0 引　言

随着目前无人机行业的发展成熟，其巨大的应用优势以及市场带动了整个无人载器领域的高速发展，也极大地推动了无人平台自动化、智能化的演进速度。无人船作为一种水域的无人运载器，能适应多种水域环境，且随着智能化发展趋势，在水域环境监测、水域探索和水域巡逻等领域具有巨大的应用前景。

北斗系统是我国自主研发的卫星导航定位系统，目前北斗系统已经进入到北斗三号服务阶段，服务范围扩展到全球领域。相比传统的GPS、GLONASS等卫星导航定位系统，北斗系统不仅具备优秀的全球导航定位能力，而且因其独创性提供了全球区域内短报文通信服务功能，在为用户提供准确定位的同时，也解决了用户在无法利用普通通信的区域数据传输难以实现的难题。

本文基于北斗卫星导航系统、4G通信和电子海图技术，设计开发无人船用通信导航系统，通过北斗模块实现北斗定位以及北斗通信，同时通过北斗通信＋4G公网传输的模式实现无人船数据通信功能，并且基于电子海图技术为无人船提供安全的自主航迹规划途径和导航手段，构建自主、高效、安全的无人船工作模式。

1 系统组成及工作原理

无人船通信导航系统由岸基中心和船载通导分系统2个部分组成，通过北斗通信＋4G公用网络形成一个完整的无人船通信导航系统，其组成框图如图1所示。

岸基中心主要由数据处理中心和通信单元组成；船载通导分系统由通信单元、数据采集处理单元、操控单元、海图航迹规划单元、水质检测单元组成。无人船在进行水域作业时，岸基中心将相应的航路点信息传输至船载通导分系统，分系统在海图航迹规划单元的支持下开始自动规划航路，通过数据采集处理单元将数据传输至操控单元，并在相应航路点通过水质监测单元完成水质信息采样，同时监测结果经通讯链路回传至岸基中心，从而自动完成整个水质监测的过程。

无人船通信导航系统数据传输链路包含北斗通信链路和4G移动通讯链路，当无人船在沿海公网覆盖范围内作业时，可采用北斗通信、4G移动通信网络、北斗通信＋4G移动通信网络这3种方式来实现岸基中心与船载通导分系统之间的数据传输，当无人船位于公网无法覆盖的远海区域时，可采用北斗通信链路来实现数据传输^[1]。

2 北斗+4G通信单元设计

北斗+4G通信单元为岸/船之间进行互相通信的纽带，是无人艇通信导航系统的重要组成部分之一。北斗+4G通信单元由北斗模块、4G通信模块和ARM核心板组成，北斗模块为系统提供北斗通信手段和实时位置信息；4G通信模块在公用网络覆盖范围内提供4G通信手段；ARM核心板用于处理定位及通信数据。北斗+4G通信单元原理框图如图2所示。

2.1 北斗模块设计

北斗模块由RNSS处理板和RDSS处理板组成。RNSS处理板接收北斗定位频点信号，经信号的捕获、跟踪、解扩、解调息处理后，完成星历信息的收集和位置、时间、速度的解算，作为无人船航行的空间基准。

RDSS处理板接收RDSS出站信号，并可以发射L频点入站信号，实现北斗通信。RDSS处理板根据ARM核心板的控制指令，通过北斗通信链路实现航路点以及数据的传输^[2]。

2.2 4G通信模块设计

4G通信模块采用市面上成熟的SIM7600CE通信模块进行设计，SIM7600CE是一款支持LTE CAT4，且上行最大速率为50 Mb/s，下行最大速率为150 Mb/s的通信模块，其强大的数据传输能力可在公用网络覆盖范围内实现数据的快速、准确、可靠传输^[3]。

3 海图航迹规划设计

海图航迹规划单元在接收到航路点信息后，可通过电子海图技术，自主的规划出安全可靠的航行路线，为无人船的智能航行提供支撑。利用电子海图技术进行航线规划需要完成指定航路点坐标、进行航行区规划、提取航行区海图数据、进行航行区域环境重构、完成航路自主规划等工作^[4]。

3.1 区域规划

区域规划是海图航迹规划单元需完成的任务，是无人船在进行自主航路规划时的先遣工作。航图航迹规划单元需要根据实际的航路点信息，计算出相应位置的边界值，并选取包含所有航路点信息的最小范围作为无人船的作业区域，然后依据所选取的区域选择相应核实的海图进行自主航路规划，在保证自主航行切实可行的基础上，最大限度节约系统资源，优化系统工作效率。

3.2 区域海图数据提取

对于所规划的区域，务必做到包含所有采样点，且在此基础上需要尽可能多的获取相应有价值且准确的环境信息，能够更加全面且真实的反应规划区域内航行环境。

电子海图技术目前已经非常成熟，各类海洋环境要素覆盖十分全面，本项目用于无人船通导系统设计的电子海图在显示要素方面也尽可能做到了详尽，主要包含例如比例尺、水深、障碍物、海流、警告、群岛、海道、界线、孤立危险物、水下管线等要素，区域海图数据提取主要是把区域内的某些特定要素标定为具有详细位置信息的点状值，并根据属性划分进行标识确定。

3.3 区域环境重构

区域内提取的水深、航行障碍物等海图数据分布不规则，且较为稀疏，无法满足航路规划要求，故需要对区域进行环境建模并对航路规划区域进行插值，构建航路规划条件。

本文采用三角剖分的方式线性拟合区域环境，并采用自然临域插值进行区域加密^[5]。该方法具有局部特征自适应特性，可满足任意范围和区域的网格加密。

使用Delaunay三角构网法，将所有提取和插值得到的碍航属性点进行三角剖分，构成三角网代替规则的栅格模型，以提高后续航线自主规划中寻路节点的效率。

3.4 航线自主规划

航线自主规划在区域环境重构后进行，主要是完成寻路动作，依据最短航程、最短航行时间、安全等级、气候环境等要素自动建立最合适的航行路线。

结合无人船的使用特点，本系统在进行航线自主规划时采取改进的A*算法进行寻路，且优先考虑安全和航程。

3.4.1 改进A*算法

改进A*算法的代价评估函数如下：

$ F(n) = G(n) + H(n) + \lambda {n_a}。$

(1)

式中：F(n)为起点到终点的预估代价值；H(n)为启发函数，选择当前点到目标点的欧式距离；G(n)为起点到当前点的实际代价；λn_a为评估函数的惩罚因子，n_a为寻路时转向点个数，λ为惩罚因子，当转向节点个数增多时，评估函数惩罚力度增大，惩罚因子λ为经验常数，本系统设置为25。

3.4.2 航线自主搜索算法

航线自主搜索过程中主要使用open表和closed表，以实现节点的扩展和最优节点的选取。open表用于保存扩展节点，并将这些节点按代价值大小排序；closed表中用于保存open表中代价值最小的扩展节点，closed表中所有代价值最小的节点构成最优路径。

搜索算法具体如下：

步骤1　重置open表和closed表，将起始点放入open表中；

步骤2　判断open表是否为空，若为空则算法搜索失败，结束搜索；

步骤3　在open表中选择出代价最小的节点移入closed表，作为当前节点；

步骤4　判断当前节点是否为目标点，如果是目标点则搜索结束，从closed表中的目标点回溯至起始点，得到的起始点与目标点之间的最小代价路径；

步骤5　对当前节点方向上满足约束要求的n+1个节点进行扩展选择，若节点还未在2个表中，则将其添加进open表中，其父节点指针指向当前节点；若已存在open表中，则将其当前的代价值与其在open表中的原代价值进行比较，若小于原代价值，则将其当前信息跟新open表，父节点指向当前节点，否则不更新；

步骤6　转至步骤3。

4 航行试验 4.1 3种通信模式下的自主航行验证对比试验

为了充分验证无人船3种通信方式的可靠性，确保其自主航行的智能化和自动化水平，开展无人船航行验证试验，试验区域如图3所示，并选取图中的A、B、C、D、E等5个位置作为试验的主要监测点，5个监测点分别按照监测点A→监测点B→监测点C→监测点D→监测点E的顺序形成一条无人船的预计航线。

岸基中心分别采用北斗通信、4G通信和北斗+4G混合通信3种方式，将5个主要监测点的位置坐标传输至船载通导分系统，无人船通导分系统对所选取的5个监测点进行位置标定，同时通过位置解析完成自主航线规划以及相应的工作。监测点所在具体位置如表1所示。

4.2 障碍区智能避障验证试验

障碍区智能避障验证试验选取图5海域中的A、B、C等3个监测点作为必经航路点，其中监测点A和监测点B之间、监测点B和监测点C之间均设置一个障碍物，3个监测点分别按照监测点A→监测点B→监测点C的顺序形成一条无人船的预计航线。

岸基中心采用北斗通信+4G网络混合通信的方式将3个主要智能避障监测点的位置坐标传输至船载通导分系统，无人船通导分系统对所选取的3个智能避障监测点进行位置标定，同时通过位置解析完成自主航线规划以及相应的智能避障工作。监测点所在具体位置如表3所示。

图6所示是无人船实际智能避障航行线路，利用电子海图标记功能在监测点A、B间和监测点B、C间分别标注障碍区。可以看出，无人船实际航线完美避开了2个障碍物，说明无人船可通过通导系统以及电子海图技术安全避开自主水质监测航路上的障碍区，具备可靠的智能航行能力，能够实现安全可靠的自主水质监测任务。

图4所示为无人船实际自主航行线路，可看出，无人船实际航线与预计航线高度吻合，因此可以说明无人船已具备高水平的自主航行能力，同时通过北斗通信通信、4G网络通信、北斗通信＋4G网络通信3种通信方式均能实现数据传输，且从图中可看出3种数据传输方式所带来的航迹几乎重合，可以判定基于以上3种通信模式的无人船通导系统已具备准确可靠的数据传输能力。

为了充分验证无人船通导系统北斗定位能力，采集北斗通信＋4G网络通信传输模式下实际到达的5个监测点具体位置如表2所示，对比5个设定监测点和5个实际监测点经纬度坐标值可看出，无人船通导系统北斗定位精度均在10 m以内，满足系统设计需求。

5 结　语

通过实船航行监测试验，验证了无人船通信导航系统通过北斗通信通信、4G网络通信、北斗通信＋4G网络通信等3种通信方式均能实现数据传输功能，拥有3种通信模式的无人船通导系统已具备准确可靠的数据传输能力；同时基于电子海图技术的航线规划功能，不仅可以自主规划航线，还可以安全避开自主水质监测航路上的障碍区，做到智能避障。

以上试验充分验证了无人船通信导航系统数据通信的有效性和航路自主规划的安全可靠性，无人船已具备可靠的自主、智能航行能力，搭载该系统的无人水质监测船能够实现安全可靠的自主水质监测任务，该系统具有较强的可行性和实用性。