CN102594372A - 基于软件无线电的舰船智能船桥系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一基于软件无线电的舰船智能船桥系统，包括：天线组，连接天线组的射频转换组，连接射频转换组的高速数据处理板，连接高速数据处理板的微机数据处理平台和显控台；天线组用于收发通信类射频信号和导航类射频信号，射频转换组将天线组接收的射频信号转换成中频信号或将高速数据处理板待发送的中频信号转换成射频信号，高速数据处理板对射频转换组转换后的中频信号进行处理，进行模拟/数字信号的转换后，由微机数据处理平台根据转换后的数字信号进行导航信息综合处理并显示驾驶人员需要的信息和人工操作指令，高速数据处理板与微机数据处理平台直接通过系统总线连接。其通过系统总线的方式代替现有舰船综合船桥系统中的外部网络连接方式，使得系统执行效率更高。

Description

基于软件无线电的舰船智能船桥系统

技术领域

本发明属于船舶导航通信技术领域，特别是一基于软件无线电的舰船智能船桥系统。

背景技术

随着科学技术的不断进步，船舶通信导航设备得到了飞速的发展，VTS、GPS、ENC、ECDIS、AIS等多种助航技术或系统相继出现，为航海人员提供了丰富的助航手段。但这些航海技术出现与应用，还存在着一些问题：首先是多种导航、助航系统并存，独自发展，相互之间难以兼容；其次是各类助航信息大大增加，导致航海人员难以全部熟悉这些内容，从而增加了船舶驾驶的负担，降低了航海人员使用这些系统的热情和系统的效果。

针对上述问题，现有提出了舰船综合船桥系统。该系统将船上的各种导航设备、舰船操作控制设备和雷达避碰设备等通过外部网络有机结合起来，利用舰船综合管理平台实现舰船的自动安全和经济航行，系统具有完善的导航、自动驾驶、自动避碰、通信和航行管理控制等多种功能。该舰船综合管理平台是利用计算机、通信、网络、自动控制等技术，将综合舰桥系统、主推进系统、电站及电能管理系统、辅机系统、损管系统、电视监视系统、三防系统、综合状态评估系统、实船在线训练系统、全船维护保障系统等相对独立的分系统纳入到统一的网络中，实现信息集成，形成以信息集成为核心，集监测、控制、管理于一体的网络化、信息化和智能化的综合大系统。其目的旨在为日趋复杂的舰船系统和设备提供高自动化、高可靠性的集成监控平台，并提供一种开放式的、高可扩展性的具备功能动态配置、灵活重组特性的信息集成体系架构，实现功能与设备的分离、信息采集与信息使用的分离、数据与应用的分离，从而解除系统功能与设备紧耦合的绑定关系，消除当前日益严重的舰船系统功能扩展与总体优化间的矛盾，达到减员增效的目标。

但该舰船综合船桥系统中的各种导航设备、舰船操作控制设备和雷达避碰设备等是通过外部网络与作为显控终端的工作母机连接的，系统执行效率低，且是在未减少船桥原有各类设备数量的情况下，通过对各设备的简单集成和对船桥信息进行更高层次的综合处理实现的集中显示和集中控制，并未减少船员需要掌握的各种船桥设备的数量，因此并未降低船舶驾驶的负担。

发明内容

本发明针对上述问题而提出一基于软件无线电的舰船智能船桥系统。本发明采用的技术手段如下：

一种基于软件无线电的舰船智能船桥系统，其特征在于包括：天线组(1)，连接天线组(1)的射频转换组(2)，连接射频转换组(2)的高速数据处理板(3)，连接高速数据处理板(3)的微机数据处理平台(4)和显控台(502)；

天线组(1)用于收发通信类射频信号和导航类射频信号，射频转换组(2)将天线组(1)接收的射频信号转换成中频信号或将高速数据处理板(3)待发送的中频信号转换成射频信号，高速数据处理板(3)对射频转换组(2)转换后的中频信号进行处理，进行模拟/数字信号的转换后，由微机数据处理平台(4)根据转换后的数字信号进行导航信息综合处理并显示驾驶人员需要的信息和人工操作指令，高速数据处理板(3)与微机数据处理平台(4)直接通过系统总线连接。

本发明的有益效果如下：

1.代表了国际海运的发展方向。国际海事界从本世纪初开始研究航海技术发展现状，评测航运经济发展趋势，分析船舶助航存在的问题，并通过收集用户需求，提出了发展e-Navigation(简称e-Nav)。这是目前航海领域业务发展、用户需求、海洋环境保护以及标准化发展的需要。e-Nav的概念从2005年开始就已经进入航运界的讨论之中。“E-navigation”，即通过电子方式在船上和岸上收集、综合、显示海事信息，以增强船舶泊位到泊位的全程航行能力，增强船舶海上服务和保安能力。软件化的舰船综合船桥系统，能够快速推进智能船舶的发展进程，使E-navigation概念在船舶上的应用由抽象变得具体，形成了一种新的技术手段。

2.抢占了船舶通导领域新的战略高地。船舶向高技术含量、高附加值方向发展已成为共识。软件化的舰船综合船桥系统，利用其固有的技术优势，领导双高船舶的发展趋势。

3.填补了新造船市场上没有船用通导设备承包商的空白。一个大型造船企业，需要几百上千家企业为其提供配套服务产品。相对于其他船用机电设备，船舶通导产品种类较多，单价较低，在船厂的采购中往往采用打包的方式，由一个厂家独立完成。智能化的舰船虚拟船桥系统作为一套综合的通用设备，取代了种类较多的单个船舶通导产品，可以适应民用新造船市场的商务运作方式，打破了国际跨国公司对船用通导设备的市场垄断，填补新造船市场上没有船用通导设备集成商的空白。

4.本发明的系统通过系统总线的方式代替现有舰船综合船桥系统中的外部网络连接方式，使得系统执行效率更高。

附图说明

以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明：

图1为本发明实施例一的基于软件无线电的舰船智能船桥系统结构图。

图2为本发明实施例二的基于软件无线电的舰船智能船桥系统结构图。

具体实施方式

本发明的系统是基于软件无线电技术的发展而产生。船舶的移动性决定了船舶通信导航设备主要是由无线电设备构成，现代微电子技术、控制技术、软件技术及通信技术的发展，推动着无线电设备从模拟向数字化转变，从以硬件实现为主转向软件实现，因此产生了新一代的无线电技术-软件无线电。“软件雷达”和“软件无线电台”等软件无线电设备的出现，使得基于软件无线电技术的舰船智能船桥系统成为可能。软件无线电设备不仅可与现有的各种助航、通信系统实现互通，还能在不同的助航、通信系统间充当“无线电网关”，使其能够互通互连。这样就解决了由于多种导、助航系统独自发展带来的相互之间难以兼容的困难，解决了岸上基础设施的标准不统一产生的船岸之间系统不兼容，信息难共享的难题。

其中的软件无线电是采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义实现无线电台的各部分功能：包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等。即整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由软件编程来完成。其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带的″数字/模拟″转换器，尽早地完成信号的数字化，从而使得无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现。

从总体上来讲，本发明的系统中，船桥上的设备可以分成四类类，第一类是双向语音通信设备，例如，卫通电话、高频对讲、AIS等；第二类是雷达；第三类是单向接收设备，例如，气象传真机、NaviTelex、GPS等；第四类是非天线类通导设备，例如罗经、计程仪等。在现有的舰船综合船桥系统中，上述通信导航设备均各自独立，通过设备的外部接口连接成相互通信的网络，而本发明用具有可编程性、可扩展性、可重构性和并行性的单一通用数字数据处理平台取代了各个独立设备的数据处理单元，通过将宽带″数字/模拟″转换器移到各类通导设备的中频波段，使随后的中频、基带直到控制协议部分全部由运行在单一硬件平台上的各类软件完成。

根据无线电数据处理软件运行于DSP或通用CPU的差别，本发明的系统具有如下两种实施方式：一是常规软件无线电方案，用运行于DSP的软件程序实现无线电通导设备的功能；二是虚拟无线电方案，用运行于工作站或个人计算机用户空间的应用软件实现所有的软件无线电功能。下面分别进行阐述：

实施例一：

该实施例采用常规软件无线电方案，如图1所示，该系统包括：天线组1，连接天线组1的射频转换组2，连接射频转换组2的高速数据处理板3，连接高速数据处理板3的微机(工作站)数据处理平台4和显控台502。天线组1用于收发通信类射频信号和导航类射频信号，射频转换组2将天线组1接收的射频信号转换成中频信号或将高速数据处理板3待发送的中频信号转换成射频信号，高速数据处理板3对射频转换组2转换后的中频信号进行处理，进行模拟/数字信号的转换后，由微机(工作站)数据处理平台4根据转换后的数字信号进行导航信息综合处理并显示驾驶人员需要的信息和人工操作指令，高速数据处理板(3)与微机数据处理平台(4)直接通过系统总线连接。

其中的显控台502是键盘、鼠标等，完成与微机或工作站处理平台的人机交互功能。

其中的天线组1又包括：无线通信设备天线101、S波雷达设备天线102、X波雷达设备天线103和其它无线设备天线。射频转换组2又包括：连接无线通信设备天线101的射频收发机201；连接S波雷达设备天线102的雷达收发机202；连接X波雷达设备天线103的雷达收发机203；连接其它无线设备天线的RF前端204。

其中的高速数据处理板3又包括两个带宽变换A/D/A模块301，其分别涵盖了窄带变换A/D/A302，用以完成模拟/数字信号转换和数字/模拟信号转换；集成于嵌入式操作系统3031中的软件无线电应用程序集303，其用以实现频段(如HF、VHF、UHF和SHF等)的选择，完成信息的抽样、量化、编码/解码、运算处理和变换，实现不同的信道调制方式及其选择(如调幅、调频、单边带、数据、跳频和扩频等)，实现不同的保密结构、网络协议和控制终端功能。

其中的微机(工作站)数据处理平台4又包括：通信接口406、航行数据采集模块403、船舶运行状态综合显示系统405、船舶智能航行系统404和通用操作系统软件401。软件无线电应用程序集303处理后的通信类信息经通信接口406发送给各类语音、图像、文字的处理终端503(如气象传真机、电话等)，软件无线电应用程序集303处理后的导航类信息(如GPS的船舶位置、AIS的周边船舶动态等)发送给航行数据采集模块403；机舱综合检测系统及其它导航设备501的导航类信息经通信接口406实时传送给航行数据采集模块403；数据采集模块403将其接收的导航类信息发送给船舶智能航行系统404，由船舶智能航行系统404对导航类信息进行综合处理、导航方式冗余和自动择优切换、航向自动控制、航迹自动跟踪、多目标自动避碰辅助决策以及车、舵集成与联合操控(由船舶智能航行系统404中的船舶运动控制模块4041执行)、电子海图显示与信息系统、航行态势综合监视和综合报警；船舶运行状态综合显示系统405通过单一的屏幕以及根据需要安装的分显示器，将驾驶人员需要的信息和人工操作指令显示出来。

上述系统中，两个带宽变换A/D/A模块301、软件无线电应用程序集303、通用操作系统软件401和通信接口406相互之间通过系统总线连接；显控台502、各类语音、图像、文字的处理终端503、机舱综合检测系统及其它导航设备501和通信接口406相互之间是通过外部总线连接。

机舱综合检测系统及其它导航设备501是显示器、打印机、耳麦等，取代原有的语音通信设备、气象传真机等设备和各类显示器；各类语音、图像、文字的处理终端503是代表一类通过平台通信接口交换数据的设备或系统，例如罗经、计程仪等非无线电导航设备以及机舱监控系统、货物装卸系统等需要与驾驶台进行信息交换的舰船上的其它子系统。

实施例二：

该实施例采用虚拟无线电方案，如图2所示，实施例一不同的是，高速数据处理板3仅包括两个带宽变换A/D/A模块301，而不包括集成于嵌入式操作系统3031中的软件无线电应用程序集303；微机(工作站)数据处理平台4还包括软件无线电应用程序集402；通用操作系统软件401内还包括通用总线接口4011，其余各部分均相同。

在实施例二中，两个带宽变换A/D/A模块301分别处理后的数字信号在通用操作系统软件401的控制下，直接通过通信接口406发送给软件无线电应用程序集402。软件无线电应用程序集402实现的功能与软件无线电应用程序集303相同，只是实现无线电功能的软件运行在通用CPU上，而不是DSP上。

本发明的有益效果如下：

5.代表了国际海运的发展方向。国际海事界从本世纪初开始研究航海技术发展现状，评测航运经济发展趋势，分析船舶助航存在的问题，并通过收集用户需求，提出了发展e-Navigation(简称e-Nav)。这是目前航海领域业务发展、用户需求、海洋环境保护以及标准化发展的需要。e-Nav的概念从2005年开始就已经进入航运界的讨论之中。“E-navigation”，即通过电子方式在船上和岸上收集、综合、显示海事信息，以增强船舶泊位到泊位的全程航行能力，增强船舶海上服务和保安能力。软件化的舰船综合船桥系统，能够快速推进智能船舶的发展进程，使E-navigation概念在船舶上的应用由抽象变得具体，形成了一种新的技术手段。

6.抢占了船舶通导领域新的战略高地。船舶向高技术含量、高附加值方向发展已成为共识。软件化的舰船综合船桥系统，利用其固有的技术优势，领导双高船舶的发展趋势。

7.填补了新造船市场上没有船用通导设备承包商的空白。一个大型造船企业，需要几百上千家企业为其提供配套服务产品。相对于其他船用机电设备，船舶通导产品种类较多，单价较低，在船厂的采购中往往采用打包的方式，由一个厂家独立完成。智能化的舰船虚拟船桥系统作为一套综合的通用设备，取代了种类较多的单个船舶通导产品，可以适应民用新造船市场的商务运作方式，打破了国际跨国公司对船用通导设备的市场垄断，填补新造船市场上没有船用通导设备集成商的空白。

8.本发明的系统通过系统总线的方式代替现有舰船综合船桥系统中的外部网络连接方式，使得系统执行效率更高。

Claims (9)

1.一种基于软件无线电的舰船智能船桥系统，其特征在于包括：天线组(1)，连接天线组(1)的射频转换组(2)，连接射频转换组(2)的高速数据处理板(3)，连接高速数据处理板(3)的微机数据处理平台(4)和显控台(502)；

天线组(1)用于收发通信类射频信号和导航类射频信号，射频转换组(2)将天线组(1)接收的射频信号转换成中频信号或将高速数据处理板(3)待发送的中频信号转换成射频信号，高速数据处理板(3)对射频转换组(2)转换后的中频信号进行处理，进行模拟/数字信号的转换后，由微机数据处理平台(4)根据转换后的数字信号进行导航信息综合处理并显示驾驶人员需要的信息和人工操作指令，高速数据处理板(3)与微机数据处理平台(4)直接通过系统总线连接。

2.根据权利要求1的系统，其特征在于高速数据处理板(3)又包括：

两个带宽变换A/D/A模块(301)，用以完成模拟/数字信号转换和数字/模拟信号转换；

集成于嵌入式操作系统(3031)中的软件无线电应用程序集(303)，其用以实现频段的选择，完成信息的抽样、量化、编码/解码、运算处理和变换，实现不同的信道调制方式及其选择，实现不同的保密结构、网络协议和控制终端功能。

3.根据权利要求2的系统，其特征在于微机数据处理平台(4)又包括通信接口(406)、航行数据采集模块(403)、船舶运行状态综合显示系统(405)、船舶智能航行系统(404)和通用操作系统软件(401)；

软件无线电应用程序集(303)处理后的通信类信息经通信接口(406)发送给各类语音、图像、文字的处理终端(503)，软件无线电应用程序集(303)处理后的导航类信息发送给航行数据采集模块(403)；机舱综合检测系统及其它导航设备(501)的导航类信息经通信接口(406)实时传送给航行数据采集模块(403)；数据采集模块(403)将其接收的导航类信息发送给船舶智能航行系统(404)，由船舶智能航行系统(404)对导航类信息进行综合处理、导航方式冗余和自动择优切换、航向自动控制、航迹自动跟踪、多目标自动避碰辅助决策以及车、舵集成与联合操控、电子海图显示与信息系统、航行态势综合监视和综合报警；船舶运行状态综合显示系统(405)通过单一的屏幕以及根据需要安装的分显示器，将驾驶人员需要的信息和人工操作指令显示出来。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于两个带宽变换A/D/A模块(301)、软件无线电应用程序集(303)、通用操作系统软件(401)和通信接口(406)相互之间通过系统总线连接；显控台(502)、各类语音、图像、文字的处理终端(503)、机舱综合检测系统及其它导航设备(501)和通信接口(406)相互之间是通过外部总线连接。

5.根据权利要求4所述的，其特征在于天线组(1)又包括：无线通信设备天线(101)、S波雷达设备天线(102)、X波雷达设备天线(103)和其它无线设备天线；射频转换组(2)又包括：连接无线通信设备天线(101)的射频收发机(201)；连接S波雷达设备天线(102)的雷达收发机(202)；连接X波雷达设备天线(103)的雷达收发机(203)；连接其它无线设备天线的RF前端(204)。

6.根据权利要求1的系统，其特征在于高速数据处理板(3)又包括：

两个带宽变换A/D/A模块(301)，用以完成模拟/数字信号转换和数字/模拟信号转换。

7.根据权利要求6的系统，其特征在于微机数据处理平台(4)又包括通信接口(406)、航行数据采集模块(403)、船舶运行状态综合显示系统(405)、船舶智能航行系统(404)、通用操作系统软件(401)和软件无线电应用程序集(402)；

两个带宽变换A/D/A模块(301)分别处理后的数字信号在通用操作系统软件(401)的控制下，直接通过通信接口(406)发送给软件无线电应用程序集(402)，软件无线电应用程序集(402)处理后的通信类信息经通信接口(406)发送给各类语音、图像、文字的处理终端(503)，软件无线电应用程序集(402)处理后的导航类信息发送给航行数据采集模块(403)；机舱综合检测系统及其它导航设备(501)的导航类信息经通信接口(406)实时传送给航行数据采集模块(403)；数据采集模块(403)将其接收的导航类信息发送给船舶智能航行系统(404)，由船舶智能航行系统(404)对导航类信息进行综合处理、导航方式冗余和自动择优切换、航向自动控制、航迹自动跟踪、多目标自动避碰辅助决策以及车、舵集成与联合操控、电子海图显示与信息系统、航行态势综合监视和综合报警；船舶运行状态综合显示系统(405)通过单一的屏幕以及根据需要安装的分显示器，将驾驶人员需要的信息和人工操作指令显示出来。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于两个带宽变换A/D/A模块(301)、通用操作系统软件(401)和通信接口(406)相互之间通过系统总线连接；显控台(502)、各类语音、图像、文字的处理终端(503)、机舱综合检测系统及其它导航设备(501)和通信接口(406)相互之间是通过外部总线连接。

9.根据权利要求8所述的，其特征在于天线组(1)又包括：无线通信设备天线(101)、S波雷达设备天线(102)、X波雷达设备天线(103)和其它无线设备天线；射频转换组(2)又包括：连接无线通信设备天线(101)的射频收发机(201)；连接S波雷达设备天线(102)的雷达收发机(202)；连接X波雷达设备天线(103)的雷达收发机(203)；连接其它无线设备天线的RF前端(204)。

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