船舶在海域中航行，面临着复杂的海洋环境和多变的航行条件，确保船舶的安全航行成为一项极具挑战性的任务^[1]。航标系统作为海上交通安全保障体系的关键组成部分，其有效监控和管理对于维护海上交通秩序、预防海难事故、保护海洋环境具有不可替代的作用。

传统方式依赖于人工巡检和维护，效率低下且难以及时应对突发状况。因此，探索并运用新技术，提升航标系统的智能化和自动化水平^[2]，成为解决这一问题的关键途径。船舶通信航标遥测遥控系统正是在这一背景下应运而生，并逐渐成为海事管理部门关注的焦点。例如，曾红兵等^[3]利用双边闭环函数对系统状态进行精确描述和调控，采用比例-积分-微分（PID）控制，以确保系统在不同工况下均能保持良好的控制性能。由于环境多变，PID参数的调整较为困难，会影响其应用效果。杨启航等^[4]，首先介绍基于确定与随机Petri网（DSPN）算法的基本概念和特性；随后，阐述如何基于DSPN构建控制系统的模型，包括系统状态的表示、事件的定义、以及变迁的触发条件和规则。通过DSPN模型，能够直观地展示控制系统的工作流程，并定量地分析系统的性能指标，如响应时间、吞吐量、稳定性等。虽然DSPN模型可以模拟信号传输过程，但它并不直接提供通信协议和接口，将该系统应用在航标遥测遥控领域，无法实现航标之间的信息交互和远程控制。薛培等^[5]利用FPGA的并行处理能力和硬件加速特性，实现对控制算法的高效执行和实时响应，满足现代控制系统对高精度、高可靠性和快速响应的严格要求。通过采用高级硬件描述语言进行编程，将复杂的控制逻辑直接映射到FPGA的硬件资源上，实现控制算法的硬件加速。FPGA虽然提供丰富的逻辑资源和外设接口，但其资源仍有限。在航标遥测遥控系统中，如果控制算法过于复杂或需要处理大量数据，则会超出FPGA的资源限制，导致性能下降或无法正常工作。

北斗系统和GPS系统均具备全球覆盖能力，能够提供高精度的三维位置和速度信息^[6]。为此设计基于北斗/GPS双模的船舶通信航标遥测遥控系统，不仅可以提高航标系统的管理效率，也为船舶的安全航行提供更加精准、及时的导航信息和服务。

船舶通信航标遥测遥控系统包含船舶通信航标终端和终端管理中心。船舶通信航标终端利用北斗/GPS双模定位模块实时获取航标的位置信息，采用温湿度传感器，采集航标附近环境信息，并通过北斗通信卡将这些信息传输到终端管理中心。终端管理中心根据接收到的信息，实时更新显示船舶通信航标的相关信息，了解船舶所在区域的海况和航标状态，评估船舶的航行环境和安全风险，终端管理中心还负责向船舶通信航标终端发送控制指令，以确保船舶的航行安全和效率。船舶通信航标终端的结构如图1所示。

图 1 船舶通信航标终端的结构图 Fig. 1 Structure diagram of ship communication beacon terminal

船舶通信航标终端利用北斗/GPS双模定位模块，实时获取准备、可靠的航标位置信息，解决单一导航系统在复杂海况下可能出现的信号不稳定问题，提升信息传输的安全性和抗干扰能力。北斗/GPS双模定位模块，实时获取准备、可靠的航标位置信息，航标位置求解流程如图2所示。

图 2 航标位置求解流程 Fig. 2 Process of solving the position of beacon

航标位置求解步骤如下：

步骤1　获取北斗/GPS基准站接收的观测数据，包括卫星信号的时间、频率等关键信息。

步骤2　获取卫星在太空中的位置和速度数据。

步骤3　通过结合基准站观测数据和卫星星历数据，计算出卫星的精确坐标。

步骤4　构建双差观测方程组。

步骤5　利用最小二乘法，求解双差观测方程组，得到初始的航标定位结果。

步骤6　整周模糊度解算，得出最终的航标定位结果。

GPS双差观测模型为：

式中：$ \Delta \nabla $为双差符号；$ \gamma _{L1}^{} $为GPSL1C的载波波长；$ \varphi _{12}^{G12},\varphi _{12}^{G13}, \cdots ,\varphi _{12}^{G1M} $为GPS卫星的载波相位观测量；$ S_{12}^{G12}, S_{12}^{G13}, \cdots ,S_{12}^{G1M} $为载波整周模糊度；$ M $为GPS卫星数量；$ \left( {{\beta _x},{\beta _y},{\beta _z}} \right) $为主、从天线形成的基线矢量；$ \left( {\alpha _0^{Gi},\beta _0^{Gi}, \varepsilon _0^{Gi}} \right) $为$ \left( {{\beta _x}, {\beta _y},{\beta _z}} \right) $和GPS卫星$ i $方向上的单位矢量。

北斗双差观测模型为：

式中：$ \gamma _{B1}^{} $为北斗B1频点的载波波长；$ \varphi _{12}^{B12}, \varphi _{12}^{B13}, \cdots ,\varphi _{12}^{B1\eta } $为北斗卫星的载波相位观测量；$ S_{12}^{B12}, S_{12}^{B13}, \cdots ,S_{12}^{B1\eta } $为载波整周模糊度；$ \eta $为北斗卫星数量；$ \left( {\alpha _0^{Bi},\beta _0^{Bi},\varepsilon _0^{Bi}} \right) $为$ \left( {{\beta _x},{\beta _y}, {\beta _z}} \right) $和北斗卫星$ i $方向上的单位矢量。

结合式（1）和式（2），建立北斗/GPS双模的双差观测模型，便可获取船舶通信航标坐标，完成航标定位。

终端管理中心通过解析北斗短报文，获取船舶通信航标终端发送的航标相关信息后，负责为用户实时显示航标终端的相关信息，了解船舶所在区域的海况和航标状态。终端管理中心的软件实现流程如图3所示。

图 3 终端管理中心的软件实现流程 Fig. 3 Software implementation flow of terminal management center

以某区域的船舶通信航标为实验对象，该区域内共包含7个船舶通信航标，利用本文系统对该区域的船舶通信航标进行遥测遥控，确保船舶通信航标的正常运行和航道的安全。利用本文系统采集该区域船舶通信航标一天的温湿度信息，以编号为1的船舶通信航标为例，其温湿度信息采集结果如图4所示。从图4(a)中可以看出，本文系统可有效利用温湿度传感器，实时采集船舶通信航标的温度信息，从采集结果中了解到，该船舶通信航标一天内温度变化区间大概在23～30°C之间。从图4(b)中可以看出，本文系统可有效利用温湿度传感器，实时采集船舶通信航标的湿度信息，从采集结果中了解到，该船舶通信航标一天内湿度变化区间大概在70～85%之间。

图 4 船舶通信航标温湿度信息采集结果 Fig. 4 Results of temperature and humidity information collection of ship communication beacon

利用本文系统对该区域内的船舶通信航标进行定位，定位结果如图5所示。可知，本文系统可有效利用北斗/GPS双模定位模块，完成船舶通信航标定位，且本文系统得到的定位结果与实际位置非常接近，说明北斗/GPS双模技术，可有效解决船舶在复杂海况下信号不稳定的问题，提升船舶通信航标定位精度。

图 5 船舶通信航标定位结果 Fig. 5 Positioning result of ship communication beacon

利用本文系统对该区域的船舶通信航标进行遥测遥控，并向编号为1的船舶通信航标发送亮绿灯指令，并向编号为2的船舶通信航标发送亮红灯指令，船舶通信航标遥测遥控结果如图6所示。可知，本文系统可有效向1号与2号船舶通信航标发送亮绿灯与亮红灯的控制指令，并呈现航标终端的相关信息，以及航标灯接收控制指令后所呈现的状态，实现船舶通信航标遥测遥控，确保船舶安全航行。

图 6 船舶通信航标遥测遥控结果 Fig. 6 Ship communication beacon telemetry and remote control results

为船舶航行安全和航标管理提供了更为全面和高效的技术解决方案，设计基于北斗/GPS双模的船舶通信航标遥测遥控系统。北斗系统具有中国本土的区域导航优势，而GPS系统则是全球覆盖的全天候定位系统。通过双模融合，系统能够利用更多的卫星信号进行定位，提高定位的精度和可靠性。在复杂水域中，这对于保障船舶航行安全、减少事故损失具有重要意义。