本發(fā)明涉及計算機(jī)通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于北斗的船舶水文氣象數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
隨著北斗衛(wèi)星定位(通過rnss，radionavigationsatelliteservice，即無線電導(dǎo)航衛(wèi)星服務(wù))和短報文通訊(通過rdss，radiodeterminationsatelliteservice，即無線電測定衛(wèi)星服務(wù))的日益成熟，越來越多的水文氣象觀測站采用北斗衛(wèi)星通訊實(shí)現(xiàn)水文氣象數(shù)據(jù)傳輸，特別是那些無法通過傳統(tǒng)通信方式(有線、gprs和vhf/uhf等)實(shí)現(xiàn)通信的地區(qū)，比如偏遠(yuǎn)山區(qū)、海島、石油平臺和遠(yuǎn)洋船只等。北斗rdss通訊為解決這些地區(qū)的水文氣象數(shù)據(jù)實(shí)時回傳提供了解決方法，使得水文氣象數(shù)據(jù)的傳輸能夠不受時間和地域的限制。
現(xiàn)有的基于北斗通訊的水文氣象觀測設(shè)備均采用固定間隔采集和傳輸?shù)姆椒?該數(shù)據(jù)傳輸間隔大于北斗衛(wèi)星短報文最小通訊間隔)。這種傳輸方法在固定的時間點(diǎn)內(nèi)向水文氣象中心發(fā)送該觀測設(shè)備的水文氣象數(shù)據(jù)。但是，如果發(fā)送時間間隔短，則觀測設(shè)備能耗高，并占用較大的北斗通信信道；如果發(fā)送間隔長，則可能無法準(zhǔn)確反映出該觀測點(diǎn)的水文氣象變化。另外，由于地理位置限制或海洋洋流可能導(dǎo)致觀測設(shè)備的位置發(fā)生變化，使得觀測設(shè)備在地理上的分布并不均勻，即使這樣，所有設(shè)備還是按照相同的頻率發(fā)送水文氣象數(shù)據(jù)。總之，現(xiàn)有基于北斗通訊的觀測設(shè)備既不能根據(jù)水文氣象變化情況、也不能根據(jù)觀測點(diǎn)的疏密調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸頻度。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種基于北斗的船舶水文氣象數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)及方法能根據(jù)水文氣象變化情況和觀測點(diǎn)位置信息動態(tài)，自適應(yīng)調(diào)整北斗報文數(shù)據(jù)發(fā)送頻度，解決現(xiàn)有技術(shù)因無法自適應(yīng)調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送間隔而導(dǎo)致能耗高、采集精度低、采集數(shù)據(jù)受控性和實(shí)時性差的技術(shù)問題。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開的一種基于北斗的船舶水文氣象數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)，其特征在于：它包括水文氣象中心和多個水文氣象觀測點(diǎn)，其中，每個水文氣象觀測點(diǎn)設(shè)置在一艘對應(yīng)的船舶上，水文氣象中心包括計算控制服務(wù)器、第一rdss通訊模塊和數(shù)據(jù)服務(wù)器，每個水文氣象觀測點(diǎn)均包括rnss定位模塊、第二rdss通訊模塊、計算模塊、控制模塊、水文氣象多要素采集模塊和船舶狀態(tài)信息采集模塊；
所述計算控制服務(wù)器的數(shù)據(jù)服務(wù)器通信端連接數(shù)據(jù)服務(wù)器的通信端，計算控制服務(wù)器的rdss接線端連接第一rdss通訊模塊的服務(wù)器接線端；
每個水文氣象觀測點(diǎn)中計算模塊的rdss接線端連接第二rdss通訊模塊的計算模塊接線端，計算模塊的rnss接線端連接rnss定位模塊的通信端，水文氣象多要素采集模塊的通信端連接控制模塊的水文氣象數(shù)據(jù)獲取及水文氣象采集間隔控制接口，船舶狀態(tài)信息采集模塊的通信端連接控制模塊的船舶狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取及船舶狀態(tài)采集間隔控制接口，控制模塊的水文氣象數(shù)據(jù)及船舶航行數(shù)據(jù)輸出端連接計算模塊的水文氣象數(shù)據(jù)及船舶航行數(shù)據(jù)輸入端；計算模塊的北斗報文發(fā)送間隔輸出端連接控制模塊的北斗報文發(fā)送間隔輸入端；
所述第一rdss通訊模塊通過北斗衛(wèi)星與每個水文氣象觀測點(diǎn)的第二rdss通訊模塊無線通信。
一種利用上述系統(tǒng)的船舶水文氣象數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于，它包括如下步驟：
步驟1：每個水文氣象觀測點(diǎn)中，水文氣象多要素采集模塊實(shí)時采集海洋被測區(qū)域的水文信息和氣象信息，船舶狀態(tài)信息采集模塊實(shí)時采集被測船舶航行數(shù)據(jù)；rnss定位模塊對相應(yīng)水文氣象觀測點(diǎn)進(jìn)行全球衛(wèi)星定位，并將相應(yīng)水文氣象觀測點(diǎn)的全球衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)傳輸給計算模塊；
步驟2：每個水文氣象觀測點(diǎn)中，控制模塊采集海洋被測區(qū)域的水文信息和氣象信息以及被測船舶航行數(shù)據(jù)，并將采集到的海洋被測區(qū)域的水文信息和氣象信息以及被測船舶航行數(shù)據(jù)傳輸給對應(yīng)的計算模塊，該計算模塊根據(jù)船舶航行數(shù)據(jù)修正所采集的水文氣象信息，修正方式為通過船舶的航速和航向?qū)λ臍庀笮畔⒅械娘L(fēng)速和風(fēng)向進(jìn)行修正，計算模塊將修正后的水文氣象信息與對應(yīng)水文氣象觀測點(diǎn)的全球衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)采用差值壓縮的方法打包為北斗報文；
步驟3：每個水文氣象觀測點(diǎn)中，計算模塊根據(jù)預(yù)設(shè)的初始數(shù)據(jù)發(fā)送間隔將北斗報文通過第二rdss通訊模塊、北斗衛(wèi)星和第一rdss通訊模塊發(fā)送給計算控制服務(wù)器，計算控制服務(wù)器將北斗報文發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)器；
步驟4：計算控制服務(wù)器分別為每個水文氣象觀測點(diǎn)計算新的北斗報文發(fā)送間隔，每個水文氣象觀測點(diǎn)i的新北斗報文發(fā)送間隔ti根據(jù)如下公式計算：
ti＝v1ai+v2bi
其中，ai和bi分別是決定發(fā)送間隔ti的水文氣象因素和地理因素，v1為ai的權(quán)值，v2為bi的權(quán)值；
水文氣象觀測點(diǎn)i的水文氣象因素ai如下計算：
其中，δti是水文氣象觀測點(diǎn)i現(xiàn)有的北斗報文發(fā)送間隔，即計算控制服務(wù)器收到的水文氣象觀測點(diǎn)i的上一條記錄到這條記錄的時間差，δeij是第i個水文氣象觀測點(diǎn)上一條記錄和這一條記錄中第j個水文氣象要素的差值，wj是該水文氣象要素的權(quán)值，j＝1，…，n，n為水文氣象要素個數(shù)；
觀測點(diǎn)i地理因素bi如下計算：
其中，dik是水文氣象觀測點(diǎn)i與水文氣象觀測點(diǎn)k之間的距離；
v2對于所有水文氣象觀測點(diǎn)i都是固定值，通過下式計算可得：
其中，min(bi,i＝1,...,k)表示所有水文氣象觀測點(diǎn)中最小的bi，tmin表示第二rdss通訊模塊發(fā)送報文的最小間隔；
wp和wq為wj分別滿足：
令：
除了wp和wq外，其余的wj值保持不變；
v1對于所有的水文氣象觀測點(diǎn)是一個預(yù)設(shè)值，該預(yù)設(shè)值使得所有水文氣象觀測點(diǎn)的發(fā)送間隔ti處于最小間隔tmin和最大間隔tmax之間；
步驟5：如果某個水文氣象觀測點(diǎn)新的北斗報文發(fā)送間隔與與原發(fā)送的北斗報文發(fā)送間隔不相同，則該計算控制服務(wù)器通過第一rdss通訊模塊、北斗衛(wèi)星和第二rdss通訊模塊將新的北斗報文發(fā)送間隔發(fā)送給對應(yīng)的計算模塊，計算模塊接收到新的北斗報文發(fā)送間隔后將更新自身的北斗報文發(fā)送間隔，并將新的北斗報文發(fā)送間隔發(fā)送給對應(yīng)的控制模塊，控制模塊根據(jù)新的北斗報文發(fā)送間隔調(diào)整對應(yīng)水文氣象多要素采集模塊和船舶狀態(tài)信息采集模塊的信息采集間隔，所述氣象多要素采集模塊和船舶狀態(tài)信息采集模塊的信息采集間隔始終與同一時刻的北斗報文發(fā)送間隔相等。
本發(fā)明的基本原理是：通過水文氣象中心服務(wù)器控制水文氣象觀測點(diǎn)越密集的位置北斗報文發(fā)送頻率越低，在水文氣象信息變化幅度越低的時刻信息發(fā)送頻率越低。
本發(fā)明能夠根據(jù)水文氣象信息變化幅度和水文氣象觀測點(diǎn)的疏密自動調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸頻度，能夠準(zhǔn)確反映水文氣象信息變化的同時減少北斗報文數(shù)量，從而節(jié)省能耗和寶貴的衛(wèi)星通訊帶寬。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；
其中，1—水文氣象中心、1.1—計算控制服務(wù)器、1.2—第一rdss通訊模塊、1.3—數(shù)據(jù)服務(wù)器、2—水文氣象觀測點(diǎn)、2.1—rnss定位模塊、2.2—第二rdss通訊模塊、2.3—計算模塊、2.4—存儲模塊、2.5—控制模塊、2.6—水文氣象多要素采集模塊、2.7—船舶狀態(tài)信息采集模塊。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明：
本發(fā)明涉及一種基于北斗的船舶水文氣象數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)，如圖1所示，它包括水文氣象中心1和多個水文氣象觀測點(diǎn)2，其中，每個水文氣象觀測點(diǎn)2設(shè)置在一艘對應(yīng)的船舶上，水文氣象中心1包括計算控制服務(wù)器1.1、第一rdss通訊模塊1.2和數(shù)據(jù)服務(wù)器1.3，每個水文氣象觀測點(diǎn)2均包括rnss定位模塊2.1、第二rdss通訊模塊2.2、計算模塊2.3、控制模塊2.5、水文氣象多要素采集模塊2.6和船舶狀態(tài)信息采集模塊2.7；
所述計算控制服務(wù)器1.1的數(shù)據(jù)服務(wù)器通信端連接數(shù)據(jù)服務(wù)器1.3的通信端，計算控制服務(wù)器1.1的rdss接線端連接第一rdss通訊模塊1.2的服務(wù)器接線端；
每個水文氣象觀測點(diǎn)2中計算模塊2.3的rdss接線端連接第二rdss通訊模塊2.2的計算模塊接線端，計算模塊2.3的rnss接線端連接rnss定位模塊2.1的通信端，水文氣象多要素采集模塊2.6的通信端連接控制模塊2.5的水文氣象數(shù)據(jù)獲取及水文氣象采集間隔控制接口，船舶狀態(tài)信息采集模塊2.7的通信端連接控制模塊2.5的船舶狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取及船舶狀態(tài)采集間隔控制接口，控制模塊2.5的水文氣象數(shù)據(jù)及船舶航行數(shù)據(jù)輸出端連接計算模塊2.3的水文氣象數(shù)據(jù)及船舶航行數(shù)據(jù)輸入端；計算模塊2.3的北斗報文發(fā)送間隔輸出端連接控制模塊2.5的北斗報文發(fā)送間隔輸入端；
所述第一rdss通訊模塊1.2通過北斗衛(wèi)星與每個水文氣象觀測點(diǎn)2的第二rdss通訊模塊2.2無線通信，衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)，英文全稱radiodeterminationsatelliteservice，是通過向衛(wèi)星發(fā)送短報文的方式進(jìn)行定位，因此可以在報文中包含少量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)通訊，優(yōu)點(diǎn)是覆蓋面廣，理論上可以實(shí)現(xiàn)全球表面無死角覆蓋。。
每個水文氣象觀測點(diǎn)2還包括存儲模塊2.4，計算模塊2.3的數(shù)據(jù)存儲端連接對應(yīng)存儲模塊2.4的通信端。
上述技術(shù)方案中，每個水文氣象多要素采集模塊2.6用于采集海洋被測區(qū)域的水文信息和氣象信息；
每個船舶狀態(tài)信息采集模塊2.7用于采集對應(yīng)被測船舶航行數(shù)據(jù)(如航向、航速數(shù)據(jù))；
每個控制模塊2.5用于輸出對應(yīng)的水文氣象數(shù)據(jù)采集間隔和船舶航行數(shù)據(jù)采集間隔；
每個控制模塊2.5還用于向?qū)?yīng)的計算模塊2.3傳輸獲取的水文氣象數(shù)據(jù)和船舶航行數(shù)據(jù)。
每個rnss定位模塊2.1用于對相應(yīng)的水文氣象觀測點(diǎn)2進(jìn)行全球衛(wèi)星定位，并將相應(yīng)的水文氣象觀測點(diǎn)2的全球衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)傳輸給計算模塊2.3；rnss英文全稱radionavigationsatellitesystem，用戶通過被動接受衛(wèi)星信號實(shí)現(xiàn)定位，無通訊功能，美國的gps和中國的北斗二代都屬于rnss，優(yōu)點(diǎn)是，定位速度快，設(shè)備功耗低，不需要和衛(wèi)星的雙向通信。
每個計算模塊2.3用于根據(jù)對應(yīng)的船舶航行數(shù)據(jù)修正所采集的水文氣象信息，并將修正后的水文氣象信息與對應(yīng)水文氣象觀測點(diǎn)2的全球衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)采用差值壓縮的方法打包為北斗報文。
每個第二rdss通訊模塊2.2用于接收對應(yīng)計算模塊2.3傳輸?shù)谋倍穲笪?，并將北斗報文通過北斗衛(wèi)星傳輸給第一rdss通訊模塊1.2；
每個存儲模塊2.4用于臨時存儲相應(yīng)的北斗報文。
上述技術(shù)方案中，所述第一rdss通訊模塊1.2用于接收各個水文氣象觀測點(diǎn)2的第二rdss通訊模塊2.2通過北斗衛(wèi)星傳輸過來的北斗報文，并將北斗報文轉(zhuǎn)發(fā)給計算控制服務(wù)器1.1；
所述計算控制服務(wù)器1.1用于根據(jù)接收的北斗報文計算各個水文氣象觀測點(diǎn)2的新的北斗報文發(fā)送間隔，并將各個新的北斗報文發(fā)送間隔通過第一rdss通訊模塊1.2和第二rdss通訊模塊2.2反饋給對應(yīng)的計算模塊2.3；
所述數(shù)據(jù)服務(wù)器1.3用于存儲所有水文氣象觀測點(diǎn)2的修正后水文氣象數(shù)據(jù)。
一種利用上述系統(tǒng)的船舶水文氣象數(shù)據(jù)傳輸方法，它包括如下步驟：
步驟1：每個水文氣象觀測點(diǎn)2中，水文氣象多要素采集模塊2.6實(shí)時采集海洋被測區(qū)域的水文信息和氣象信息，船舶狀態(tài)信息采集模塊2.7實(shí)時采集被測船舶航行數(shù)據(jù)；rnss定位模塊2.1對相應(yīng)水文氣象觀測點(diǎn)2進(jìn)行全球衛(wèi)星定位，并將相應(yīng)水文氣象觀測點(diǎn)2的全球衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)傳輸給計算模塊2.3(水文氣象數(shù)據(jù)包含n個水文氣象要素，如大氣壓強(qiáng)、風(fēng)向、海水溫度和大氣溫度等，用e表示)；
步驟2：每個水文氣象觀測點(diǎn)2中，控制模塊2.5采集海洋被測區(qū)域的水文信息和氣象信息以及被測船舶航行數(shù)據(jù)，并將采集到的海洋被測區(qū)域的水文信息和氣象信息以及被測船舶航行數(shù)據(jù)傳輸給對應(yīng)的計算模塊2.3，該計算模塊2.3根據(jù)船舶航行數(shù)據(jù)修正所采集的水文氣象信息，修正方式為通過船舶的航速和航向?qū)λ臍庀笮畔⒅械娘L(fēng)速和風(fēng)向進(jìn)行修正，計算模塊2.3將修正后的水文氣象信息與對應(yīng)水文氣象觀測點(diǎn)2的全球衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)采用差值壓縮的方法打包為北斗報文，保存在存儲模塊2.4(全球衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)首先用于觀測點(diǎn)定位，因?yàn)椴杉乃臍庀笮畔⑿枰啦杉氖悄睦镂恢玫臄?shù)據(jù)；其次在計算每個觀測點(diǎn)的水文氣象信息時需要知道所有觀測點(diǎn)的位置。)；
步驟3：每個水文氣象觀測點(diǎn)2中，計算模塊2.3根據(jù)預(yù)設(shè)的初始數(shù)據(jù)發(fā)送間隔將北斗報文通過第二rdss通訊模塊2.2、北斗衛(wèi)星和第一rdss通訊模塊1.2發(fā)送給計算控制服務(wù)器1.1，計算控制服務(wù)器1.1將北斗報文發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)器1.3；
步驟4：計算控制服務(wù)器1.1分別為每個水文氣象觀測點(diǎn)2計算新的北斗報文發(fā)送間隔，每個水文氣象觀測點(diǎn)i的新北斗報文發(fā)送間隔ti根據(jù)如下公式計算：
ti＝v1ai+v2bi
其中，ai和bi分別是決定發(fā)送間隔ti的水文氣象因素和地理因素，文氣象變化越大，ai值越大，地理上越稀疏的觀測點(diǎn)bi值越大，v1為ai的權(quán)值，v2為bi的權(quán)值；
水文氣象觀測點(diǎn)i的水文氣象因素ai如下計算：
其中，δti是水文氣象觀測點(diǎn)i現(xiàn)有的北斗報文發(fā)送間隔，即計算控制服務(wù)器1.1收到的水文氣象觀測點(diǎn)i的上一條記錄到這條記錄的時間差，δeij是第i個水文氣象觀測點(diǎn)上一條記錄和這一條記錄中第j個水文氣象要素的差值，wj是該水文氣象要素的權(quán)值，j＝1，…，n，n為水文氣象要素個數(shù)；
觀測點(diǎn)i地理因素bi如下計算：
其中，dik是水文氣象觀測點(diǎn)i與水文氣象觀測點(diǎn)k之間的距離；
v2對于所有水文氣象觀測點(diǎn)i都是固定值，通過下式計算可得：
其中，min(bi,i＝1,...,k)表示所有水文氣象觀測點(diǎn)中最小的bi，tmin表示第二rdss通訊模塊2.2發(fā)送報文的最小間隔；
wp和wq為wj分別滿足：
令：
除了wp和wq外，其余的wj值保持不變；
wj共有n個，分別是w1...wn(wp和wq也在其中)，對應(yīng)于式子
v1對于所有的水文氣象觀測點(diǎn)2是一個預(yù)設(shè)值，該預(yù)設(shè)值使得所有水文氣象觀測點(diǎn)2的發(fā)送間隔ti處于最小間隔tmin和最大間隔tmax之間；
步驟5：如果某個水文氣象觀測點(diǎn)2新的北斗報文發(fā)送間隔與與原發(fā)送的北斗報文發(fā)送間隔不相同，則該計算控制服務(wù)器1.1通過第一rdss通訊模塊1.2、北斗衛(wèi)星和第二rdss通訊模塊2.2將新的北斗報文發(fā)送間隔發(fā)送給對應(yīng)的計算模塊2.3，計算模塊2.3接收到新的北斗報文發(fā)送間隔后將更新自身的北斗報文發(fā)送間隔，并將新的北斗報文發(fā)送間隔發(fā)送給對應(yīng)的控制模塊2.5，控制模塊2.5根據(jù)新的北斗報文發(fā)送間隔調(diào)整對應(yīng)水文氣象多要素采集模塊2.6和船舶狀態(tài)信息采集模塊2.7的信息采集間隔，所述氣象多要素采集模塊2.6和船舶狀態(tài)信息采集模塊2.7的信息采集間隔始終與同一時刻的北斗報文發(fā)送間隔相等。
上述技術(shù)方案中，所述水文氣象要素中的氣象要素包括溫度、濕度、大氣壓強(qiáng)、降水量、風(fēng)速、風(fēng)向、能見度和pm2.5；水文要素包括水深、水溫、海水鹽度、海流類型、海水顏色、海水透明度。
本說明書未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。