于GPS设计, 而北斗与GPS兼容的车载终端还比较少。

本文简要介绍了基于北斗/3G兼容的车载终端的功能和组成, 重点介绍车载终端的设计, 采用北斗/GPS卫星兼容定位技术、3G/铱星卫星通讯、自动化控制、图像采集/压缩/传输等技术相结合。安全高效的实现了移动车辆定位与监控中心的数据传输, 实现对受控车辆的监控管理。

二、北斗卫星导航系统

我国自主研发的北斗卫星导航系统是与美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略系统兼容共用的全球卫星导航系统, 并称全球四大卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。

在北斗导航民用服务领域, 道路交通管理是北斗卫星应用的重点领域之一, 卫星导航将有利于减缓交通阻塞, 提升道路交通管理水平。通过在车辆上安装卫星导航接收机和数据发射机, 车辆的位置信息就能在几秒钟内自动转发到中心站。这些位置信息可用于道路交通管理。

三、车辆监控系统总体设计

车辆监控系统是由北斗/GPS卫星、车载终端、通讯网络 (GPRS/3G/铱星通信) 和监控中心组成。车辆在行驶过程中车载终端通过北斗/GPS兼容卫星定位模块接收卫星的定位信息, 分析处理把当前经纬度、速度、航向、连续行驶时间、图像、油耗等信息通过GPRS/3G模块或者利用铱星通讯模块把数据按JT/T-808标准上报给监控中心。监控中心接收导数据后, 通过数字化的图数据库进行车辆位置匹配, 在数字地图上显示目标车辆的位置和运行轨迹, 同时进行科学的调度和管理, 从而提高运营效率。同时监控中心也可以通过无线通信网络下发指令给车载终端。系统总体结构如下图所示。

四、车载终端设计

北斗/3G的兼容型车载终端采用多模块化、组合式优化设计, 各模块之间的接口采用标准接口, 充分利用系统平台、移动通讯网络、因特网络, 将汽车行驶记录仪、卫星定位、卫星导航、油耗检测功能集于一体, 通过无线数据通讯模块 (GPRS、3G、铱星) 和北斗/GPS模块, 与监控中心进行数据通信和移动位置的定位。终端能够实现定位导航、监控跟踪、数据实时传送、油耗检测等功能;终端产品采用的北斗/GPS双模卫星定位模块, 可以灵活配置信号处理通道工作于单GPS模式, 或单北斗模式, 或GPS/北斗混合模式。

五、车载终端硬件主要模块设计

车载终端硬件系统主机部分、通信部分、定位模块部分、显示及打印扩展通信接口部分、传感器接口五部分组成。 (1) 主机部分包括处理器、数据存储器、数据传输信号接口组成; (2) 通信部分主要由RS232接口和华为MC323/MU733无线通信模块组成及SBD9602铱星通讯模块组成, 用于车载终端与监控中心间的通讯; (3) 定位模块采用北斗/GPS双定位模块TD3017A, 其主要是对车辆进行实时定位; (4) 显示及打印扩展通信接口, 可外接调度屏或手柄; (5) 传感器信号主要是ACC油路, 温度, 车速, 空调、劫警等信号。

5.1 信息处理与控制模块

采用ARM7嵌入式系统, 主要功能是进行信息处理和控制各模块间按照通信协议要求执行进行响应操作。该模块由CPU、外部存储器、I/O接口机控制逻辑电路组成。其中CPU采用NXP公司推出的LPC2468微控制器, 该CPU最高频率为72MHz, 内含512kB的片内Flash和98kB的片内SRAM存储器, 以及1个IO/IOO以太网媒体访问控制器 (MAC) 、1个带4kB终端RAM的USB全速设备/主机/OTG控制器、4个UART、2路控制器局域网 (CAN) 通道、1个SPI接口、2个同步串行端口 (SSP) 、3个I2C接口和1个12S接口。同时还带有1个片内4MHz内部振荡器、98kB RAM (包括64kB局部SRAM、16kB以太网SRAM、16kB通用DMA SRAM和2kB电池供电SRAM) 以及1个外部存储器控制器 (EMC) 来支持上述的各种串行通信接口。这些特性非常适合于通信网关和协议转换器。

5.2 无线通讯模块

无线通讯模块根据用户需要采用华为MC322或者MU733无线通讯模块负责移动车辆和监控中心的双向通信, 车辆的状态信息即通过无线通讯模块发送到监控中心。在通信不发达的区域采用Iridium 9602铱星通讯模块进行紧急通讯。

在MC322 (支持双频:CDMA2000 1X) /MU733 (WCD-MA/GSM/GPRS/EDGE) 通讯模块采用标准标准RS232串行接口, 支持语音、数据以及短消息 (SMS) , 并能适应较宽的电压范围, 可使用AT指令对模块进行控制。

在通信不发达的区域, 采用Iridium 9602铱星通讯模块进行紧急通信。该模块嵌入了铱星SBD9602和SBD协议, 为用户提供的透明或半透明的数据传输。利用覆盖全球的铱星卫星短数据通信网络, 通过串口与用户设备进行数据传输。具有支持SBD (短数据突发) 方式、支持双向数据传输、没有盲区全球覆盖、传输距离覆盖全球等特点。

终端系统主要使用GPRS短信息通讯方式, 车载设备数据经过格式转换利用GPRS通信模块的短信息信道传到监控中心, 监控中心亦通过GPRS短信息信道向车辆发送指挥调度信令。

监控视频信息采用的是无线3G网络与Internet网络完成车载终端采集的实时视频监控画面与监控中心的传输。车载终端完成与无线3G网络的媒体信息收发, 再由3G网络通过与其互联的Internet网络将信息传输到监控中心。

5.3 北斗/GPS卫星定位模块

车载终端的定位模块采用的TD3017A, 是一款基于TD1010基带芯片的BD2 B1/GPS L1双模导航模块。单板集成双模基带芯片和双模射频芯片, 可同时接入BD2 B1和GPS L1信号。模块定位精度:<5米 (CEP, -130dBM) ;捕获灵敏度:-145dBm;跟踪灵敏度:-159dBm。

北斗/GPS双定位模块的主要功能是实时接收北斗和GPS导航卫星信号, 提取原始观测量并解调数据, 通过卫星电文分析及数据处理, 完成应用系统所要求的各项功能。主要包含三个功能单元, 即RF前端、基带信号处理和应用处理单元。

RF前端单元包含了从天线到数字信号处理器之间的所有部件, 其主要功能是将定位卫星射频信号变换为信号处理器工作范围内的中频信号, 尽可能抑制多径干扰和带外干扰, 同时将信噪 (信号和噪声) 提高到信号处理器可工作的电平, 并提供一定的信号变化动态范围。其中预放 (前置放大器) 将直接影响接收信号的信噪比, 一般采用噪声系数小、增益高和动态范围大的放大器。信号处理单元是GPS/北斗双定位模块的核心, 主要功能是从多址信号中分离识别各卫星信号, 对扩频卫星信号进行相关解扩;在恢复信噪比的基础上解调载波, 消除频率偏移 (包括多普勒频移等) 的影响, 恢复基带信号;最后将相关解扩、解调处理的历元时刻所对应的码状态、载波及相位状态形成原始观测量, 与定位导航数据一起传送给应用处理单元, 对信号处理模块提供实时控制, 并对其输出作进一步的处理, 解算出位置、速度、时间 (PVT) 和其他信息以满足各种应用的要求。

六、车载终端软件设计实现

系统软件设计采用模块化设计, 每个模块实现一个功能, 缩短了软件开发的时间, 易于修改和移植, 并预留数据接口方便省级。主要包括初始化模块、数据处理模块、人机交互模块。其工作流程如下图所示。

程序工作首先进行初始化工作主要完成开机上电后对卫星定位模块、显示模块、通讯模块等模块的初始化以及对串口工作模式、中断工作模式、波特率等参数的设置。

数据处理模块主要针对各模块采集的定位、经纬度、油耗、图像、行驶时间等信息进行综合处理后通过3G/GPRS或者铱星通信把数据定期发送至监控中心。同时主程序运行中还能响应人机输入模块的终端请求, 以便实现其他功能。

七、结语

北斗终端 篇3

北斗卫星导航系统是我国自主建设、独立运行,并与世界其他卫星导航系统兼容共用的卫星导航系统[1,2],能够支持卫星无线电测定( Radio Determination Satellite Service,RDSS) 和卫星无线电导航( Radio Navigation Satellite Service,RNSS) 2种业务[3],为北斗用户提供定位、测速、授时和短报文通信( 位置报告) 服务。伴随北斗导航系统的发展,北斗卫星导航用户终端在国民经济的各个领域得到了广泛的应用,对其进行全面的测试评估已成为广泛共识并且需求迫切。

目前北斗用户终端种类繁多,但经过实际的验证,用户终端已在功能、性能和可靠性等方面反映出了测试不全面、评估不准确等一系列问题[4]。因此,需要建立标准统一、与其他同类测试平台间能够相互验证的北斗用户终端测试系统,在用户设备交付用户之前,实现对其准确、全面、标准化的测试及性能评估,以保证其性能符合相应的技术规范,保证系统能够正常、可靠和稳定的运行。

1 发展趋势

通过对国内外导航用户终端测试系统在系统建设、关键设备研制、测试评估方法和系统管理与控制等方面的调研分析,目前用户设备测试系统的总体发展趋势可以归结为以下几个方面:

1设备组成模块化。为提高系统可靠性、可维修性和灵活性,各设备采用模块化设计。系统在硬件设备设计过程中,广泛采用总线插卡式通用机箱和平台化组态软件,实现软硬件设备的在线配置与功能升级,方便适应试验系统的信号与协议的变化,以确保系统能够具有更高的灵活性。系统在架构、总线和协议等设计上为即插即用设备预留接口,并制定完备的连接方式与通信协议。用户可以在满足特定连接方式与通信协议的基础上,自由地配置即插即用设备的功能,从而提高系统的可扩展能力,成为当前用户设备测试系统向智能化、模块化方向发展的重要趋势。

2测试控制与评估自动化。随着大型仿真系统体系规模的增大、运行速率的提高、并行处理的增加,各种指令仅靠人工操作已变得不现实,任务管理与运行的自动化成为了必然的选择,科学技术的进步与自动化工程技术水平的提高也为大型测试系统的自动化提供了可行的方案。任务管理与运行自动化的优势体现在: 通过减少人工干预提高了系统的执行效率,极大地增加了处理信息的吞吐量; 在一定情况下自动运行、自动判决可以提高系统的准确性和稳定性; 减少人工操作,降低人力成本等。

3测试流程规范化、标准化。为保证测试评估的权威性,整个测试评估系统在流程、方法和评估准则上体现出规范化和标准化的趋势,整个测试流程实现上表现为脚本化和图形化的特点,形成统一的测试规范及测试流程,并形成标准统一的测试评估方法及测试评估准则。

4多系统兼容、可升级可扩展。伴随导航系统的发展,整个测试评估系统也向着多系统兼容方向发展,从单导航系统到多系统,从单频到多频,从单用户到多用户,从单一电磁环境到复杂电磁环境,整个系统具备可升级可扩展能力。

2 系统体系架构设计

2. 1 系统体系架构

根据用户设备的测试需求以及用户设备测试系统的功能指标要求,结合测试系统的发展趋势,对北斗用户终端测试系统进行了顶层架构设计,如图1所示。

北斗用户终端测试系统体系架构设计为用户设备、链路层、设备层、操作层、调度层、管理层和任务层等7层[5]。其中用户设备是被测的对象,不属于系统组成部分; 任务层定义为系统支持用户完成的任务服务,不是具体的软硬件设备; 链路层和设备层由系统内的硬件设备构成; 操作层、调度层和管理层由系统内的软件实现。

2. 1. 1 用户终端

用户终端是指北斗用户终端测试系统支持的被测设备,主要包括: RNSS用户终端、RDSS用户终端、RNSS /GPS兼容用户终端和RDSS /RNSS双模用户终端等。该层定位为服务目标层,包含服务对象的软硬件设备,但不属于测试系统的组成部分。

2. 1. 2 链路层

链路层是连接用户设备测试系统内外各设备的组织,能够支撑系统进行信号与信息的交互。主要为被测用户设备和系统内设备提供各种时频信号、导航信号和通信信息等链路服务,通过硬件设备与电缆支持开展测试评估的导航信号网络、时频信号网络、监控网络、业务数据网络和供配电网络。

2. 1. 3 设备层

设备层是卫星导航信号模拟系统的主要硬件组成部分,用于支撑用户设备测试功能。包括系统内的各相关测试设备及通信网络设备,根据所承担任务的不同主要分为时频设备、导航信号模拟设备、入站接收设备、计算机及网络设备。

2. 1. 4 操作层

操作层是整个系统所有操作的实施者,各种功能由软件模块分别实现。它直接与系统内各种设备进行交互,包括数据的传输、参数的配置及控制管理; 包括时频、测试标定等信号接口协议和监控与业务控制信息接口协议实施; 它是整个系统的运算及管理核心,为整个系统提供协议支持,还负责完成导航信号的仿真计算、设备状态的采集和数据库的管理等功能。

2. 1. 5 调度层

调度层是直接面向用户及系统内设备资源的人机操控层,是系统运行控制的核心部件,负责完成系统输入任务的分类及相应设备的调度管理,包括测试任务的规划、测试流程的控制、测试数据的采集与处理和设备状态监控显示等。

2. 1. 6 管理层

管理层主要面向用户进行测试资源配置,包括测试项目管理、测试用户管理和测试数据管理等。其中测试项目管理完成测试项目与流程的增删与变更; 测试用户管理主要完成对测试用户的分类及不同操作权限的设置; 测试数据管理主要完成对测试数据类型的选择及存储管理。

2. 1. 7 任务层

任务层是指北斗用户终端测试系统支持完成的用户终端测试相关任务,这些任务包括: 用户终端RNSS性能测试、用户终端RDSS性能测试和用户终端GPS性能测试。该层定位为功能实现,不包含具体的软硬件设备。该层定义的任务作为北斗用户终端测试系统的输入,激活系统运行。

2. 2 软件体系架构设计

软件的系统架构如图2所示[6]。

北斗用户终端测试系统软件主要包括: 数据仿真软件、试验控制软件和分析评估软件。

2. 2. 1 数学仿真软件

数学仿真软件主要功能是根据试验需要,仿真用户机在不同运动状态条件下北斗系统和GPS系统的多星座导航电文以及多星座、多频点的各类观测数据。为射频信号仿真提供数据源,为分析评估软件提供评估基准。

数学仿真软件主要由时空系统仿真、卫星星座仿真、空间环境仿真、用户轨迹仿真、观测数据仿真和导航电文生成等单元组成。

2. 2. 2 测试控制软件

测试控制软件完成整个系统运行时的所有控制功能。向各个分系统及设备发送控制指令,完成系统闭环自检、数学仿真的控制、信号模拟产生的控制和试验数据采集等。

2. 2. 3 分析评估软件

分析评估软件主要完成试验数据的分析评估功能和试验报表的产生。分析评估软件从试验控制软件中获取用户机的试验数据,从数据仿真软件获取相应时刻的仿真数据,按照不同项目要求利用相应的评估模型对试验数据进行处理,生成相应的试验报表。试验数据可评估结果存入数据库,也可打印输出。

3 系统实现

测蔗系统组成如图3所示。

北斗用户终端测试系统在实验室环境中仿真北斗以及GPS卫星星座、卫星运动特性以及实际空间环境特性,仿真用户设备在实际应用场合下的典型运动特性,模拟用户设备在典型运动特性下天线口面接收到的动态导航信号,构建用户设备各种典型应用条件或临界条件下的试验环境[7,8]。

北斗用户终端测试系统主要由测试控制与评估、卫星导航信号模拟器、入站接收机、通用仪器和测试环境等组成。

测试系统主要分布在控制机房和暗室2个区域。控制机房主要包括: 设备仪器机柜、系统控制台和有线测试台,主要负责完成系统控制和有线测试环境的建立; 暗室中的设备主要包括: 收发天线、程控电源和转台。

3. 1 测试控制与评估软件

测试控制与评估软件的主要功能是完成测试条件配置、测试流程的控制、测试数据的采集与存储和测试结果的分析与评估。

3. 2 卫星导航信号模拟器

卫星导航信号模拟器[9,10]主要由数学仿真软件和信号模拟仿真源组成。数学仿真软件的主要任务是仿真导航接收机在不同运动状态条件下接收到的导航卫星电文及其观测数据,为信号模拟仿真提供数据源,为测试控制与评估软件提供评估基准。信号模拟仿真源主要任务是把数学仿真软件生成的导航电文和观测数据精确地生成射频模拟信号,提供给测试环境使用。

3. 3 入站接收机

入站接收机的主要功能是完成对被测用户设备发射的RDSS入站短突发信号进行捕获、跟踪和解调,实现对信息的解析,完成对入站短突发信号功率、伪距、频偏、BPSK载波相位调制偏差和载波抑制度等信号特性的测量[11]。

3. 4 通用仪器

通用仪器[12,13,14]主要包括: 铷原子钟、频谱仪、时间间隔计数器和高速示波器等,其中铷原子钟为系统提供高精度的时间基准,频谱仪、时间间隔计数器和高速示波器等在测试控制与评估分系统的控制下完成对用户设备部分指标的测试。

3. 5 测试环境

测试环境分为有线测试环境和无线测试环境。有线测试环境通过射频电缆直接与导航接收机低噪放相连接,无线测试环境是指在微波暗室内,模拟自由空间环境对用户进行的无线测试,主要由微波暗室、测试天线、测试转台和测试控制端口等组成,为被测用户设备提供无线测试条件。

4 结束语

北斗终端 篇4

北斗卫星导航系统是继美国GPS、俄罗斯GLONASS后第三个进入GNSS(全球定位导航系统)俱乐部的导航系统,它是一个我国具有完全自主知识产权并被世界卫星导航委员会所认可的系统[1],要想了解它我们首先来聊聊它的由来。

现如今,在私家车以及移动终端设备上GPS都可以免费使用,导航定位功能已经深刻的影响着我们的生活方式,身处这个偌大的世界当中人们已经不会有一种苍茫的感官,我们时刻可以掌握自己的精确坐标,并随心所欲的到达自己想要到达的地方。那么GPS既然这么优秀且免费我们为什么要劳民伤财自己研究自主的导航系统呢?这是因为GPS是由美国完全控制的,GPS分为民用和军用两个标准,为了预防敌人利用自己的武器来对自己构成威胁,美国曾对民用信号加以干扰,使其定位精度大大降低。

这一情况直到2000年以后才有所改变,因为美国通过系统升级,已经掌握了战时可以随时关闭某一地区导航信号的能力。一旦我们形成了对GPS的依赖性,如果美国关闭对我们的服务,那将是毁灭性的打击,我们将变成彻彻底底的瞎子。正是出于安全因素的考虑我国提出了自主研发的北斗卫星导航计划,北斗卫星导航系统包括RNSS(卫星无线电导航业务)与RDSS(卫星无线电测定业务)两种定位模式,北斗卫星导航系统区别于GPS导航系统,它不仅能够让我们知道我们在哪里,同时能够告诉别人我们在哪里、在干什么[2],也正是由于这样的因素,在信息发送的过程中,我们的位置极可能被截获,本文正是基于这种隐患的存在,提出了一种提高北斗导航定位终端安全性能的设计。

1 北斗卫星定位系统的发展

北斗导航定位系统的发展历程主要包括三个主要阶段:

第一阶段:上世纪80年底到2000年,即“双星快速定位系统”,这一理论是在80年代的全国科学大会上提出来的,由两颗地球同步卫星实现了一定区域内的导航定位功能,这一技术用户在定位的时候需要对卫星发送数据,因此又称为有源定位,虽然第一代卫星导航定位系统跟GPS相比较存在明显的缺陷,但这是基于我国当时的综合国力做出的最理性选择,并使我国成功打破国外垄断,具有了自主定位的能力[3]。

第二阶段:2001年到2012年,这一阶段的主要任务是覆盖亚太地区,随着GPS应用的逐步推广,以及其在美国对外战争中发挥的巨大作用,并且我国的综合国力也得到不断提高,这一计划越来越受到国家的重视,到2012年共有12颗北斗二号卫星发射升空,北斗卫星导航系统开始真正在国民经济中发挥作用,在汶川地震救援工作中,北斗系统的通讯功能成为灾区与外部联络的唯一手段,这一阶段北斗导航系统在性能上已经大大缩小了与GPS的差距。

第三阶段:2013年到2020年,组建全球定位系统,最终将有35颗定位卫星发射升空,组成由地面站、用户终端以及空间卫星组成的庞大系统。届时北斗卫星导航系统将在性能上足以媲美甚至超越GPS系统,并且比GPS具有更强的互动性[4]。

2 北斗卫星导航系统使用安全性设计

区别于GPS的单一定位方式,北斗卫星导航系统具备有源定位与无源定位两种方式,其中有源定位的过程中需要用户向卫星发送数据,这样即使在较差的搜星状况下依然能够达到定位的目的;同时北斗系统使用户在获知自己位置的同时可以告诉对方自己的位置,并向可以对外发送简短报文。但是这在为用户带来便捷的同时也给北斗系统使用的安全性带来了挑战,一旦发送的数据遭到截获,那将给用户的隐私带来极大的挑战。

针对该问题,我们在移动终端上在系统使用北斗信号时,为了保证用户信息不被恶意监控,保证数据的安全性,我们在终端系统上增加了一个北斗信号模拟单元,框图如图2所示。正常发送的位置信号为频率f1处的波峰,通过模拟单元我们得到了一个频率为f2处的波峰,经过逻辑处理单元对两个位置信号的整合,我们得到了一个全新频率的波峰,即使被人为跟踪,对方得到的也是错误的信息。另外发出的信息我们可以在特定的设备上进行解密操作,这样我们在实现了自身精准定位的同时,也达到了安全通信的目的。

图3展示了移动终端设备的结构图,北斗加密模块对北斗信号进行加密整合,由内置发射天线将信号对外辐射,天线采用陶瓷加螺旋架构,能量由大功率电池提供。

3 结语

安全性对我们来说至关重要,再优秀的技术如果不能解决这个问题那都将一无是处,本文提出了一种提高北斗卫星导航定位系统使用安全性的方法,成功解决了北斗有源定位(RDSS)使用过程中的安全性问题。

参考文献

[1]杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战.测绘学报.2010,39(1):1-6.

[2]郭晓亮,苏保成.军用导航定位系统能力需求的分析[J].科技资讯.2009(30).

[3]田洪伟.双星导航定位系统组合应用[J].科技信息(科学教研).2008(16).

北斗终端 篇5

关键词：北斗卫星导航系统,水质检测与控制,终端设计

0 引言

当今社会, 水污染越来越严重, 水源污染事故频繁发生。为了保证用水安全, 水质检测则显得越来越重要。为了保证对水质检测的顺利进行, 本文设计了一种基于北斗卫星导航系统的水质检测控制终端, 实现传感器数据的采集、存储与传输, 同时可以定位水质采集系统。利用北斗卫星导航系统作为中转站, 把水质检测的数据通过北斗收发模块发送到地面检测站, 从而实现了对水质的实时在线检测。

1 系统硬件设计

水质检测控制终端, 主要完成水质采集系统定位、传感器数据采集、数据格式转换、北斗卫星导航系统数据传输功能。系统原理框图如图1所示。北斗卫星导航系统通信模块完成对传感器数据的传送, 并可以接收地面站下达的指令;SD卡存储模块把传感器数据保存在水质检测系统, 作为数据查询之用, 可以保存一个月的检测数据;多参数传感器设备与单片机连接, 传感器的输出可以是RS-232通信、CAN总线通信、RS-485总线通信、所以水质检测控制终端具有至少三种通信方式。

1.1 单片机选择

选用意法半导体公司ARM CortexTM-M3核的32位STM32F103RB单片机, 负责系统的整体运行。单片机特点为:工作频率为72MHz, 3个16位定时器, 其内部集成CAN2.0控制器、USART接口和USB2.0全速接口等, 调试模式为SWD和JATG接口。

1.2 电源模块设计

水质检测系统采用太阳能供电, 蓄电池为系统提供12V直流电, 采用专用的蓄电池保护芯片, 来控制蓄电池的充放电。本控制终端使用LM2596来实现+12V到+5.4V的转换, 使用LM1117实现+5.4V到3.3V的转换。

1.3 北斗卫星导航系统通信模块

北斗卫星导航系统通信模块采用东方联星公司自主设计开发的RD120-2W北斗RDSS短报文通信板, 它是一款基于北斗RDSS功能设计的收发一体化模块, 采用公司自主研制的北斗RDSS射频芯片, 具有卫星短报文通信和定位功能, 通信和定位成功率为95%, 定位精度为20m, 根据SIM卡情况实现不大于120个汉字的通信。模块的供电电压为+5.4V。

1.4 SD卡存储模块设计

水质检测系统在使用时, 把传感器采集的数据、位置信息及时发送到地面站的同时, 检测控制终端也要对传感器采集的数据、位置信息备份。本系统选用16G SD卡, 保证数据可以循环保存半年。SD卡存储模块与单片机的连接电路如图2所示。

1.5 通信接口设计

北斗卫星导航系统通信模块与单片机为RS-232协议接口, 而传感器可以是RS-232通信接口, CAN总线通信接口、RS-485总线通信接口。为了满足系统需求, 从STM32F103RB单片机扩展出两个RS-232通信接口, 一个CAN总线通信接口, 一个RS-485总线通信接口, 满足北斗卫星导航系统通信模块使用要求, 也能够极大的扩展使用, 连接更多类型的传感器。

2 系统软件设计

程序是在KEIL公司Keil uVision4环境下开发的, 子程序包括:传感器数据采集, 北斗卫星导航系统的定位, SD卡数据存储, 数据协议转换与短报文传输。主程序流程图如图3所示。系统对接收地面站的指令的程序如图4所示。

3检测控制终端应用实例

设计好的水质检测控制终端, 在实际测试中, 检测控制终端连接一个RS-232接口的叶绿素a浓度传感器, 一个RS-485接口的PH值传感器, 一个RS-485接口的硝酸盐氮浓度传感器, 检测控制终端可以接收地面站数据、发送水质检测系统的传感器数据到地面站, 并可以把传感器数据、设备定位信息、传感器采集数据时间等信息存储到SD卡内。

4 总结

本文设计了基于北斗卫星导航系统的水质检测控制终端, 从硬件与软件两个方面对其进行了介绍。设计的控制终端, 能够对传感器数据进行采集、存储、传输, 完成设计任务, 基本满足使用要求。本控制终端在水质检测中进行了实验使用, 对数据的远程采集、传输中得到应用。本控制终端也可以用于保密设备的定位、数据交换等, 具有一定的应用前景。

参考文献

[1]王英志, 杨佳, 韩太林.基于STM32的RS232-CAN通信协议转换器设计[J].制造业自动化, 2013, 35 (7) :141-143.

[2]于龙洋, 王鑫, 李署坚.基于北斗短报文的定位数据压缩和可靠传输[J].电子技术应用, 2012, 38 (11) :108-111.

北斗终端 篇6

关键词：北斗卫星,预警信息,极端天气,GPRS

目前, 我国主要通过手机短信、电话、电视插播、GPRS、电台等手段进行信息的发布和接收。但对于山区和边远地区而言, 仍然存在较多的蜂窝盲区和蜂窝临界区, 在这些地区采用常规的通信手段是无法进行通信的, 且常规通信方式比较依赖基站。如果基站出现问题, 则该地区的信号会全部消失, 进而无法接收预警信息。因此, 在工作实践中, 这些传输方式具有很大的局限性。

本文主要研究基于北斗卫星的预警信息接收终端的关键技术, 包括使用北斗卫星的短报文功能发布和接收预警信息、提高预警信息发布的时效性, 从而消除预警信息发布的“盲区”。针对上述关键技术, 本文进行了相关硬件的设计和软件设计, 规划了基于北斗卫星的预警信息接收终端的组成框架, 并搭建了终端硬件测试平台。

1 预警信息接收终端的硬件电路设计

北斗卫星预警信息接收终端是整个北斗预警信息传输和发布系统 (以下简称北斗发布系统) 的重要组成部分。目前, 该系统已经在山西运城市气象局建成并投入使用。该系统将依托各级气象部门现有的业务系统, 建立省、市、县突发公共事件北斗预警信息发布中心 (以下简称北斗发布中心) 和覆盖全省的乡、村北斗预警信息接收终端, 从而为省市县各级、各部门提供预警信息发布服务。

1.1 北斗发布实现框图和特点

北斗发布系统由北斗预警信息发布中心和北斗预警信息接收终端组成, 采用北斗+GPRS (无线网络) 两种通信手段相结合的方式进行预警信息的发布和管理。预警信息接收终端以文字和语音的方式直接传递给受影响的社会公众。预警信息发布原理框图如图1所示。

北斗发布系统有以下5个特点: (1) 北斗发布中心通过网络连接至预警信息管理中心, 统一接收、发布自然灾害、事故灾难、公共卫生事件和社会安全事件四大类突发公共事件信息, 信息发布准确、可靠。 (2) 北斗发布中心充分利用了北斗短报文通信的优势, 以北斗通信发布预警信息为主, 以GPRS为辅, 达到了信息发布及时、覆盖全面的目的。 (3) 发布中心可实现同时向多个不同区域群发预警信息的功能, 这不仅提高了发送频度, 缩短了发送时间, 还进一步提高了信息发布的时效性。此外, 还能在最短的时间内向特定区域、部门、人群发布预警信息, 便于有关部门和社会公众及时获取预警信息、采取相应的防灾抗灾措施, 从而最大限度地保障人民群众的生命财产安全。 (4) 预警信息接收终端具有北斗短报文接收功能, 在收到北斗预警信息后, 将以文字和语音的方式播报预警信息。 (5) 预警信息接收终端收录了省、市、区和县的通播地址, 可同时接收省、市、区和县预警信息发布中心发布的信息。

1.2 北斗发布系统架构

省北斗发布系统由省、市、县北斗发布中心和乡、村预警接收终端 (LED显示屏和大喇叭) 构成。省、市、县各级发布系统既可相互独立工作, 发布本区域的预警信息, 又可通过北斗、GPRS和网络等通信手段, 实现省、市、区、县发布中心信息互通;接收并转发上级预警中心发出的预警信息, 及时上报灾情信息, 为突发公共事件的应急处理、社会防灾减灾、保护人民的生命财产安全提供科技支撑和决策依据。北斗预警信息发布系统框图如图2所示。

1.3 北斗卫星预警信息接收终端架构

北斗卫星预警信息接收终端作为预警信息发布的载体, 直接面向社会服务, 接收终端的性能直接关系着整个预警信息发布系统的服务质量。在农村地区, 为了确保预警信息能及时、准确地通知到每个人, 采用了大喇叭、广播等方式。因此, 本文所研究的预警信息接收终端正是基于大功率音频设备设计的。预警信息接收终端的架构如图3所示。

1.4 北斗卫星预警信息接收终端电路

北斗卫星预警信息接收终端内部主要是由电源、主控制模块、功能模块等组成, 外部由北斗天线、GPRS天线、数据线和220 V电源线组成。本文设计的预警信息接收终端组成框图如图4所示。

图4中, 控制模块是整个预警信息接收终端中的核心部分, 本文在设计中采用了模块化功能处理。控制模块主要由接收单元、控制单元、音频转换单元和供电单元等组成, 具体如图5所示。

2 预警信息接收终端软件的设计

北斗卫星预警信息接收终端是整个北斗卫星预警信息发布系统的组成部分之一。在具体使用中, 需要与北斗预警信息发布平台配合使用。

2.1 北斗预警信息发布平台

北斗预警信息发布系统平台软件采用多文档界面方式, 系统主界面为预警信息发布界面 (如图6所示) , 具有信息编辑、预览、发布和接收等功能, 以及为用户提供系统导航、子窗体界面相互切换等功能;系统的其他应用子系统作为子窗体, 可为用户提供相关主题的查询、管理等功能。发布平台具有GIS地图显示界面, 可在GIS地图上直观显示和监控系统终端的位置、预警信息的接收情况, 并根据发布中心的位置和发布区域的情况加载相应的GIS地图。

2.1.1 发布信息审查功能

信息需经过相关领导的审批才可对外发布。

2.1.2 选择发送信息功能

平台按行政区分组终端, 可根据需要选择特定的终端发送信息, 并通过地图或树状区域选择对不同区域的群发和定点发布的功能。在图7中, 蓝色图标为被选中发布区域。

2.1.3 接收预警信息功能

平台可根据终端的行政区级别接收来自终端所发送的灾情、设备状态、气象等信息。

2.1.4 定时、自动和手动发布功能

平台能根据预先设定的时间自动发布天气、科普知识、预警信息等消息, 能根据设定文件的更新变化自动更新发布消息, 还能根据突发状况随时手动发布预警信息。

2.2 北斗预警信息接收终端软件

北斗卫星预警信息接收终端软件主要负责调解卫星信息、控制GPRS模块联网、按照特定的编码格式输入语音芯片和进行文字与声音的转换。控制软件通过串口与北斗接收机、语音芯片、GPRS模块通信, 并通过并行总线与温度传感器通信, 以采集设备内部的温度。

2.2.1 软件系统的环境结构

软件系统的环境结构如图8所示。

由图8可知, 控制软件要通过串口与北斗短报文模块通信, 接收北斗信息并分类、组包和处理信息;通过串口与GPRS模块通信, 控制GPRS模块联网, 收、发数据信息、短消息;通过串口将接收到的信息按照特定的编码格式输入语音芯片, 以进行文字与声音的转换。

2.2.2 软件结构

控制软件由C语言编写, 主要分为4部分:主程序、串口中断程序、北斗接收程序和GPRS控制程序。

2.2.2. 1 主程序

主程序的功能为:实现开机初始化、查询输入信号的状态、控制数据接收、中断标记, 处理卫星接收的数据并解码、检测按键状态、控制语音信息输出和控制指示灯显示。

主程序的输入数据包括各输入信号状态、串口接收的卫星数据、GPRS数据、中断标记和按键状态。

主程序的输出数据包括指示灯控制信号、接收到的信息内容。

2.2.2. 2 串口中断程序

串口中断程序的功能为:接收来自北斗接收机的卫星信息数据、发送信息给语音芯片进行语音合成。

串口中断程序的输入数据为北斗接收机的卫星信息数据。

串口中断程序的输出数据为发送给语音芯片进行语音合成的信息数据。

2.2.2. 3 300 s中断程序

300 s中断程序主要用来定时向发布中心发布设备工作状态信息。

2.2.2. 4 语音转换程序

语音转换程序主要用来将数据信息转换为音频信息。

本文研究的预警信息接收终端软件的工作流程如图9所示。预警信息收发终端按照行政区划分编码规则、设定的本机地址。当接收到含有地址码的预警信息时, 终端先对该预警信息进行校验和解码, 解码完成后对比该信息所包含的地址信息与本机地址信息。当接收到的预警信息内容的地址码所管辖的范围包含当前接收机所设置的地址码范围时, 接收机会处理此预警信息。如果校验成功, 则会对预警信息进行数据转换, 并控制语音芯片、功放模块, 从而开始语音播报。该预警信息接收终端除了可通过北斗接收预警信息外, 还可以接收GPRS的预警信息。在工作中, 一般以北斗通信为主, 以GPRS通信为辅, 2种手段相互补充, 从而可确保预警信息接收的稳定性、可靠性。

3 运行情况

自2012年初开始, 目前, 利用北斗卫星的短报文功能发布气象应急预警信息的试验已成功, 并于2014-07通过了省专家的评审, 得到了评审组、省气象局和当地市政府领导的重视和大力支持, 将拨付专项资金在运城市4个县区率先运行, 待通过进一步研发完善后, 将会逐步在运城市和山西省推广使用。

目前, 该系统在运城市气象局运行良好, 为全市的防灾减灾提供了保障。

4 结束语

本文研究的基于北斗卫星的预警信息接收终端具有覆盖范围广、信息发布快、通信费用低、安全性高、传输稳定可靠、终端设备安装和维护简易等特点。该系统采用了北斗卫星和GPRS双重传输手段、终端设备交直流供电、集中控制终端运行与管理、多卡短报文拼接、虚拟终端地址设计等技术, 提高了预警信息发布的可靠性和时效性, 达到了为实现突发公共事件的应急处置、社会防灾减灾、保护人们的生命财产安全提供科技支撑和决策依据的目的。

参考文献

[1]中国气象局.中国气象灾害年鉴[M].北京:气象出版社, 2007.

[2]中国气象局.气象灾害预警信号发布与传播办法[M].北京:气象出版社, 2007.

北斗终端 篇7

北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System,BDS)是我国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统,是继美国全球定位系统(Global Positioning System,GPS)、俄罗斯格洛纳斯、欧盟伽利略之后,全球第四大卫星导航系统,较GPS功能更加丰富,安全性更具保障[1,2]。北斗卫星导航系统拥有自主知识产权,具有全天候、无死角、无盲区、高精度、实时回传等特点[3],已成功应用于测绘、农业、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾、气象和公共安全等诸多领域[4],并在电力行业中得到了广泛应用[5],产生了显著的经济效益和社会效益。

秦皇岛电力公司作为国家电网公司的首家试点单位,利用北斗卫星系统解决了配电网设备的授时、定位和通信问题,目前已在河北一线、河北二线、南一线等9条线路安装了100套北斗终端,将北斗卫星通信和智能配电网管理有机结合。利用北斗系统无需建设专网基站、无需敷设专用光缆的独特优势以及无可比拟的信息安全性,依托精确定位、精准对时、短报文通信等功能,实现了运行数据的实时更新、配电网故障远程监控,形成了可推广的技术成果,实现了对配电网运行的全面实时监控和配网故障的快速定位,为北斗卫星系统融入电网管控领域提供了宝贵经验。

1 配电网现状分析

目前,部分地区配电网存在部分线路供电半径偏长、故障率偏高、线路互供能力偏弱等问题。配电自动化未覆盖线路虽然已安装数据传输单元(Data Transfer Unit,DTU)、馈线单元(Feeder Transfer Unit,FTU)等配电终端,但处于孤网运行状态,不能实时掌握线路状态和开关状态信息。故障发生时,巡检人员需要现场逐段排查故障区域,不能及时发现故障点并排除故障。配电终端与主站无法保持精确的时间同步,难以准确判断故障发生时间、进行故障定位、事件回溯、原因分析等。另外,如遇突发恶劣天气造成通信线路中断,如果没有其他应急通信手段,则会对配网抢修指挥造成严重影响。

应用北斗卫星系统,能够简单有效地解决上述问题。利用北斗短报文通信功能,可将配电终端监测到的线路状态、开关状态等信息实时回传至主站,构建新的配网线路,完善现有配网体系[6];为巡检人员配备北斗智能手持终端,可利用北斗定位功能实时掌握故障点的精确位置并合理规划路线,引导巡检人员迅速前往故障点;利用北斗的授时功能,可为配电终端和主站提供高精度授时,实现配电终端与主站的时间同步[7],帮助主站准确判断故障发生时间,提供故障原因分析及事件回溯的有效依据。

2 系统架构

利用北斗卫星系统解决配网设备的授时、定位和通信问题,可实现对配电网运行的全面实时监控[8],实现配网故障快速定位,通过GIS定位故障位置并合理规划抢修线路,缩短故障停电时间,加快故障处理速度,提升用户满意度和客户服务水平,切实提高用户供电可靠性。

配电终端状态监测系统依据功能层级划分为设备层、传输层和应用层进行部署,系统架构如图1所示。通过与GIS1.6结合,设备层的配电终端可实现线路运行数据提取,经过北斗通信终端将数据上报至传输层,传输层将外网系统与内网系统进行衔接,将线路运行数据推送至应用层,应用层基于GIS1.6将线路运行数据分别推送至数据管理模块和设备监控模块,系统调用数据管理模块中的运行数据完成线路运行状态分析并进行展示。

3 实施方案

本文创新性地将3种北斗模块应用于配网设备,包括具备授时功能的北斗模块,具备授时和定位功能的北斗模块,以及同时具备授时、定位和短报文通信功能的北斗模块[9]。北斗模块的授时功能可实现高精度的时间同步;定位功能可与GIS平台相结合,提供精确的实时位置信息,实现故障精确定位;短报文通信功能不依赖现有的有线或无线通信方式,在环境恶劣的条件下依然能够进行通信。本文对传统的FTU、DTU、故障指示器、故障定位装置等4类配电终端进行改造,并与北斗授时、定位、通信模块进行集成。改造后的配电终端能够通过北斗授时模块获取精确的时间并与主站保持时间同步,通过北斗定位模块获取终端位置信息,连同配电终端采集到的各类监测数据,通过北斗短报文通信模块上传至主站平台[10,11],方案设计如图2所示。

1)在现有配网设备上加装北斗授时模块,解决配网设备的时间统一问题。

2)在现有配网设备加装北斗授时、定位模块,解决配网设备的故障定位问题。

3)对现有电力基础设施加装北斗定位模块,解决设施基础地理信息标识的问题。

4)配置北斗数据传输终端和北斗智能巡检手持终端,解决无公网覆盖地区移动作业及灾害情景下的通信问题。

3.1 北斗精确授时

基于北斗卫星系统的高精度授时模块,配电自动化设备的对时准确度可达到纳秒级,实现配网的时间统一。通过统一时间,可提高事件顺序记录(Sequence of Event,SOE)时标匹配的准确度,准确掌握故障发生时刻,提升故障分析和解决的效率,进而提升配电自动化运行指标。

在充分考虑现有配网设备现场通信条件的具体情况下,将配网设备划分为具备现场通信条件与不具备现场通信条件两类。

其中,针对具备现场通信条件的配网设备,在配网设备中加装北斗高精度授时模块(见图3),利用该模块收取北斗基准时钟源下发的时间信息,通过I/O接口为配网设备提供时间信息,保证配网设备记录的状态变化信息及故障信息中时标的准确性,通过现有通信通道将包含精准时标的信息数据回传至配电自动化主站,满足配网终端与自动化主站的时间一致性。

针对不具备现场通信条件的配网设备,采用加装北斗数据传输终端的方式,将包含精准时标的配网设备信息通过北斗短报文通信的方式发送至后台主站。

该解决方案满足电力设施对于授时功能的需求,利用北斗精确对时记录配电自动化设备状态变化及故障发生的时间,从而提高配电自动化设备的对时准确性。

3.2 故障精确定位

针对具备现场通信条件的配网设备位置信息回传功能的需求,利用北斗高精度定位模块为配网设备提供精确的位置信息服务,可解决现场故障定位难、查找慢的实际问题。北斗高精度定位模块通过通信端口将精确的位置信息提供给配网设备,配网设备通过光纤上报至配电自动化主站。

针对不具备现场通信条件的配网设备位置信息回传功能的需求,利用北斗数据传输终端为配网设备提供精确位置信息,并通过短报文将精确的位置信息上报至后台主站。通过主站部署的BD&GIS系统将故障点的信息下发到巡检人员的北斗智能巡检终端,自动生成抢修路径,引导巡检人员迅速到达故障现场,实现故障快速定位、查找,缩减配网抢修时间,提高配网抢修的效率。精确定位故障区域如图4所示。

该解决方案满足电力设施对于故障点精确定位功能的需要,利用北斗精确定位功能,结合授时功能,记录配电自动化设备故障点位置及时间信息,从而提高配网抢修的效率。

3.3 地理位置信息采集

各省(市)公司在近几年的信息化建设过程中,已基本完成了城网10 k V及以上电压等级电网资源数据的采集以及在电网GIS平台内的建模工作,但农电10 k V及以上设备、低压配网数据只有部分省(市)公司在GIS系统中建设管理,营销资源数据缺失严重。通过在电力设施上加装北斗定位模块(见图5),对其地理位置信息进行标识,通过对位置数据进行坐标转换、格式转换、数据融合、影像匀色等操作,实现对电力基础设施的统一管控。

3.4 移动作业及状态信息回传

北斗卫星的短报文通信功能是美国GPS和俄罗斯格洛纳斯都不具备的特殊功能,是全球首个在定位、授时之外具备报文通信功能的卫星导航系统[12]。北斗卫星短报文通信具有用户机与用户机、用户机与地面控制中心间双向数字报文通信功能,一般用户机可一次传输70 B,短报文不仅可进行点对点双向通信,而且其提供的指挥机可进行点对多点的广播传输,为各种平台应用提供了极大便利。

指挥机收到用户机发来的短报文后,通过串口与服务器连接并以Java或其他语言编写的通信服务解析数据,通过短信网关转发至普通手机,同时通过通信服务可实现普通手机向用户机发送短报文的功能。北斗卫星系统通信组网如图6所示,指挥机可通过串口获取发送至其的数据,通过Java等编码程序接收并处理数据[13]。

4 试验线路建设

选取秦皇岛市南里庄变电站河北一线、河北二线、污水一线、污水二线、铝业线、柳村线、龙营线、南一线和李庄变电站高庄线等共计9条10 k V配电线路,改造原有故障指示器51套,新装FTU 11台,改造DTU 8台,新装故障定位装置30套。其中配套安装北斗授时模块8个,授时定位模块22个,北斗数据传输终端70个,GPRS模块22个。通过北斗卫星系统实现了终端设备的自动授时,遥信、遥测数据的上传和召测,以及故障报警和定位。

设置一套北斗指挥装置,包括北斗指挥机、服务器、交换机等,实现了配网设备的信息管理、查询、调阅,为智能配电网提供信息交互的手段。

配置北斗智能巡检手持终端与PMS2.0数据贯通,完善了基于北斗的地理信息系统,通过信息回传功能实现了故障点在GIS地图中的准确定位,可自动生成智能抢修路线,主动通知抢修人员,缩短了抢修时间。

5 结语