0 引　言

通常，船舶监控系统必要的功能包括数据采集、网络通信、数据处理和存储、报警功能等，随着控制技术和网络技术的不断进步，船舶监控系统也具有更强大的功能^[1]。

本文介绍一种基于CDMA网络通信技术的船舶在线式监控系统内的开发，分别从CDMA网络通信技术的机理、监控系统的基本构成、硬件设备等方面进行了研究，实际应用价值较高。

1 CDMA网络在船舶终端定位的应用 1.1 CDMA网络通信技术

CDMA码分多址通信是一种利用码序列相关性进行多址通信的技术，其核心内容是利用地址码序列的差异性，得到不同的地址信息，用户从某一个位置发送载波信号时，信号的调制过程不仅要经过数字信号调制，还需要经过地址码的调制。信号接收时，只有特定地址码的CDMA终端才能接收特定的信号，其他终端无法实现信号的解调^[2]。

CDMA通信具有以下特性：

1）网络数据传输性能广，支持语音信号、电路数据等多类型数据的快速传输。

2）具有复合业务，包括通信、多媒体服务、定位业务等。

3）可实现现有通信系统的平顺切换，具备IS-95通信系统的基础功能。

图1为CDMA通信网络的原理图。

可知，在CDMA通信网络中，终端通过CDMA信道与内部服务器和数据中心进行连接，在CDMA 2 000通信网络中具有2种工作方式，分别是单信道的1.25 MHz的载波传输和三信道的0.75 MHz载波传输。

1.2 TOA和TDOA定位技术的研究

在CDMA通信网络中，实现移动终端准确定位的方法包括TOA和TDOA等多种^[3]，在建立基于CDMA通信网络的船舶监控系统时，不仅利用了CDMA网络的数据传输功能，还充分利用了CDMA的移动终端定位功能。

TOA和TDOA终端定位技术分别如下：

1）TOA定位

在TOA定位技术中，通过测量移动终端发出信号的时间，结合载波信号的传输速率就可以得到目标终端与基站之间的距离，示意图如图2所示：

TOA定位技术中，终端与基站i之间的距离为：

$ R = c \times {t_i} \text{。} $

式中： $c$ 为光速， $ {t_i} $ 为信号传输的时间。

已知示意图中3个基站的位置分别为 $ \left( {{x_1},{y_1}} \right) $ ， $ \left( {{x_2},{y_2}} \right) $ ， $ \left( {{x_3},{y_3}} \right) $ ，移动终端到达3个基站所用的时间分别为 $ {t_1} $ ， $ {t_2} $ ， $ {t_3} $ ，可得：

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{R_1} = \sqrt {{{\left( {x - {x_1}} \right)}^2} + {{\left( {y - {y_1}} \right)}^2}} }，\\ {{R_2} = \sqrt {{{\left( {x - {x_2}} \right)}^2} + {{\left( {y - {y_2}} \right)}^2}} } \\ {{R_3} = \sqrt {{{\left( {x - {x_3}} \right)}^2} + {{\left( {y - {y_3}} \right)}^2}}} 。\end{array}} \right. $

式中： ${R_1}$ ， $ {R_2} $ ， $ {R_3} $ 分别为基站的覆盖范围，解该方程组即可得到目标终端的位置坐标 $ \left( {{x_{}},y} \right) $ 。

2）TDOA定位

当已知2个基站之间的距离时，可通过TDOA定位方式获取移动终端的位置，示意图如图3所示。

此时，移动终端位于以基站为焦点的双曲线上，图中，主基站与副基站A/B之间的距离分别为 $ {R_{21}} $ 、 $ {R_{31}} $ ，3个基站的位置分别为 $ \left( {{x_1},{y_1}} \right) $ ， $ \left( {{x_2},{y_2}} \right) $ ， $ \left( {{x_3},{y_3}} \right) $ ，解方程组如下：

$\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{R_{21}} = \sqrt {{{\left( {x - {x_2}} \right)}^2} + {{\left( {y - {y_2}} \right)}^2}} - \sqrt {{{\left( {x - {x_1}} \right)}^2} + \left( {y - {y_1}} \right)} } ，\\ {{R_{31}} = \sqrt {{{\left( {x - {x_3}} \right)}^2} + {{\left( {y - {y_3}} \right)}^2}} - \sqrt {{{\left( {x - {x_1}} \right)}^2} + \left( {y - {y_1}} \right)} } 。\end{array}} \right.$

可以得到移动终端的位置 $ \left( {{x_{}},y} \right) $ 。

1.3 基于CDMA通信链路的船舶终端定位技术

在设计船舶在线式监控系统时，采用的终端定位方式为TDOA定位方式，在进行终端定位时，与船舶目标相临近的基站分别发送定位信号，信号的路径不同，在传输过程中产生的时延也各不相同，因此，必须要对CDMA中的定位信号进行处理。

首先建立CDMA基站的基带信号^[4]为：

$ y(t) = \sum\limits_{i = - M}^M {\sum\limits_{k = 1}^K {\sum\limits_{l = 1}^L {{a_k}} } } {r_M}(t){b_k}[i]{S_k}\left( t \right){T_h} - {\tau _k} + \sigma n(t) \text{，} $

其中， $ {a_k} $ 为第k个基站传输信号的时延， $ {\tau _k} $ 为第k条路径信号产生的时延， $ {r_M}(t) $ 为符合瑞利分布的函数， $ {b_k}[i] $ 为第k个CDMA基站在i个时间发送的信号， $ n(t) $ 高斯白噪声， $ \sigma $ 为噪声的标准差， $ {S_k}\left( t \right) $ 为第k个基站的载波信号波形，用下式表示：

$ {S_k}(t) = \sum\limits_{i = 1}^N {{{( - 1)}^t}} {P_{{T_i}}}\left[ {t - (i - 1){T_\tau }} \right] \text{，} $

其中， $ {P_{{T_i}}} $ 为基本波形， $ {T_\tau } $ 为比特长度。

在实际使用时，对基站载波信号进行简化，对信号的局部峰值进行平均处理，并利用导频信号进行卷积，可到简化后的基带信号为：

$ y(t) = \sum\limits_{i = - M}^M {\sum\limits_{k = 1}^K {\sum\limits_{l = 1}^L {{a_k}} } } {S_k}\left( t \right) + \sigma n(t) 。$

2 基于CDMA网络的船舶在线式监控系统开发 2.1 体系结构

船舶在线式监控系统的体系结构是设计的基础和前提，采用的体系结构为B/S结构^[5]，即浏览器与服务器结构，其基本构成如图4所示。

在该体系结构中，监控系统可以分为客户端浏览器模块和远程服务器，其中，客户端浏览器集成了数据查询、报警、数据采集等功能，远程服务器集成了CDMA基站、系统管理和数据库功能。

船舶在线式监控系统针对船舶的设备参数，可以实现以下功能：

1）参数采集

参数采集功能主要由在线式监控系统的船舶终端完成，由于船舶的自动化水平非常高，搭载的机电设备种类多样，必须要对机电设备的工作电压、电机转速、工作温度等参数进行采集^[6]。船舶监控终端采集的运行参数通过客户端浏览器和CDMA网络发送至远程控制中心。

2）参数降噪和处理

在线式监控系统采集的设备运行参数信号中主要存在2种噪声信号，一种是传感器在采集设备参数时产生的噪声信号；另一种是CDMA网络在进行数据传输时，受CDMA载波信号和外界气象干扰时产生的噪声信号。监控系统首先进行信号的降噪处理，然后利用软件程序进行数据的比较、放大、运算，最终解析出船载设备的运行状态。

3）参数显示和预警

经过处理后的船舶设备运行参数可以显示在控制中心的显示器上，以备工作人员随时查验。当采集的参数出现异常时，还会触发报警程序，采用声光等传感器发出警报。

2.2 整体设计

船舶在线式监控系统不仅需要实现现场数据的精确采集功能，还要将数据通过CDMA通信网络发送至船舶监控系统的远程控制中心。

本文设计的船舶在线式监控系统原理图如图5所示。

可知，在线式船舶监控系统可以分为管理层、现场层和网络层3个层次结构。

1）网络层

网络层包含CDMA基站、信号接收、数据库等，本文使用的CDMA系统基本参数如表1所示。

2）管理层

管理层位于船舶监控系统的远端，是进行船舶监控系统整体控制的关键，管理层采用的控制策略为PLC控制，同时配合现场总线进行硬件设备之间的数据传输。

3）现场层

现场层是指位于船舶远程终端的模块，为了确保系统数据采集的效果，现场层配置了功能良好的传感器、滤波器等硬件设备。

2.3 关键部件设计

1）滤波器

在线式监控系统采集的数据中含有大量的噪声信号，以高斯噪声和机械噪声为主，因此，为了提高监控系统的参数采集精度，系统采用一种截止频率为2 kHz的高斯滤波器，滤波器特性如图6所示。

高斯滤波器的函数模型可用下式表示：

$ F = 0.65\sqrt {\frac{{{C_{LPE}}}}{{{L_0}}}} \cdot {f_0} \cdot M \cdot {L_{LPE}} \text{，} $

式中，M为过滤器的主体频率值^[7]， $ {C_{LPE}} $ 为电容值， $ {L_{LPE}} $ 为电感值，分别用下式计算：

$ \begin{gathered} M = \frac{{{f_0}}}{{{f_1}}}{\text{ = }}\frac{{50}}{{0.5\text{π} }}{\text{ = }}3056.3 \hfill，\\ {L_{LPE}} = \frac{{{L_0}}}{M}{\text{ = }}0.0045\;{\text{Hz}} \hfill \\ {C_{LPE}} = \frac{{{C_0}}}{M}{\text{ = }}0.166 。\end{gathered} $

其中， $ {L_0} $ 为滤波器的初始电感， $ {C_0} $ 为滤波器的初始电容。

2）LPC2378微处理器

监控系统船舶终端的控制中心采用LPC2378微处理器，该处理器基于ARM7内核，具有充足的外设接口和强大的数据运算能力。

3 结　语

本文结合CDMA网络开发了船舶在线式监控系统，不仅能够利用CDMA网络的定位功能，还能通过CDMA通信提高信号传输的精度。详细介绍了体系结构设计、整体组成和关键部件设计等。