本發(fā)明涉及一種海上安全信息廣播系統(tǒng)及方法，尤其涉及一種海上中頻無線海圖更新系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

為了保證航行安全，需要及時有效地由岸上向航行的船舶提供有關(guān)海上航行的安全信息，海上安全信息(msi---maritimesafetyinformation)是指航行警告、氣象報告、氣象預(yù)報和有關(guān)航行安全的其它緊急安全信息。岸上有關(guān)部門將有關(guān)航行安全的重要信息通過navtex海岸電臺或者inmarsat，向主要海域的船舶播發(fā)。

現(xiàn)有的航行警告和航行通告主要是通過沿海各海岸電臺播發(fā)摩爾斯電報和navtex臺播發(fā)nbdp無線電電傳實現(xiàn)信息的發(fā)布，這兩種信息發(fā)布手段還存在著技術(shù)手段落后，時效性難于保障，覆蓋面小的缺點，船舶不能及時、全面、系統(tǒng)地了解航行海域的安全信息，對于船舶航行安全存在很大隱患，不適應(yīng)現(xiàn)代信息社會發(fā)展要求的需要。

比如傳統(tǒng)的海上船舶海圖更新需要光盤郵寄或在線下載刻盤郵寄，花費時間長，更新周期長，不能夠及時有效的更新海圖文件，海上船舶不能夠及時獲取發(fā)布的所需海圖改正更新文件，消息往往是滯后的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種海上中頻無線海圖更新系統(tǒng)及方法，能夠方便地傳輸海圖文件，并與船舶信息系統(tǒng)和設(shè)備無縫連接，播發(fā)效率高，覆蓋面廣。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而采用的技術(shù)方案是提供一種海上中頻無線海圖更新系統(tǒng)，包括播發(fā)控制終端：將所有的海圖播發(fā)文件發(fā)布到數(shù)據(jù)服務(wù)器，由數(shù)據(jù)服務(wù)器將需要發(fā)布的文件發(fā)送給岸基播發(fā)臺；岸基播發(fā)臺：接收來自數(shù)據(jù)服務(wù)器的海圖播發(fā)文件，將海圖播發(fā)文件轉(zhuǎn)換成ofdm信號，并通過中頻無線電信號向海圖接收終端廣播；海圖接收終端：通過天線和接收機將接收下來的信號，通過數(shù)據(jù)處理還原為正確的海圖更新文件；所述播發(fā)控制終端和岸基播發(fā)臺通過岸基網(wǎng)絡(luò)相連，所述岸基播發(fā)臺通過無線傳輸信道和海圖接收終端相連。

上述的海上中頻無線海圖更新系統(tǒng)，其中，所述播發(fā)控制終端還通過岸基網(wǎng)絡(luò)和遠程監(jiān)測接收機相連，所述遠程監(jiān)測接收機接收中頻無線電信號，并解調(diào)ofdm信號；監(jiān)測接收信號的質(zhì)量，并上報給播發(fā)控制終端。

上述的海上中頻無線海圖更新系統(tǒng)，其中，所述岸基播發(fā)臺監(jiān)測并向播發(fā)控制終端上報播發(fā)臺工作狀態(tài)，所述播發(fā)控制終端還包括：監(jiān)測岸基播發(fā)臺工作狀態(tài)，根據(jù)遠程監(jiān)測接收機的接收數(shù)據(jù)，監(jiān)測岸基播發(fā)臺的播發(fā)質(zhì)量，并控制岸基播發(fā)臺工作參數(shù)。

上述的海上中頻無線海圖更新系統(tǒng)，其中，所述播發(fā)臺工作狀態(tài)包括發(fā)射確認(rèn)、告警、有效發(fā)射功率和同步報告，所述播發(fā)臺工作參數(shù)包括發(fā)射功率、導(dǎo)頻子載波、子載波調(diào)制方式、糾錯編碼方式和發(fā)射序列。

上述的海上中頻無線海圖更新系統(tǒng)，其中，所述岸基播發(fā)臺包括第一控制器，所述第一控制器的時鐘端連接gnss接收機或原子鐘，所述第一控制器的輸入端連接監(jiān)測接收機，所述第一控制器的輸出端依次通過ofdm調(diào)制器、rf生成器、rf放大器和匹配單元后連接發(fā)射天線，所述第一控制器的網(wǎng)絡(luò)端連接岸基網(wǎng)絡(luò)。

上述的海上中頻無線海圖更新系統(tǒng)，其中，所述海圖接收終端包括第二控制器，所述第二控制器通過數(shù)據(jù)總線連接以太網(wǎng)接口和/或usb接口，所述第二控制器的輸入端和ofdm解調(diào)器相連，所述ofdm解調(diào)器通過射頻前端和中頻接收天線相連，所述射頻前端包含rf濾波器、rf放大器和基帶輸出，將來自天線的rf信號進行濾波、放大和變換,接收頻率范圍為495khz～505khz。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題還提供一種海上中頻無線海圖更新方法，其中，包括如下步驟：s1：將所有的海圖播發(fā)文件通過播發(fā)控制終端發(fā)布到數(shù)據(jù)服務(wù)器，由數(shù)據(jù)服務(wù)器將需要發(fā)布的文件發(fā)送給岸基播發(fā)臺；s2：岸基播發(fā)臺接收來自數(shù)據(jù)服務(wù)器的海圖播發(fā)文件，將海圖播發(fā)文件轉(zhuǎn)換成ofdm信號，并通過中頻無線電信號向海圖接收終端廣播；s3：海圖接收終端通過天線和接收機將接收下來的信號，通過數(shù)據(jù)處理還原為正確的海圖更新文件。

上述的海上中頻無線海圖更新方法，其中，所述海圖播發(fā)文件采用s-57格式的電子航海圖；所述步驟s1中播發(fā)控制終端根據(jù)航海通告中的海圖改正信息制作成enc改正文件，所述enc改正文件包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)en和/或更新數(shù)據(jù)er；所述步驟s3接收后發(fā)送至電子海圖顯示與信息系統(tǒng)進行確認(rèn)顯示。

上述的海上中頻無線海圖更新方法，其中，所述步驟s2中岸基播發(fā)臺采用495-505khz頻段發(fā)射無線電信號，信號調(diào)制過程如下：在ofdm上混合加入直接序列擴頻和跳頻擴頻，然后經(jīng)過捕獲、跟蹤和載波同步完成擴頻后的信號同步，對每個子載波進行qam調(diào)制，調(diào)制方式包括64-qam、16-qam和4-qam。

上述的海上中頻無線海圖更新方法，其中，所述子載波中插入有導(dǎo)頻信號序列，所述導(dǎo)頻信號序列采用奇偶交錯方式分布；所述步驟s3中海圖接收終端利用導(dǎo)頻信號進行信道估計獲得整個信道的響應(yīng)；在得到頻域數(shù)據(jù)后，先求取導(dǎo)頻位置處估計出的信道和實際信道之間的最小二乘估計結(jié)果，然后通過低通濾波內(nèi)插得到數(shù)據(jù)部分的信道估計結(jié)果，連同利用導(dǎo)頻估計的信噪比進行均衡，頻域均衡完的信息通過譯碼器進行軟譯碼，然后經(jīng)過重映射返回給均衡器，重復(fù)上述過程直到迭代完成。

本發(fā)明對比現(xiàn)有技術(shù)有如下的有益效果：本發(fā)明提供的海上中頻無線海圖更新系統(tǒng)及方法，能夠方便地傳輸海圖文件，并與船舶信息系統(tǒng)和設(shè)備無縫連接，播發(fā)效率高，覆蓋面廣。此外，本發(fā)明通過直接播發(fā)電子海圖改正信息，船上時時接收文件的方式來減少中間環(huán)節(jié),降低船員工作量，提高海圖改正的及時性和準(zhǔn)確性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明海上中頻無線海圖更新系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明海上中頻無線海圖更新系統(tǒng)的岸基播發(fā)臺電路方框示意圖；

圖3為本發(fā)明海上中頻無線海圖更新系統(tǒng)的海圖接收終端電路方框示意圖；

圖4為本發(fā)明使用的頻域擴頻ofdm信號示意圖；

圖5為本發(fā)明的奇偶交錯導(dǎo)頻單元分布示意圖；

圖6為本發(fā)明的信道估計示意圖；

圖7為本發(fā)明的迭代均衡處理流程示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的描述。

圖1為本發(fā)明海上中頻無線海圖更新系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖。

請參見圖1，本發(fā)明提供的海上中頻無線海圖更新系統(tǒng)，包括：

播發(fā)控制終端：將所有的海圖播發(fā)文件發(fā)布到數(shù)據(jù)服務(wù)器，由數(shù)據(jù)服務(wù)器將需要發(fā)布的文件發(fā)送給岸基播發(fā)臺；

岸基播發(fā)臺：接收來自數(shù)據(jù)服務(wù)器的海圖播發(fā)文件，將海圖播發(fā)文件轉(zhuǎn)換成ofdm信號，并通過中頻無線電信號向海圖接收終端廣播；

海圖接收終端：通過天線和接收機將接收下來的信號，通過數(shù)據(jù)處理還原為正確的海圖更新文件；

所述播發(fā)控制終端和岸基播發(fā)臺通過岸基網(wǎng)絡(luò)相連，所述岸基播發(fā)臺通過無線傳輸信道和海圖接收終端相連。

本發(fā)明的播發(fā)控制終端通過網(wǎng)絡(luò)與播發(fā)臺連接，可監(jiān)視播發(fā)臺的下列狀態(tài)：a)發(fā)射確認(rèn)；b)告警；c)有效發(fā)射功率；d)同步報告。播發(fā)控制終端還通過網(wǎng)絡(luò)與遠程監(jiān)測接收機連接，接收遠程接收機數(shù)據(jù)，監(jiān)測岸基播發(fā)臺的播發(fā)質(zhì)量。播發(fā)控制終端變更發(fā)射機的參數(shù)，如：a)發(fā)射功率；b)ofdm參數(shù)(導(dǎo)頻子載波、子載波調(diào)制方式、糾錯編碼方式等)；c)發(fā)射序列。

本發(fā)明的岸基網(wǎng)絡(luò)可采用寬帶連接、低速率連接或本地文件共享的方式。岸基播發(fā)臺(受訪問保護的本地服務(wù)器)組成如圖2所示，包括：a)一臺第一控制器，為受訪問保護的本地服務(wù)器；b)一臺ofdm調(diào)制器；c)一臺500khz頻段的rf生成器和放大器；d)一副帶匹配單元的發(fā)射天線；e)一臺用于同步的gnss接收機或原子鐘；f)一臺帶天線的監(jiān)測接收機。

本發(fā)明的岸基播發(fā)臺的第一控制器接收以下信息：a)來自sim的消息文件；b)來自gnss接收機或參考時鐘的時間同步信息；c)來自監(jiān)測接收機的500khz信號；d)來自調(diào)制器的500khz信號；e)來自rf生成器和放大器的監(jiān)測信號。

本發(fā)明的岸基播發(fā)臺的第一控制器的主要功能如下：a)在傳輸前檢查相關(guān)頻段是否空閑；b)將岸基播發(fā)臺的所有信號與同步時鐘信號同步；c)控制傳輸參數(shù)、時間和序列；d)按分組傳輸要求格式化需發(fā)射的消息文件。

本發(fā)明使用的調(diào)制器需要三種輸入流：

a)調(diào)制信息流(mis)，mis總是采用4-qam子載波調(diào)制，提供以下信息：1)頻譜占用；2)發(fā)射機信息流(tis)和數(shù)據(jù)流(ds)的調(diào)制方式(4-、16-或64-qam)。

b)發(fā)射機信息流(tis)，tis流可采用4-或16-qam子載波調(diào)制，向接收機提供以下信息：1)數(shù)據(jù)流(ds)的糾錯編碼方式(對于白天的地波傳播及夜間的地波+天波傳播情況，采用的糾錯編碼應(yīng)有所區(qū)別)；2)發(fā)射機的標(biāo)識；3)日期和時間。

c)數(shù)據(jù)流(ds)，包含要發(fā)送的信息文件，且該文件此前通過了文件多路復(fù)用器的格式化，調(diào)制器按數(shù)據(jù)流編碼格式對輸入數(shù)據(jù)流進行編碼。

為保障傳輸?shù)聂敯粜?，?yīng)采用糾錯機制?？紤]到傳輸效率，根據(jù)糾錯機制和調(diào)制模式的不同，碼率可在0.5～0.75間變化。mis、tis和ds等三種輸入流以編碼和能量擴散的形式進行格式化。ofdm映射器通過單元映射組建ofdm單元，包括格式化的輸入流和導(dǎo)頻單元。接收機可利用導(dǎo)頻單元評估無線電信道并同步rf信號。ofdm基帶生成器根據(jù)映射器的輸出產(chǎn)生ofdm基帶信號。

rf生成器：500khzrf生成器將基帶信號變換到500khz的輸出載波中，激勵放大器將rf信號放大至期望的功率。

rf放大器：將生成器輸出的500khz信號放大至必要功率，以滿足所需的無線電覆蓋要求。為滿足信息錯誤率(mer)要求，rf放大器輸出端的波峰因子應(yīng)控制在7db～10db。

帶匹配單元的發(fā)射天線：發(fā)射天線應(yīng)具有阻抗匹配單元，rf放大器輸出連接匹配單元，再連接至發(fā)射天線。

gnss接收機和備份原子鐘：該時鐘用于同步本地控制器。監(jiān)測接收機檢查相關(guān)頻率在發(fā)射前是否空閑，并可用于檢查rf發(fā)射。

請繼續(xù)參見圖3，本發(fā)明的海圖接收終端主要包括以下幾個基本部分：a)中頻接收天線；b)射頻前端；c)ofdm解調(diào)器；d)第二控制器；e)顯示單元；f)數(shù)據(jù)接口。各單元的主要功能及實現(xiàn)如下。

一、中頻接收天線

接收頻率范圍覆蓋495khz～505khz的電場或磁場的天線，宜覆蓋486khz、490khz和518khz，以便與navtex公用天線。大量研究表明，中頻415khz～526.5khz頻段的海面地波的傳輸場強衰減慢，傳播穩(wěn)定，天氣適應(yīng)性強，具有非常良好的水面?zhèn)鞑ヌ匦浴?/p>

二、射頻前端

射頻前端包含rf濾波器、rf放大器和基帶輸出，將來自天線的rf信號進行濾波、放大和變換，以滿足解調(diào)要求。具備高靈敏度和高動態(tài)范圍。

三、ofdm解調(diào)器：對ofdm信號進行解調(diào)，以恢復(fù)出ds、mis和tis的數(shù)據(jù)流，重新創(chuàng)建包含有已發(fā)送的消息文件的數(shù)據(jù)流。

此階段實施：a)時間/頻率同步；b)信道評估；c)自動調(diào)制恢復(fù)；d)糾錯。navdat(中頻海上數(shù)字廣播系統(tǒng))接收機應(yīng)能夠自動檢測以下調(diào)制參數(shù)：a)16-或64-qam；b)子載波方案；c)糾錯編碼的方式。除ds之外，它還負(fù)責(zé)上報tis和mis中填寫的信息。此外，該接收機亦上報如下有關(guān)信道的補充信息：a)估算出的snr；b)ber；c)mer。

四、第二控制器

a)從ds摘取消息文件(將數(shù)據(jù)包合并成文件)；

b)解釋tis和mis以及解調(diào)器給出的其它信息；

c)文件多路分配器：1)接收消息文件；2)確保標(biāo)出請其注意的消息文件(廣播模式類型)；3)在必要/可行的情況下解密消息文件；4)將消息文件提供給使用這些文件的終端應(yīng)用；5)刪除過期的消息文件。

d)收集以下信息：1)已解碼消息文件的總量；2)可用消息文件的數(shù)量；3)差錯事件(例如，解密差錯)。

電子航海圖(enc)是由政府授權(quán)的水道測量部門繪制的符合s一57標(biāo)準(zhǔn)的電子海圖，enc具有兩種形式即基礎(chǔ)數(shù)據(jù)ne和更新數(shù)據(jù)er?；A(chǔ)數(shù)據(jù)和更新數(shù)據(jù)一起為電子海圖顯示及信息系統(tǒng)所接收，以形成反映海域內(nèi)最新信息的系統(tǒng)電子海圖(senc)，供電子海圖顯示與信息系統(tǒng)ecdis顯示和作相應(yīng)的處理。無論是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)還是更新數(shù)據(jù)，均以標(biāo)準(zhǔn)的格式進行數(shù)據(jù)的組織和封裝從而達到不同國家的海道測量機構(gòu)制作的電子海圖可以在不同的ecdis上準(zhǔn)確地使用。

本發(fā)明還提供一種海上中頻無線海圖更新方法，包括如下步驟：

s1：將所有的海圖播發(fā)文件通過播發(fā)控制終端發(fā)布到數(shù)據(jù)服務(wù)器，由數(shù)據(jù)服務(wù)器將需要發(fā)布的文件發(fā)送給岸基播發(fā)臺；

s2：岸基播發(fā)臺接收來自數(shù)據(jù)服務(wù)器的海圖播發(fā)文件，將海圖播發(fā)文件轉(zhuǎn)換成ofdm信號，并通過中頻無線電信號向海圖接收終端廣播；

s3：海圖接收終端通過天線和接收機將接收下來的信號，通過數(shù)據(jù)處理還原為正確的海圖更新文件。

本發(fā)明可以方便地與船舶設(shè)備上的電子海圖系統(tǒng)(ecs)和電子海圖顯示與信息系統(tǒng)的(ecdis)進行無縫連接，實現(xiàn)航海安全信息的可視化顯示，進行e航海的應(yīng)用演示。具體連接方式如下：

(1)根據(jù)航海通告中的海圖改正信息制作成enc改正文件(.00x文件，s57格式)；

(2)通過navdat系統(tǒng)播發(fā)enc改正文件；

(3)船載終端接收后發(fā)送至ecdis。

(4)人工確認(rèn)后，ecdis自動進行電子海圖的改正，直接顯示在電子海圖上，增強船舶信息處理的自動化水平。

本發(fā)明提供的海上中頻無線海圖更新方法，所述岸基播發(fā)臺采用495-505khz頻段發(fā)射無線電信號。由于中波信道存在嚴(yán)重的衰弱和干擾，因此需要一種抗干擾、高靈敏度的同步技術(shù)來保證信號的檢測。為了能夠抵抗信號傳輸信道的衰落，使每個子載波有一個完善的解調(diào)，在接收時需估計每個子載波的無線電傳輸信道的響應(yīng)，并采用均衡措施。

請繼續(xù)參見圖4，本發(fā)明信號調(diào)制過程如下：在ofdm上混合加入直接序列擴頻和跳頻擴頻，然后經(jīng)過捕獲、跟蹤和載波同步完成擴頻后的信號同步，對每個子載波進行qam調(diào)制，調(diào)制方式包括64-qam、16-qam和4-qam。由于ofdm的多載波特性，使得直接序列擴頻技術(shù)和跳頻技術(shù)能夠與ofdm技術(shù)進行有效的結(jié)合。頻域擴頻可以有效抵抗頻域阻塞式、吸收式干擾，包括單音、窄帶干擾以及頻帶內(nèi)子載波由于所在頻率點通過電離層被吸收而產(chǎn)生的衰減等，從而確保中波信號在低信噪比、存在干擾和擾動條件下也能實現(xiàn)快速準(zhǔn)確同步。

本發(fā)明的海上中頻無線海圖更新方法，所述子載波中插入有導(dǎo)頻信號序列，所述導(dǎo)頻信號序列采用奇偶交錯方式分布，如圖5所示。其中t代表著時域方向，f代表著頻域方向；黑色點表示導(dǎo)頻符號，白色點則表示數(shù)據(jù)子載波。對于接收機，導(dǎo)頻信號具有以下功能：

a)檢測是否接收到信號；

b)估計頻偏；

c)估計無線電傳輸信道。

導(dǎo)頻信號的數(shù)量取決于期望的信號魯棒性。每個ofdm幀發(fā)送的第一個符號中，所有子載波均被用作時間基準(zhǔn)，為接收機提供同步。

本發(fā)明的可用數(shù)據(jù)速率的估算如下：在495khz～505khz的傳輸信道帶寬上，16-qam調(diào)制的數(shù)據(jù)流(ds)的典型原始數(shù)據(jù)率在25kbps左右。為調(diào)整信道保護水平，承載數(shù)據(jù)的子載波數(shù)量可有變化。較高水平的信道保護(對抗多徑、衰減、延遲等)會減少有用子載波的數(shù)量。原始數(shù)據(jù)速率必須乘以糾錯編碼效率(即碼率)，才能得到有效的數(shù)據(jù)率。當(dāng)碼率在0.5～0.75之間時，有效的數(shù)據(jù)速率在12kbps～18kbps之間。更高的碼率可提供更高的有效數(shù)據(jù)率，但會相應(yīng)地降低無線電覆蓋范圍。

本發(fā)明主要利用導(dǎo)頻進行信道估計，根據(jù)發(fā)射端導(dǎo)頻位置的設(shè)計，接收端信道估計分為兩步：

a)導(dǎo)頻位置處的信道估計

基于導(dǎo)頻的信道估計性能是通過將估計出的信道和實際信道之間的誤差來衡量，如圖6所示。兩個變量下的最小距離誤差的估計方法優(yōu)選采用最小二乘法進行估計，(x-x')²+(y-y')²最小。

b)導(dǎo)頻內(nèi)插算法

根據(jù)信道估計算法得到導(dǎo)頻位置的信道響應(yīng)之后，通過合理的內(nèi)插算法，從而獲得整個信道的響應(yīng)。

本發(fā)明的迭代均衡技術(shù)處理流程如圖7所示：在得到頻域數(shù)據(jù)后，先求取導(dǎo)頻位置處信道的ls(leastsquare，最小二乘)估計結(jié)果，然后通過低通濾波內(nèi)插得到數(shù)據(jù)部分的信道估計結(jié)果，連同利用導(dǎo)頻估計的信噪比進行均衡，頻域均衡完的信息通過譯碼器進行軟譯碼，然后經(jīng)過重映射返回給均衡器，如此迭代。其中第一次均衡，由于此時沒有譯碼完之后的軟信息，因此第一次均衡相當(dāng)于一次mmse均衡，之后的每次均衡都需要用到譯碼之后的軟信息并重新進行均衡，直到迭代完成。

雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的修改和完善，因此本發(fā)明的保護范圍當(dāng)以權(quán)利要求書所界定的為準(zhǔn)。