CN104035106B - 一种基于北斗导航通信的海上救援系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于北斗导航通信的海上救援系统及方法，主要由海上用户终端、海洋浮标、地面信息处理中心、救灾调度中心、以及救灾船队和/或飞机组成；其能够在海上用户终端遇到灾情时候，北斗导航和通信模块把灾情信息和定位结果发到地面信息处理中心，同时，海上布设的海洋浮标采集气象和水文等信息，该信息也经北斗导航和通信模块发给地面信息处理中心，地面信息处理中对收到的信息进行处理后，发给救灾调度中心，由调度中心指挥相应的救灾船队和飞机前去海洋救灾。本发明实现简单，救灾效率高，而且硬件成本较低。

Description

一种基于北斗导航通信的海上救援系统及方法

技术领域

本发明涉及卫星导航领域，具体涉及一种基于北斗导航通信的海上救援系统及方法。

背景技术

北斗卫星导航系统作为我国自主研发、独立运行的卫星导航系统，2012年北斗卫星导航系统已经有16颗卫星，正式形成了亚太地区区域覆盖的能力。北斗将导航与通信的紧密结合优于其他导航系统，可以在定位的同时发送短报文信息。海上是自然灾害最为频繁的地方，而且灾害种类多、分布范围广、发生频率高、灾害损失重，各种海洋灾害长期严重威胁着区域经济发展和人民群众的生命财产安全。而且，在海上一旦出现灾害，一般很多系统的通讯方式、电力和水资源都会中断了，因此当局无法联系到灾区的居民，使得救援难度加大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于北斗导航通信的海上救援系统及方法，其具有实现方法实现简单，救灾效率高，且硬件成本较低的特点。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于北斗导航通信的海上救援系统，其主要由海上用户终端、海洋浮标、地面信息处理中心、救灾调度中心、以及救灾船队和/或飞机组成；

海上用户终端包括用户北斗定位模块、用户北斗通信模块、用户数据处理模块、灾情信息采集模块和用户电子海图模块；用户北斗定位模块的输入端经天线连接北斗导航卫星，用户北斗定位模块的输出端、用户电子海图的输出端与灾情信息采集模块的输出端连接用户数据处理模块的输入端，用户数据处理模块的输出端连接用户北斗通信模块的输入端，用户北斗通信模块的输出端经天线与北斗通信卫星相连；

海洋浮标布设在受监管的一定海域范围，包括浮标北斗定位模块、浮标北斗通信模块、浮标数据处理模块、气象传感器和水文传感器；浮标北斗定位模块的输入端经天线连接北斗导航卫星，浮标北斗定位模块的输出端、气象传感器的输出端和水文传感器的输出端连接浮标数据处理模块的输入端，浮标数据处理模块的输出端连接浮标北斗通信模块的输入端，浮标北斗通信模块的输出端经天线与北斗通信卫星相连；

地面信息处理中心包括中心北斗通信模块、中心数据处理模块和中心电子海图模块；中心北斗通信模块的输入端经天线连接北斗通信卫星；中心北斗通信模块的输出端和中心电子海图模块的输出端连接中心数据处理模块的输入端，中心数据处理模块经专有网络与救灾调度中心相连；

救灾调度中心包括调度数据处理模块、调度电子海图模块和路径分析模块；调度数据处理模块的输入端同时连接地面信息处理中心的输出端和调度电子海图模块；调度数据处理模块的输出端过集群通信网络与救灾船队和/或飞机相连；

救灾船队和/或飞机上配备北斗定位模块和集群通信模块；北斗定位模块与北斗导航卫星相连；集群通信模块与救灾调度中心相连。

上述海上救援系统还进一步包括灾备中心，该灾备中心经移动通信网络与救灾调度中心相连。

北斗定位模块、用户北斗通信模块、浮标北斗定位模块、浮标北斗通信模块和中心北斗通信模块的结构相同，即均包括电源、以及与电源相连的天线、低噪声放大器、射频模块和基带信号处理模块；天线经低噪声放大器与射频模块相连，射频模块连接基带信号处理模块。

基于上述海上救援系统的一种基于北斗导航通信的海上救援方法，包括如下步骤：

海上用户终端：在正常情况下，用户北斗定位模块接收北斗导航卫星发来的信号，并结合电子海图，完成用户的实时定位和导航；当有灾情发生时，用户数据处理模块接收用户北斗定位模块的定位信息和灾情信息采集模块采集的灾情信息，通过数据预处理和编码后发给用户北斗通信模块，用户北斗通信模块经过信息编码、信号调制和上变频上，由天线发射出去，信号经北斗通信卫星转发给地面信息处理中心；

海洋浮标：浮标北斗定位模块接收北斗导航卫星发来的信号，并完成浮标的实时定位；气象传感器测量风速、风向、气压、气温和湿度信息，水文传感器测量波浪、海流、潮位、海温和盐度信息，气象传感器和水文传感器测量的信息都发送到浮标数据处理模块，由浮标数据处理模块对数据进行处理和编码，编码后的数据发给浮标北斗通信模块；浮标北斗通信模块经过信息编码、信号调制、上变频上，由天线发射出去，信号经北斗通信卫星转发给地面信息处理中心；

地面信息处理中心：中心北斗通信模块接收海上用户终端发来的定位数据和灾情信息，以及海洋浮标采集的数据；中心数据处理模块把海洋浮标的位置、气象和水文信息采用云计算和大数据处理方式进行数据处理，先获得灾情信息、海上用户终端的位置及周围的海洋环境信息，再把海洋浮标位置和海上用户终端的位置匹配到电子海图上，以确定搜救方，后将处理结果通过专有网络发到救灾调度中心；

救灾调度中心：调度数据处理模块通过有线专有网络接收地面信息处理中心的用户信息和指令，通过路径分析和电子海图匹配，寻找距离受灾用户最近的救灾船队和飞机，并通过集群通信发给救灾船队和/或飞机；

救灾船队和/或飞机：在救灾调度中心的指挥下，前往受灾用户所在位置进行援救。

上述海上救援方法还进一步包括救灾调度中心把信息通过移动通信网传给灾备中心的步骤。

用户北斗定位模块或浮标北斗定位模块：从天线接收被动导航卫星发射的导航信号，到完成定位解算，要经过射频模块完成信号下变频、A/D转换为中频数字信号，基带处理模块完成信号的同步及导航信息的电文解码、伪距提取、位置、速度和时间解算处理，最后再将定位信息输出给用户数据处理模块或浮标数据处理模块；

用户北斗通信模块、浮标北斗通信模块或中心北斗通信模块：将用户数据处理模块、浮标用户数据处理模块或中心用户数据处理模块输出的信息进行编码、调制后的数字信号经D/A转换为中频模拟信号，中频信号经上变频模块变到射频信号，射频信号经低噪声放大器放大后由天线发射出去。

本发明能够在海上用户终端遇到灾情时候，北斗导航和通信模块把灾情信息和定位结果发到地面信息处理中心，同时，海上布设的海洋浮标采集气象和水文等信息，该信息也经北斗导航和通信模块发给地面信息处理中心，地面信息处理中对收到的信息进行处理后，发给救灾调度中心，由调度中心指挥相应的救灾船队和飞机前去海洋救灾。本系统实现方法实现简单，救灾效率高，而且硬件成本较低。

附图说明

图1为一种基于北斗导航通信的海上救援系统总体架构图。

图2为海上用户终端组成结构框图。

图3为海洋浮标组成结构框图。

图4为地面信息处理中心组成结构框图。

图5为救灾调度中心组成结构框图。

图6为浮标北斗通信模块和中心北斗通信模块原理框图。

具体实施方式

一种基于北斗导航通信的海上救援系统，如图1所示，其主要由海上用户终端(如渔船、客船和货船等)、海洋浮标、地面信息处理中心、救灾调度中心、以及救灾船队和/或飞机组成一个全天候、全范围的应急救援服务和指挥调度管理系统。海上用户终端配备有北斗定位和通信模块，没有灾情时，用户用北斗定位模块和电子海图进行定位和导航，当有灾情发生时，用户把用户的位置和灾情信息通过数据处理后，由北斗通信模块传送给地面信息处理中心；海洋浮标配备有北斗定位模块、北斗通信模块、气温和水文等传感器，数据处理模块采集浮标的定位、气象、水文等信息，并通过北斗通信模块定时发送给地面信息处理中心；地面信息处理中心接收海上用户和浮标发来的信息，进行处理后把信息发给救灾调度中心，并同时上报给国家级或地方级的灾备中心；救灾调度中心根据地面信息处理中心发来的灾情信息，分析救灾船队和救灾飞机的状态，并调度合适的救灾船队/救灾飞机前去海上救援。

海上用户终端，如图2所示，包括用户北斗定位模块、用户北斗通信模块、用户数据处理模块、灾情信息采集模块和用户电子海图模块；用户北斗定位模块的输入端经天线连接北斗导航卫星，用户北斗定位模块的输出端、用户电子海图的输出端与灾情信息采集模块的输出端连接用户数据处理模块的输入端，用户数据处理模块的输出端连接用户北斗通信模块的输入端，用户北斗通信模块的输出端经天线与北斗通信卫星相连。

海洋浮标布设在受监管的一定海域范围，如图3所示，包括浮标北斗定位模块、浮标北斗通信模块、浮标数据处理模块、气象传感器和水文传感器；浮标北斗定位模块的输入端经天线连接北斗导航卫星，浮标北斗定位模块的输出端、气象传感器的输出端和水文传感器的输出端连接浮标数据处理模块的输入端，浮标数据处理模块的输出端连接浮标北斗通信模块的输入端，浮标北斗通信模块的输出端经天线与北斗通信卫星相连。

地面信息处理中心，如图4所示，包括中心北斗通信模块、中心数据处理模块和中心电子海图模块；中心北斗通信模块的输入端经天线连接北斗通信卫星；中心北斗通信模块的输出端和中心电子海图模块的输出端连接中心数据处理模块的输入端，中心数据处理模块经专有网络与救灾调度中心相连。

救灾调度中心，如图5所示，包括调度数据处理模块、调度电子海图模块和路径分析模块；调度数据处理模块的输入端同时连接地面信息处理中心的输出端和调度电子海图模块；调度数据处理模块的输出端过集群通信网络(如GPRS)与救灾船队和/或飞机相连，并通过移动通信网络与灾备中心相连。

救灾船队和/或飞机上配备北斗定位模块和集群通信模块(如GPRS模块)；北斗定位模块与北斗导航卫星相连；集群通信模块与救灾调度中心相连。

上述北斗定位模块、用户北斗通信模块、浮标北斗定位模块、浮标北斗通信模块和中心北斗通信模块的结构相同，如图6所示，即均包括电源、以及与电源相连的天线、低噪声放大器、射频模块和基带信号处理模块；天线经低噪声放大器与射频模块相连，射频模块连接基带信号处理模块。在工作中，北斗定位模块从天线接收GNSS卫星发射的导航信号，到完成定位解算，要经过射频模块完成信号下变频、A/D转换为中频数字信号，基带处理模块完成信号的同步及导航信息的电文解码、伪距提取、PVT计算等处理，最后再将定位信息串口输出给船只或浮标控制系统。同时，船只或浮标的数据或指令由串口输入到终端的基带信号处理模块，通过编码、调制后的数字信号经D/A转换为中频模拟信号，中频信号经上变频模块变到射频信号，射频信号经功率放大器放大后由天线发射出去。

在本系统中受灾用户采用的定位和通信设备为海上北斗定位和通信模块，因为本终端将用在船只和海洋浮标上，其摇摆的角度较大(摇摆角<±35°)，这对终端天线波束将有很高的要求，采用天线的波束赋形技术，使之根据卫星的分布合理分配天线增益，在船只或浮标运动摇摆状态下，确保接收信号强度变化不大，克服“远近效应”；采用展宽天线阻抗带宽、方向图带宽、极化带宽的理论和技术，以实现天线的小型化和宽频带；天线采用耐腐蚀和耐压材料，以满足海上复杂环境下的要求。

基于上述海上救援系统的一种基于北斗导航通信的海上救援方法，包括如下步骤：

海上用户终端：在正常情况下，用户北斗定位模块接收北斗导航卫星发来的信号，并结合电子海图，完成用户的实时定位和导航。当有灾情发生时，用户数据处理模块接收用户北斗定位模块的定位信息和灾情信息采集模块采集的灾情信息，通过数据预处理和编码后发给用户北斗通信模块，用户北斗通信模块经过信息编码、信号调制和上变频上，由天线发射出去，信号经北斗通信卫星转发给地面信息处理中心。

海洋浮标：浮标北斗定位模块接收北斗导航卫星发来的信号，并完成浮标的实时定位。气象传感器测量风速、风向、气压、气温和湿度信息，水文传感器测量波浪、海流、潮位、海温和盐度信息，气象传感器和水文传感器测量的信息都发送到浮标数据处理模块，由浮标数据处理模块对数据进行处理和编码，编码后的数据发给浮标北斗通信模块。浮标北斗通信模块经过信息编码、信号调制、上变频上，由天线发射出去，信号经北斗通信卫星转发给地面信息处理中心。

地面信息处理中心：中心北斗通信模块接收海上用户终端发来的定位数据和灾情信息，以及海洋浮标采集的数据。中心数据处理模块把海洋浮标的位置、气象和水文信息采用云计算和大数据处理方式进行数据处理，先获得灾情信息、海上用户终端的位置及周围的海洋环境信息，再把海洋浮标位置和海上用户终端的位置匹配到电子海图上，以确定搜救方，后将处理结果通过专有网络发到救灾调度中心。

救灾调度中心：调度数据处理模块通过有线专有网络接收地面信息处理中心的用户信息和指令，通过路径分析和电子海图匹配，寻找距离受灾用户最近的救灾船队和飞机，并通过集群通信发给救灾船队和/或飞机。以及把信息通过移动通信网传给灾备中心。

救灾船队和/或飞机：在救灾调度中心的指挥下，前往受灾用户所在位置进行援救。

上述用户北斗定位模块或浮标北斗定位模块：从天线接收被动导航卫星发射的导航信号，到完成定位解算，要经过射频模块完成信号下变频、A/D转换为中频数字信号，基带处理模块完成信号的同步及导航信息的电文解码、伪距提取、位置、速度和时间解算处理，最后再将定位信息输出给用户数据处理模块或浮标数据处理模块。

上述用户北斗通信模块、浮标北斗通信模块或中心北斗通信模块：将用户数据处理模块、浮标用户数据处理模块或中心用户数据处理模块输出的信息进行编码、调制后的数字信号经D/A转换为中频模拟信号，中频信号经上变频模块变到射频信号，射频信号经低噪声放大器放大后由天线发射出去。

本系统针对海上船只进行全区域、全天候环境下救灾，遇险救生系统能实现全海域覆盖、立体监控，有效应对突发遇险事件，保障用户在海上作业时，在“无电力、无准备、无依托”恶劣条件下的应急通信和应急救援。

Claims (6)

1.一种基于北斗导航通信的海上救援系统，其特征在于：主要由海上用户终端、海洋浮标、地面信息处理中心、救灾调度中心、以及救灾船队和/或飞机组成；

海上用户终端包括用户北斗定位模块、用户北斗通信模块、用户数据处理模块、灾情信息采集模块和用户电子海图模块；用户北斗定位模块的输入端经天线连接北斗导航卫星，用户北斗定位模块的输出端、用户电子海图模块的输出端与灾情信息采集模块的输出端连接用户数据处理模块的输入端，用户数据处理模块的输出端连接用户北斗通信模块的输入端，用户北斗通信模块的输出端经天线与北斗通信卫星相连；

海洋浮标布设在受监管的一定海域范围，包括浮标北斗定位模块、浮标北斗通信模块、浮标数据处理模块、气象传感器和水文传感器；浮标北斗定位模块的输入端经天线连接北斗导航卫星，浮标北斗定位模块的输出端、气象传感器的输出端和水文传感器的输出端连接浮标数据处理模块的输入端，浮标数据处理模块的输出端连接浮标北斗通信模块的输入端，浮标北斗通信模块的输出端经天线与北斗通信卫星相连；

地面信息处理中心包括中心北斗通信模块、中心数据处理模块和中心电子海图模块；中心北斗通信模块的输入端经天线连接北斗通信卫星；中心北斗通信模块的输出端和中心电子海图模块的输出端连接中心数据处理模块的输入端，中心数据处理模块经专有网络与救灾调度中心相连；

救灾调度中心包括调度数据处理模块、调度电子海图模块和路径分析模块；调度数据处理模块的输入端同时连接地面信息处理中心的输出端和调度电子海图模块；调度数据处理模块的输出端过集群通信网络与救灾船队和/或飞机相连；

救灾船队和/或飞机上配备北斗定位模块和集群通信模块；北斗定位模块连接北斗导航卫星；集群通信模块与救灾调度中心相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于北斗导航通信的海上救援系统，其特征在于：还进一步包括灾备中心，该灾备中心经移动通信网络与救灾调度中心相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于北斗导航通信的海上救援系统，其特征在于：用户北斗定位模块、用户北斗通信模块、浮标北斗定位模块、浮标北斗通信模块和中心北斗通信模块的结构相同，即均包括电源、以及与电源相连的天线、低噪声放大器、射频模块和基带信号处理模块；天线经低噪声放大器与射频模块相连，射频模块连接基带信号处理模块。

4.基于权利要求1的海上救援系统而实现的一种基于北斗导航通信的海上救援方法，其特征是，包括如下步骤：

海上用户终端：在正常情况下，用户北斗定位模块接收北斗导航卫星发来的信号，并结合电子海图，完成用户的实时定位和导航；当有灾情发生时，用户数据处理模块接收用户北斗定位模块的定位信息和灾情信息采集模块采集的灾情信息，通过数据预处理和编码后发给用户北斗通信模块，用户北斗通信模块经过信息编码、信号调制和上变频，由天线发射出去，信号经北斗通信卫星转发给地面信息处理中心；

海洋浮标：浮标北斗定位模块接收北斗导航卫星发来的信号，并完成浮标的实时定位；气象传感器测量风速、风向、气压、气温和湿度信息，水文传感器测量波浪、海流、潮位、海温和盐度信息，气象传感器和水文传感器测量的信息都发送到浮标数据处理模块，由浮标数据处理模块对数据进行处理和编码，编码后的数据发给浮标北斗通信模块；浮标北斗通信模块经过信息编码、信号调制、上变频，由天线发射出去，信号经北斗通信卫星转发给地面信息处理中心；

地面信息处理中心：中心北斗通信模块接收海上用户终端发来的定位数据和灾情信息，以及海洋浮标采集的数据；中心数据处理模块把海洋浮标的位置、气象和水文信息采用云计算和大数据处理方式进行数据处理，先获得灾情信息、海上用户终端的位置及周围的海洋环境信息，再把海洋浮标位置和海上用户终端的位置匹配到电子海图上，以确定搜救方，后将处理结果通过专有网络发到救灾调度中心；

救灾调度中心：调度数据处理模块通过有线专有网络接收地面信息处理中心的用户信息和指令，通过路径分析和电子海图匹配，寻找距离受灾用户最近的救灾船队和/或飞机，并通过集群通信发给救灾船队和/或飞机；

救灾船队和/或飞机：在救灾调度中心的指挥下，前往受灾用户所在位置进行援救。

5.根据权利要求4所述的一种基于北斗导航通信的海上救援方法，其特征在于：还进一步包括救灾调度中心把信息通过移动通信网传给灾备中心的步骤。

6.根据权利要求4或5所述的一种基于北斗导航通信的海上救援方法，其特征在于：

用户北斗定位模块或浮标北斗定位模块：从天线接收北斗导航卫星发射的导航信号，到完成定位解算，要经过射频模块完成信号下变频、A/D转换为中频数字信号，基带处理模块完成信号的同步及导航信息的电文解码、伪距提取、位置、速度和时间解算处理，最后再将定位信息输出给用户数据处理模块或浮标数据处理模块；

用户北斗通信模块、浮标北斗通信模块或中心北斗通信模块：将用户数据处理模块、浮标数据处理模块或中心数据处理模块输出的信息进行编码、调制后的数字信号经D/A转换为中频模拟信号，中频信号经上变频模块变到射频信号，射频信号经低噪声放大器放大后由天线发射出去。