监视系统卫星通信论文

1系统整体框架

1.1舰队终端舰队终端主要包含3部分功能:接收来自RS232接口的信息，通过信息传输模块传输数据和图像信息，包含GIS终端访问GIS系统。经过多年的研究和开发，海上图像采集系统［3］已经逐渐成熟，并被如UTM这样的机构广泛使用。类似于海上图像采集系统、雷达等这样的装置，能够提供船舶和舰队的位置、航向、航迹等多种信息，并通过相应的协议，如RS232，传输给部署于船舶之上的系统终端。通常情况下，这类信息分为2种:一种是较为简单的数据信息，如航速、经纬度等;另一种是较为复杂的图像信息，如船用摄像机拍摄的图像等。对于数据信息来说，使用UDP协议传输较为合适，该协议使用较为简单，可以降低舰队终端的实现复杂性，同时由于其无连接的特性，能够更好的适应舰队的移动特性。而对于图像来说，其发送和接收分别采用wget［6］和rsync［7］应用接口，这2种接口被广泛应用于传输船舶摄像机采集图像的传输，相比与其他传输模式和接口，其更加适合于图像更新等任务。GIS终端具有较大的灵活性，当前的GIS应用有多种形式，因而GIS终端可以使用专用的系统应用，采用加密信道访问专门的GIS系统;也可以使用通用的个人计算机，通过访问Web端的地理信息系统查看舰队信息;甚至可以使用智能手机配合相应的APP，实现对于GIS系统的访问。则可以看出，本文提出的系统与传统的专用系统相比，采用外部、成熟的GIS系统，大大降低了实现的难度以及使用的成本。

1.2卫星通信网实现舰队终端与卫星通信网的互联，主要采用甚小口径天线地球站(VSAT)实现，通过VSAT能够将舰队终端接入SEAMOBIL和HISDESAT卫星通信网络，这2种卫星通信网在海事、通信等领域，均已得到广泛的应用，具有大量的地面卫星站，并覆盖了除两极之外绝大多数的地球表面，如图2所示。VSAT通信采用C波段或X波段，相比与国际海事卫星(INMARSAT)终端，VSAT能够提供更好的数据传输容量。同时INMARSAT采用舰队船舶共享连接的方式，为每艘船舶提供的带宽有限，而VSAT则采用的是专用信道，能够提供给船舶和舰队更加稳定的传输信道和更高的传输质量。另外，与INMARSAT相比，VSAT具有更低的获取成本和使用成本，因而使用VSAT具有更好的经济性。通过以上介绍的卫星通信网，使得舰队终端和岸基服务器之间能够建立持久稳定的网络连接，从而可以提供实时的、高信息刷新速率的数据服务。

1.3岸基服务器岸基服务器是整个系统的核心，由图1显示的岸基服务器与舰队终端之间的交互过程，可以看出整个系统是一个中心化的结构。岸基服务器共有3个主要功能:接收卫星通信网传输的数据和图像信息;根据接收到的信息融合并计算生成KML文件;通过HTTP协议栈［8］将KML传输给相应的GIS服务器。根据第1.1节的叙述，岸基服务器具有2种不同的数据接收接口，其中UDP协议栈负责接收舰队终端传输的数据信息，而“rsync”应用接口负责接收传输的图像信息。这2种接口与舰队终端接口类似，均可使用软件实现，并已得到广泛应用。岸基服务器中的KML文件产生模块是岸基服务器的关键功能，其能够根据实现定义的KML文件格式，和各种信息的内容，将信息嵌入KML文件模板中，产生正确可用的KML文件，进而通过HTTP协议，将其传输给绑定的GIS服务器。

2KML文件的格式与生成

KML文件时当前GIS系统广泛使用的地标文件，由于KML由XML发展而来，因而KML文件的格式和定义方法集成了XML的特点。

2.1KML文件的格式与一般基于XML的语言类似，其广泛采用标记定义各种数据块。其主要含有以下几个部分:位置数据、模型数据、航迹数据、图像数据和字节数据。各个部分的格式如下所示。通过以上的KML文件格式，可将不同类型的信息嵌入其中形成KML文件。

2.2KML文件的生成KML文件生成的过程，就是根据KML文件格式，不断分析与填充相应数据的过程［9］。KML文件生成的流程图如图3所示。KML文件的生成过程应遵循以下步骤:首先，KML文件产生模块需要根据信息来源判断和识别船舶的信息;然后根据导航信息生成基本的数据，之后再根据信息中包含的媒体信息和其他信息［10］，对KML文件进行完善;最后形成完整的KML文件，并使用HTTP协议进行传输。

3系统实现与仿真

最后，本文在OPNET中构建模拟的卫星通信网，并仿真实现了舰队终端和岸基服务器，模拟了舰队终端与岸基服务器之间的交互过程，并利用GoogleEarth证明了生成KML文件的正确性。在OPNET中的实验拓扑图如图4所示。

3.1系统功能实现通过舰队终端产生的信息，仿真宽带卫星通信网络，UDP流量约为25～36kb/s，持续时间约为20s，丢包率小于1%。而传输图像数据的速率约为80～120kb/s，持续时间约为15s。根据以上仿真可知，本系统中采用的通信接口和链路，其带宽能够满足系统信息的传递以及更新需求。按照第2.2节中方法，生成KML文件，并在GoogleEarth中导入，生成的实时监视状态图，如图5所示。通过图5可看到，KML文件可以在通用的GIS系统中得到显示和应用，不仅包含了船舶的位置、航向等，还能够根据需求显示详细的航迹信息及其他信息。

3.2负载测试在系统的实际使用过程中，由于本系统结构采用中心化的结构，因而岸基服务器将承担较大的负载。本文将利用图4所示拓扑，继续对岸基服务器的工作负载进行测试，主要测试内容是KML文件产生时，对服务器资源的占用。在仿真中，采用通用X86计算机模拟服务器，采用Corei3双核处理器，4G内存，运行Win7(64bit)操作系统，采用软件实现KML产生模块，设计各个舰队终端的信息到达服从泊松分布，在第3.1节中研究的信息通信负载下进行测试，最终得到CPU的占用率如图6所示。通过以上测试结果可知，在实际使用过程中，当带宽满足系统传输要求时，CPU的占用率约为16%～22%，证明岸基服务器能够满足本系统用户的实际需求。

4结语

图形化的舰队实时监视系统，是近年来出现的船舶及舰队用助航设备，凭借其自动化和图形化的特点，迅速得到了广泛的应用。然而由于设计的缺陷和技术的制约，当前使用的船舶及舰队状态监视系统，仍有许多不足，无法完全满足用户的需求。本文针对以上问题，提出了一种基于卫星通信与GIS的舰队实时监视系统，对该系统的整体框架进行了设计，并对各个主要模块进行了功能描述，设计了KML文件的格式与生成算法。最终对系统功能进行了实现和仿真，在通用的GIS平台上验证了本文提出方法的正确性和可用性，并在OPNET仿真平台上，测试了系统核心模块的工作负载，证明了本系统的高效性和可靠性。

作者：王郑睿单位：河南水利与环境职业学院