技术简介苏州东奇信息科技股份有限公司

1、远海船舶信息服务与监控指挥系统 苏州东奇信息科技股份有限公司远海船舶信息服务与监控指挥系统1实施背景远洋渔业是我国“走出去”战略的重要实施步骤，关系到国家利益、外向型贸易与国内水产品市场补充，国家已出台了一系列政策鼓励企业向远洋渔业发 展。2012年5月23日农业部渔业船舶检验局首次发布的全国海洋渔船安全技 术状况报告指出，截至2011年年底，我国渔船总数为106.9万艘，其中，海 洋渔船30.26万艘、内陆渔船76.7万艘，约占世界总数的1/4。但小型、沿岸渔 船多，大型、远海渔船少。其中，24米以上的大中型渔船为2.85万艘，仅占总 数的 13.03%。从事海洋捕捞的渔民置身海上，面临巨浪

2、、狂风、暴雨、洋流等众多不测风 云，一旦有险情，求救通信线路是否畅通，报告事故位置能否准确及时，将决定 着救助工作的成败。2005年，国家投资4000多万元，整合现有通信网络资源， 建立全国统一的渔业安全通信网，以保障渔民生命财产安全。经过几年的建设， 全国已初步形成了海洋渔业安全通信网“四网合一”平台，融合传统短波、超短波通信及卫星、移动通信等现代通信方式，辅以船舶自动识别（AIS）、无线射频识别（RFID、渔港视频监控、应急视频会议等技术手段的渔船监管和安全通 信保障体系，成为国家突发公共事件应急体系和预警平台的重要组成部分，在“平安渔业”建设中发挥着重要保障作用。其中，短波通信网在全国选

3、择了14个岸台（其中江苏的省级值班台设于赣榆县青口镇）进行设备更新建设（最大发射功率500W），作为国家级岸台，实行 24小时不间断守听值班，为我国6万 多艘装备短波单边带电台的远海作业渔船 提供安全通信保障。每个岸台集渔业安 全与渔政管理通信、渔业生产和渔民生活通信服务于一体， 可为其通信距离覆盖 范围内所有渔船提供海洋气象、守听海上遇险报警、协助搜救指挥等。本公司开发的“远海船舶信息服务与监控指挥系统”，就是利用远海船舶所 装备的短波单边带（SSB电台接收由岸基海洋气象广播电台（1kW）或大功率 海事短波电台（可超过10kW）发送的海情、气象、海事等信息，并通过船载SSB 电台报告自己的位

4、置（原来是 GPS现正逐步用我国自己的北斗替代）和其它信 息，包括需要上传的监控图片。在全国6万多艘已装备短波SSB电台的远海渔船 中，已有一些带有硬件调制解调器（MODEM），但速率最高只有 2400b ps,性 能远不能和本公司军转民的产品相比，因此，我们的产品具有很强的竞争力，在广东沿海就是凭借着短波高速传输的实力，后来居上。而且如果按照广东的分类，将超过 300 吨的渔船称之为深水渔船，能够出远海（还不是远洋），在南海这样 的深水渔船约有 7万艘，连同东海和黄海， 估计全国的远海渔船总数约 10万艘。 也就是说，还可能有部分远海船未装 SSB电台。这样的话，全国可能采用本公司 软件系统

5、的远海渔船（按 80%计）连同其他远海、远洋作业船只总数也有10 万艘，按照经济条件等，系统终端的具体配置（ 6000-20000 元）可能不同，因而 这一块的市场容量为 6-20 亿元，加之每条船每年 3000 元的服务费，仅广东省 3.7 万艘深水渔船每年即可收取 1.1 亿元的服务费。另外，后续还有更大的增值 业务（例如海产品交易等），则不属于公司的主营业务和关心范围了。本系统已历经广东茂名海洋气象广播电台 /广州海事短波通信基地台与船载 电台两年多海试，气象服务和应急广播（如台风警报）自动化水平明显提高（例 如对短波电台发射机自动启停、卫星云图传输等）， 2012年 11月已在广东江门

6、 装船 2 艘远航 150 公里，效果良好。 2013 年已远航到三沙市海面，据广州海事 台 732公里处仍能进行正常的数据通信。广东方面预计 2013年 10月再装 30艘 船进行小批量海试， 2014 年可全面推广。本系统在南海特别是广东省未见竞争 对手，市场属于独占。 此外， 国家气象局除了在广东茂名建立了面向南海的海洋 气象广播电台外，还同时在浙江舟山（面向东海）和山东石岛（面向黄渤海）建 立了另外两座大功率的短波海洋气象广播电台。2 发展现状2.1 短波通信具有不可替代性海上手机信号差，远海更没有基站，出海船舶大都依靠短波SSB电台或海事 卫星进行远程联系。海事卫星通信效果好，但相比

7、较陆地移动通信和手机而言， 终端和话费都不便宜； 近年来北斗用户机可以民用了， 但只能发短信， 虽比海事 卫星便宜，却不那么方便，特别是情况紧急且难于概括时。短波通信又称高频（HF通信，所发射的电磁波通过电离层与大地之间的反射 （甚至多次反射） 而延伸了传播距离， 多年来一直广泛应用于军事、 气象、政府、 外交、商业及石油、地质等部门，与卫星通信、微波通信、有线通信等一起并列 为几种重要的通信手段。美军在 1979 年就把短波通信列为第一线指挥控制通信 手段之一，而300吨以上的深海渔船大多已“标配” 了短波 SSB电台。因此，远 海船只利用短波电台进行通信联络，成本最低（无需交话费），自主性

8、最强（无 需卫星转发），而且在收听状态不会暴露自己（东海渔民出远海 “偷渔”即使有卫 星电话也要关机，以免被日、韩等国的飞机侦听到）。2.2 短波通信数字化是大趋势目前的船用SSB电台大多为普通模拟电台，不能直接传输数字话音和数字信 息，在未被新一代的数字电台替代之前， 必须引入无线MODEM把短波传输信道 数字化，正如通过模拟电话线上网要有 猫”或ADSL一样。而一旦实现了这一点， 就可以直接利用现有的船舶通信装备， 传输用于远程指挥、 调度、联络和监控的 各种数字信息，并与各种船舶电子设备相连，实现 “海上船舶远程指挥 /调度/监 控系统”，以及对海上船舶提供各种信息服务系统。2.3 “跑

9、得快 ”是众望所归由于短波SSB电台带宽窄，通常只有3kHz (300Hz-3kHZ，而信道状况差， 所以通常短波MODEM只提供2.4kbps以下的码率，许多产品甚至出厂时就设定 在1.2kbps,故如何在短波信道这一 “羊肠小道”上尽量开快车(即传输高码率)， 是全球公认的“老大难”问题，极具挑战性。2.4 采用 COFDM 体制要利用短波传输更多的信息， 势必对短波通信提出了更高的要求。 一是自适 应编码调制技术。 通过信道质量评估， 保证收发两端同时变速， 改变编码和调制 的方法，以达到速率和误码率的折中。 二是高速调制解调器的研制。 随着人们对 通信质量要求的提高， 迫切要求增加短波

10、信道的通信容量。 编码的正交频分复用(COFDM技术的兴起给高速调制解调器的研制提供了契机。而传统的移动通 信运营商向近海延伸手机信号、 采用海事卫星、 采用北斗卫星等， 以试图回避短 波通信的技术问题。3 技术实现3.1 技术方案海上手机信号差， 远海更无基站， 海船大都靠短波电台或海事卫星进行远程 联系。但目前渔船上普遍装备的短波单边带电台多为模拟方式， 难以接收数据信 息；而海事通信台、海洋气象广播电台等也是模拟广播方式，只有采用话带 MODEM才能传输数字信息。但目前的短波 MODEM产品技术陈旧，一般只能提 供2.4kbps的最高速率，难以满足大容量的信息服务要求。故本公司引入东南大

11、 学多媒体技术研究所为军用SSB电台专门开发的国际先进的高速高性能短波MODEM,在广东与广州海事电台和茂名海洋气象广播电台以及现役船用电台相 适配，将出海船只的短波SSB电台直接升级为高速的远程数据通信终端，从技术 上支撑这些短波广播电台提供更加有效的海洋渔业信息服务。进而通过提供北斗定位服务，把南中国海作业船只接入海洋“移动物联网”，从而在陆基成熟的信 息采编网络支持下，推进新兴的海洋信息服务产业，为广东地区带来巨大的社会 与经济效益。本公司的海上短波数据通信产品旨在提供一种纯软件手段，使得传统短波单边带电台能够实现多媒体数据传输。相比市场上的硬件数字化调制解调器而言， 该项软件无线电技术

12、具有投产快、 适用范围广、传输码率高等特点。基于这样的 数据传输技术，我们可以拓展船载电台的业务功能，并为船载电台提供相应的数 据服务。数据采集设备船 载:笔记本/:工控机:数据流一h数字广播调制软件短波单边带电台*短波信号tj电G收音机L短波信号PC机/服务器:数据流4数据；图1和图2所示，可以采取“短波SSB电台+笔记本电脑=数字多媒体通信终 端”方式或者“短波SSB电台+工控机=远程数据采集/渔船监测系统”方式。信 息发射过程为：由数据采集设备提供原始数据信息-经数字广播调制软件调制成 中频音频信号从笔记本/工控机输出音频信号经短波电台加载发射；信息接收 过程为：短波接收电台/短波单边带

13、收音机接收音频信藪据采集设备图1船载电台数字化服务框图图2短波电台直接纯软件数字化号从音频输出口输出T音频信号输入 PC机经数字广播解调软件进行解调-将上 传数据存入数据库。由于本方案是以通用PC为平台，所以很容易扩充硬件和软件接口，逐步与 GPS船用速度计程仪、测深仪、航行数据记录仪、船用液位计、船用温度计/压力计、导航雷达等设备相连直至有机集成，实现从远程数据采集/渔船监测系统，直到各种功能、级别和区域范围的海上船舶远程指挥 /调度/监控系统。3.2技术特色本项目的短波高速调制解调器基于虚拟无线电技术， 采用并行单音体制，通 过先进信道编码与高效调制相结合，对现有模拟短波电台进行兼容性改造

14、， 成功 实现了数据流的高速传输，既延长了现有设备的使用寿命，又节约了开支。具体 技术特色如下：1）编码的正交频分复用体制正交频分复用（OFDM）是一种特殊的多载波传输方式，将其与高阶正交调 幅（M-QAM）结合，频谱利用率高，能有效抑制和消除符号间干扰，具有良好 的频率分集效果，能抗严重多径衰落和强窄带干扰，与先进的信道编码方案相结合构成COFDM体制，可进一步提高系统的短波传输性能。美国第三代军用标准MlL-STD-188-141B和 MIL-STD-188-110B均采用了 OFDM技术。2）高性能的信道编码方案采用码率兼容删除卷积（RCPC码和先进的低密度奇偶校验（LDPC码。RCPC

15、 编码方式可根据业务不同灵活地改变编码率， 在恶劣信道环境下可保证低传码率 无差错传输，在良好信道环境中可以用高传码率传输数据。LDPC码被公认为是一种最接近香农极限的信道编码技术， 具有比 Turbo 码更快的译码速度和更低的 复杂度，经过改进后的LDPC信道编码方案更适合短波通信。3）有针对性的分级保护技术本系统对数据采用了不等差错保护（UEP，对不同的业务类型、不同重要 级别的数据进行力度不等的差错保护。 在保证数据可靠性的前提下， 充分提高了 数据传输码率。4）灵活的虚拟无线电实现采用软件无线电思想，通过软件编程完成信息采样、量化、语音编/ 解码、数据复用 /分接、调制 /解调等全部处

16、理过程，使得系统的参数设置、体制升级、 业务更新等更加方便。 具体实现则基于虚拟无线电技术， 海船只需利用普通电脑（台式机、笔记本、工控机、上网本均可）即可与现有SSB电台的音频口对接，无需任何改动。 全部软件化的处理也使得电台的私密性更高、 操作性更灵活， 也 有利于信息安全。5）自带CODEC适用范围宽传输带宽可在300Hz-10kHz任意，可直接适配于从中/短波到卫星的各种信 道的模拟音频口，自带多种标准的音频CODEC（我们同时实现了 ITU-T G.723.1G.722.2、G.729、MPEG-4 AAC及美军标2.4kbps等），支持语音、图像、短信等 多媒体混合数据格式。6）操

17、作简单，使用方便界面采用人性化设计， 系统参数设置直观明了、 操作简洁方便， 为用户提供 了一个直观、良好的操作环境。 系统接收端采用自适应算法， 对输入信号实时监 测、自动判别、快速解码，自动完成对传输模式、频率等参数的捕获、解码，无 需操作者预置系统参数。 总之，只要会用计算机并熟悉电台的基本操作即可使用 本软件 MODEM。7）软件模块化实现各个核心处理模块之间都有统一的数据输入输出接口，使得不同模块之 间相互独立，这样可以方便地对算法进行更新和替换，也有利于整个系统的调试 和验证。通过比较核心算法，优化整个系统的设计，也可以为新一代通信电台和 硬件MODEM的实现创造条件。利用软件对发

18、射、接收信号进行各种处理，根据需要灵活地改变软件参 数，使得信号处理也能像数据处理一样，具有软件处理的灵活性和多样性。可利用PC丰富的资源提供更多的数据和信息服务，已实现发送文本、图 像及音频业务，可以根据用户实际需要，增加更多新业务，成为真正的多功能、 多媒体通信终端。系统设计时考虑到可移植性，不局限于一种操作系统，选用了 Qt与C+ 相结合编程，具有强大的跨平台特性和良好的可移植特性。3.3技术指标通过软件试验仿真、硬件信道模拟器测试及外场短波通信试验，我们获得软 件高速调制解调器的性能指标参数，与现有产品相比，无论在编码、调制方式， 还是在传输速率，误码性能方面都有着巨大的优势。表1为本

19、产品与现有产品性 能指标对比。可见，本项目产品在即使2径衰落信道下的传输性能，仍然超过了 现有产品在加性高斯白噪声（AWGN）信道下的指标。表1产品性能指标对比表现有产品本产品数据速率75bps，150bps，300bps，600bps， 1200bps， 2400bps840bps， 2540bps， 3420kbps， 5440bps，6580bps， 7220bps， 8800bps， 9320bps，11.3 kbps信道带宽300-3000HZ300-3000HZ交织方式不详长交织模式：2s短交织模式：400ms无交织模式纠错方式混合纠错方式：前向纠错编码 与选择重传系统相结合码率兼

20、容删除卷积码（RCPC 低密度奇偶校验码（LDPC调制方式4TD PSK调制4QAM，8PSK 16QAM，64QAM频偏校正能 力校正范围： 90Hz跟踪速率：3.5HZ/S校正范围： 100Hz跟踪速率：4HZ/S传输性能数据速率SNRPe600bps6dBw 10-41200bps8dBw 10-42400bps9dBw 10-4备注：此数据测得条件为:AWGN信道数据速率SNR信道编码Pe840bps3dBRCPCw 10-62540bps10dBRCPCw 10-5LDPC3.42 kbps14dBRCPCw 10-611dBLDPCw 10-65.44 kbps16dBRCPCw

21、10-514dBLDPC6.58 kbps18dBRCPCw 10-516dBLDPC7.22 kbps20dBRCPCw 10-517dBLDPC8.80 kbps23dBRCPCw 10-520dBLDPC9.32 kbps25dBRCPCw 10-523dBLDPC11.3028dBRCPCw 10-5kb ps25dBLDPC备注：此数据测得条件为：2径衰落 信道，时延1ms，衰落带宽 1Hz4应用前景可以作为核随着电子技术、通信信号处理、特别是超大规模集成电路（ VLS）工艺的 进步，使得数字信号处理器（DSP、现场可编程门阵列（FPGA 与芯片系统（SoC 的发展异常迅猛。本项目的

22、基带信号处理算法模块已相对成熟稳定， 心模块移植到DSP或 FPGA上，做成硬件MODEM，应用更加方便。随着嵌入式应用的发展，先进的精简指令集处理器（ARM）因其高性能、低功耗、低成本而成为移动通信、便携设备、消费与图像应用等嵌入式产品的首 选，占据了 90%手机处理器的市场份额。ARM最新的Cortex A9 500MHz芯片可 以匹敌上网本所用的In tel Atom 1.6GHz的CPU,完全可以满足短波 MODEM和话 音CODEC（编解码器）的运算要求。由于 Qt具有强大的跨平台特性，只要对项 目稍作改动，进行再编译，就可以移植到嵌入式操作系统如Win dows CE中。如果将本项

23、目软件移植到手持设备如 PDA （个人数字助理）中，将极大提高系统的 移动性和便携性。使得出海船舶现有的民用短波电台可直接传输用于远程指挥、调度、联络 和监控的各种数字信息， 并与各种船舶电子设备相连， 实现“海上船舶远程指挥 /调度/监控系统”，以及对海上船舶提供各种信息服务系统，产品附加值较高。 因为是基于PC平台实现的远程数据传输，故进而还可与各种船舶电子设备相连， 即通过扩充硬件和软件接口，逐步与 GPS船用速度计程仪、测深仪、航行数据 记录仪、船用液位计、船用温度计 / 压力计、鱼群探测仪、导航雷达等设备相连 直至有机集成，实现从远程数据采集 / 渔船监测系统，直到各种功能、级别和区

24、 域范围的海上船舶远程指挥 /调度/监控系统。例如，将机舱报警监视、火灾探测 报警、海事纠纷、海盗海难等信息传回岸上的基地台或其它船舶电台。总之，本产品将为出海船只的信息服务、 跟踪定位、 远程测控和多媒体显示提供了良好的开端和广阔的市场空间，因而具有重要的应用前景和推广价值。5 指挥调度系统实施方案5.1 系统构成系统构成如图 3 所示。亠监控 指令监控中心务器記主船主当前恤jg更新I（jPS 定位 监控导前应置麦历曲迹志耳也业丼幣卑/5.2主要功能定时刷新船只位置信息，生成船只的航线路线信息;定时查看船只的监控录像信息;为船只提供紧急呼叫功能;向船只下达文字指令。5.3船载设备清单GPS定位模块（定制）1 个;海康卫视防爆半球摄像头（型