王青平，肖 健，鄭 超，林巖釗，鄭 韻，張樹君

(福建省地震局 ，福建 福州 350003)

福建省地處我國東南沿海地震帶北段，歷史上曾多次遭受7級以上地震的破壞，探明福建及其鄰近海域地殼上地幔結(jié)構(gòu)和濱海斷裂帶的構(gòu)造信息，繪制跨越臺灣海峽的三維地殼結(jié)構(gòu)圖，對進(jìn)一步提升閩臺地區(qū)地震構(gòu)造活動的認(rèn)識水平、拓展對地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的控制能力具有重大意義[1-2].為進(jìn)一步查明濱海斷裂帶的位置、產(chǎn)狀和深部構(gòu)造信息，福建省地震局從2013年開始實(shí)施“福建及臺灣海峽地殼深部構(gòu)造陸海聯(lián)測”計(jì)劃，陸域使用移動式氣槍震源系統(tǒng)，海域使用延平2號震源船的船載式氣槍震源系統(tǒng)，陸海均布設(shè)觀測系統(tǒng)的方式進(jìn)行聯(lián)合觀測[3-4].

為確保海上工作順利開展，并加強(qiáng)總指揮部對震源船實(shí)時(shí)位置、航速等信息的監(jiān)控.在2013—2014年的陸海聯(lián)測實(shí)驗(yàn)中，研發(fā)了1套“運(yùn)動軌跡遠(yuǎn)程動態(tài)顯示系統(tǒng)軟件”[5]，利用海事衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路，陸海聯(lián)測指揮部定期掃描震源船導(dǎo)航系統(tǒng)生成的導(dǎo)航文件，解析氣槍激發(fā)的位置，并將激發(fā)位置顯示在地圖上.在氣槍上線激發(fā)過程中，該系統(tǒng)可以很好地跟蹤震源船的位置等信息.為解決氣槍未激發(fā)時(shí)的震源船跟蹤，2015年研發(fā)了另一套“基于海事衛(wèi)星的船舶本地和/或遠(yuǎn)程航跡跟蹤軟件”[6]，在震源船上部署一個(gè)Trimble Net系列GPS接收機(jī)，利用接收機(jī)提供的動態(tài)網(wǎng)頁編程技術(shù)，指揮部通過海事衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路實(shí)時(shí)獲取震源船位置，并在后續(xù)的陸海聯(lián)測實(shí)驗(yàn)中得到應(yīng)用，獲得良好的效果.上述2套系統(tǒng)都是建立在海事衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路的基礎(chǔ)上，其費(fèi)用較高且存在數(shù)據(jù)安全隱患[7].

近年來，隨著事業(yè)的發(fā)展，指揮部對震源船實(shí)時(shí)航行方向和實(shí)時(shí)速度方向等信息的需求也日益迫切.亟需1套經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、安全可靠，可實(shí)時(shí)獲取震源船位置、航行方向以及航行速度等信息的定位跟蹤系統(tǒng).

1 技術(shù)與方法

1.1 北斗短報(bào)文

由我國自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Beidou navigation satellite system，BDS)是繼美國GPS和俄羅斯GLONASS之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[8].與美國GPS和俄羅斯GLONASS等系統(tǒng)相比，北斗系統(tǒng)除了能夠提供其他系統(tǒng)所具備定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)外，并具有位置報(bào)告和短報(bào)文通信能力[9-10].

北斗短報(bào)文是北斗系統(tǒng)的獨(dú)特功能，在沒有移動通訊信號的情況下，利用衛(wèi)星進(jìn)行雙向通信，既可以讓別人知道自己位置，也可以主動發(fā)信息告知別人自己的位置.利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)全天候、全天時(shí)的短報(bào)文收發(fā)功能將震源船的多個(gè)控制點(diǎn)的位置傳給遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，為指揮部監(jiān)控震源船是否按計(jì)劃作業(yè)以及方案調(diào)整和指令下達(dá)等提供可靠的第一手資料.

1.2 控制點(diǎn)位置信息

為了更好地對震源船的航向?qū)崟r(shí)監(jiān)控，分別在船頭、船尾以及拖曳的槍陣中心3個(gè)控制點(diǎn)各部署1套Trimble Net R9接收機(jī)，通過跟蹤控制點(diǎn)的實(shí)時(shí)位置，確定震源船的位置、航行速度以及航行方向等.該接收機(jī)不僅提供NMEA-0183協(xié)議輸出GGA、RMC等信息，還可利用瀏覽器調(diào)用編程接口(programmatic interface)進(jìn)行參數(shù)讀取和設(shè)置[11].圖1為通過網(wǎng)頁調(diào)用編程接口顯示的信息，其中包括GPS周數(shù)(GPS Week Number)、GPS周內(nèi)秒(GPS Seconds of Week)、經(jīng)緯度、高程等信息.通過格式化輸入，可獲得3個(gè)控制點(diǎn)的時(shí)間、位置等信息.

圖1 Trimble Net R9接收機(jī)編程接口返回的數(shù)據(jù)Fig.1 Data from the programmatic interface of Trimble Net R9

1.3 數(shù)據(jù)壓縮

北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)對發(fā)送的短報(bào)文長度和時(shí)間間隔都有嚴(yán)格的要求，一般用戶一次可以傳輸36個(gè)漢字(72個(gè)字節(jié))，且每次發(fā)送需間隔15、30s或60s[12].

考慮到GPS水平向和垂直向的定位精度以及監(jiān)控平臺精度設(shè)計(jì)需求，控制點(diǎn)的經(jīng)緯度至少應(yīng)保留到小數(shù)點(diǎn)后5位，高程保留到小數(shù)點(diǎn)后1位.經(jīng)緯度有效數(shù)位達(dá)到8位，需采用雙精度浮點(diǎn)數(shù)，而高程可采用單精度保存，單個(gè)控制點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程至少需要20字節(jié).3個(gè)控制點(diǎn)信息加上整型的GPS周數(shù)和雙精度的GPS周內(nèi)秒，高達(dá)72字節(jié)，達(dá)到北斗短報(bào)文的臨界長度，同時(shí)還需加入標(biāo)識符用于判斷3個(gè)GPS時(shí)間的同步性，因此必須對多個(gè)控制點(diǎn)信息進(jìn)行壓縮.

以船頭為參考點(diǎn)，船頭經(jīng)緯度使用絕對值，考慮到船頭與船尾和拖曳的槍陣中心點(diǎn)的距離不超過200m，船尾和槍陣中心點(diǎn)使用相對值.為增加信息可讀性，使用ASCII碼進(jìn)行存儲.壓縮后的總長度為60字節(jié)，分為11個(gè)字段，表1給出各字段說明.

2 結(jié)果與討論

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為適應(yīng)新時(shí)代指揮部遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺對震源船的定位跟蹤信息化、可視化與自動化的要求，以提升遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺對震源船的監(jiān)控和管理水平為目標(biāo)，設(shè)計(jì)的方案應(yīng)遵循實(shí)用性、易用性和開放性等原則.

2.1.1系統(tǒng)功能 基于北斗短報(bào)文的震源船跟蹤系統(tǒng)以歷年陸海聯(lián)測遇到的實(shí)際問題為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：

表1 壓縮的北斗短報(bào)文信息Tab.1 Compressed Beidou short message

續(xù)表1

注：表格中北斗短報(bào)文信息以“0 637069384+11806470 +2446744 +121 +21 +41-001 +20 +39 +020”為例

①震源船上部署的服務(wù)端可以實(shí)時(shí)獲取3個(gè)控制點(diǎn)的位置等信息，并通過北斗短報(bào)文向遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺推送控制點(diǎn)信息，還可顯示震源船實(shí)時(shí)位置、航速和航向等信息；

②指揮部中部署的客戶端可接收服務(wù)端推送的北斗短報(bào)文獲得控制點(diǎn)信息，顯示震源船實(shí)時(shí)位置、航速和航向，對震源船是否按事先設(shè)定的航線、航速和航向作業(yè)進(jìn)行監(jiān)控；

2.1.2 系統(tǒng)架構(gòu) 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，結(jié)合系統(tǒng)的功能，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示.

圖2 基于北斗短報(bào)文的震源船跟蹤系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Outline of multi-point tracking system based on Beidou short message

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)分為基礎(chǔ)平臺層、硬件支撐層、信息資源層、服務(wù)產(chǎn)品層和用戶應(yīng)用層5個(gè)基礎(chǔ)層級.其中基礎(chǔ)平臺層包含操作系統(tǒng)、北斗短報(bào)文、數(shù)據(jù)壓縮及GIS系統(tǒng)的建設(shè)，為整體應(yīng)用系統(tǒng)的全面建設(shè)提供良好的基礎(chǔ)；硬件支撐層包括1套北斗通信單元、3套GPS接收機(jī)以及服務(wù)器等設(shè)備，是系統(tǒng)的核心部分；信息資源層是項(xiàng)目的數(shù)據(jù)資源的保障，主要包括GPS時(shí)間信息以及控制點(diǎn)的位置和高程信息；服務(wù)產(chǎn)品層是系統(tǒng)的主要產(chǎn)出，主要包括震源船實(shí)時(shí)位置、航行方向以及航行速度等；用戶應(yīng)用層是系統(tǒng)產(chǎn)品的應(yīng)用，提供震源船本地和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺的跟蹤顯示.

2.1.3 設(shè)備連接 圖3為基于北斗短報(bào)文的震源船跟蹤系統(tǒng)的設(shè)備連接示意圖.

部署在船頭、船尾和槍陣中心的GPS天線分別通過饋線接入各自GPS接收機(jī)；震源船服務(wù)器一方面通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)用編程接口讀取位置信息，另一方面通過串口與北斗通信單元進(jìn)行信息推送.指揮部服務(wù)器通過串口接收北斗信息.

2.1.4 功能模塊 基于北斗短報(bào)文的震源船跟蹤系統(tǒng)由數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)存儲、信息壓縮、短報(bào)文封裝、短報(bào)文推送、短報(bào)文接收、短報(bào)文解析、信息解壓和跟蹤顯示9個(gè)模塊組成，圖4為系統(tǒng)的功能圖.

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

基于北斗短報(bào)文的震源船跟蹤系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境采用Windows 7操作系統(tǒng)+MATLAB R2011b，提供了高級開發(fā)和調(diào)試功能，同時(shí)還可對存儲的震源船位置信息進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和挖掘.

在2017年的陸海聯(lián)測實(shí)驗(yàn)中，北斗通信終端使用福建星海通信科技有限公司的北斗船載終端XH/BDI-CY02D，其中震源船和指揮部的北斗終端號碼分別為145131和198238，支持北斗4.0協(xié)議，短報(bào)文發(fā)送頻度為1 min，串口通訊的波特率為14 400字節(jié)/s，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無校驗(yàn).

圖3 設(shè)備連接示意Fig.3 Diagram of device connection

圖4 系統(tǒng)功能圖Fig.4 System function diagram

圖5是截取的震源船推送的北斗短報(bào)文信息，每行是1條短報(bào)文，記錄著時(shí)間和3個(gè)控制點(diǎn)的位置信息.

圖5 截取的震源船推送北斗短報(bào)文信息Fig.5 Interception of Beidou short message information

圖6是陸海聯(lián)測指揮部根據(jù)接收的北斗短報(bào)文解析得到時(shí)間和震源船3個(gè)GPS點(diǎn)位的位置信息.

在2017年陸海聯(lián)測期間，震源船共發(fā)出15 244條短報(bào)文，指揮部收到14 714條短報(bào)文，數(shù)據(jù)丟失率約為3.5%.遺失的530條主要由于實(shí)驗(yàn)期間指揮部設(shè)備搬遷、接收模塊進(jìn)行升級以及震源船靠港避風(fēng)期間震源船和指揮部開機(jī)時(shí)間不協(xié)調(diào)造成的.

圖6 指揮部解析相應(yīng)的震源船位置信息Fig.6 Parses of the corresponding ship location information by the commander

根據(jù)解析的震源船位置信息，可以計(jì)算出震源船的位置、航向和航行速度等信息，如圖7所示，臺灣海峽中，已經(jīng)連成線的黑點(diǎn)是震源船的軌跡點(diǎn)，顯然震源船從漳浦外海南端向東北進(jìn)行作業(yè)，黑色三角形為船當(dāng)前位置，當(dāng)前航速為8.7 km/h，航向?yàn)楸逼珫|42.4°.一旦收到新的數(shù)據(jù)，就實(shí)時(shí)更新震源船的位置，達(dá)到實(shí)時(shí)跟蹤的功能.

圖7 基于北斗短報(bào)文的震源船跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行示意Fig.7 Diagram of the tracking system based on Beidou short message 當(dāng)前航速為8.7 km/h，航向?yàn)楸逼珫|42.4°

研發(fā)的基于北斗短報(bào)文的震源船跟蹤系統(tǒng)在2017年的陸海聯(lián)測實(shí)驗(yàn)中得到應(yīng)用和檢驗(yàn)，陸海聯(lián)測指揮部可以實(shí)時(shí)查看震源船是否按事先設(shè)定的測線、事先設(shè)定的速度和航向進(jìn)行作業(yè)，有效保障了監(jiān)控平臺對震源船的監(jiān)控，提升安全生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)控制能力.

3 結(jié)語

新時(shí)代，面對陸海聯(lián)測指揮部對震源船的監(jiān)控提出了新要求，研發(fā)了基于北斗短報(bào)文的震源船跟蹤系統(tǒng).系統(tǒng)由數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)存儲、信息壓縮、短報(bào)文封裝、短報(bào)文推送、短報(bào)文接收、短報(bào)文解析、信息解壓和跟蹤顯示9個(gè)模塊組成.由于使用我國自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗短報(bào)文進(jìn)行通訊，大大提高了系統(tǒng)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性.

通過在震源船安裝部署多套GPS接收機(jī)，實(shí)時(shí)獲取震源船的位置，經(jīng)過信息壓縮后利用北斗短報(bào)文推送到陸海聯(lián)測指揮部，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控平臺對震源船的監(jiān)控.可有效判斷震源船是否按事先設(shè)定的測線、事先設(shè)定的速度和航向進(jìn)行作業(yè)，便于指揮部對實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行調(diào)整，有效保障了監(jiān)控平臺對震源船的監(jiān)控，進(jìn)一步提升安全生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)控制能力.同時(shí)根據(jù)3個(gè)點(diǎn)位信息計(jì)算的實(shí)時(shí)震源船航向，有助于準(zhǔn)確把握震源船在進(jìn)行固定點(diǎn)懸停激發(fā)時(shí)的航向，克服了以往使用前后兩個(gè)時(shí)刻推算的平均航向代替實(shí)時(shí)航向等問題.