海上高频无线海图更新系统及方法与流程

本发明涉及海上安全信息广播技术领域，具体涉及一种海上高频无线海图更新系统及方法。

背景技术：

为了保证航行安全，需要及时有效地由岸上向航行的船舶提供有关海上航行的安全信息，海上安全信息(MSI---Maritime Safety Information)是指航行警告、气象报告、气象预报和有关航行安全的其它紧急安全信息。岸上有关部门将有关航行安全的重要信息通过NAVTEX海岸电台或者INMARSAT，向主要海域的船舶播发。

现有的航行警告和航行通告主要是通过沿海各海岸电台播发摩尔斯电报和NAVTEX台播发NBDP无线电电传实现信息的发布，这两种信息发布手段还存在着技术手段落后，时效性难于保障，覆盖面小的缺点，船舶不能及时、全面、系统地了解航行海域的安全信息，对于船舶航行安全存在很大隐患，不适应现代信息社会发展要求的需要。

比如传统的海上船舶海图更新需要光盘邮寄或在线下载刻盘邮寄，花费时间长，更新周期长，不能够及时有效的更新海图文件，海上船舶不能够及时获取发布的所需海图改正更新文件，消息往往是滞后的，2017年在珠江口水域出现数起因未更新海图导致沉船的情况，由此，对航行安全和航道通航存在极大风险和隐患。

同样，国际航标协会(The International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities，IALA)和国际海事组织(IMO)的重要海事通信关键播发技术和数据传输通道，例如：高频NAVDAT系统，因此，可以播发的通信数据通过天波传播，可以覆盖到全球，如图8所示。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种海上高频无线海图更新系统及方法，能够方便地传输海图文件，并与船舶信息系统和设备无缝连接，播发效率高，覆盖面广，本发明通过直接播发电子海图改正信息，船上时时接收文件的方式来减少中间环节，降低船员工作量，提高海图改正的及时性和准确性。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种海上高频无线海图更新系统，包括播发控制终端、岸基播发台、海图接收终端，播发控制终端连接有数据服务器，岸基播发台连接有岸基网络，播发控制终端和数据服务器均通过岸基网络与岸基播发台连接，岸基播发台通过无线传输信道与海图接收终端相连；

其中，播发控制终端用于将所有的海图播发文件发布到数据服务器，再由数据服务器将需要发布的文件发送给岸基播发台；岸基播发台接收来自数据服务器的海图播发文件，将海图播发文件转换成OFDM信号，并通过高频无线电信号向海图接收终端广播。

按照上述技术方案，播发控制终端还通过岸基网络连接有远程监测接收机，远程监测接收机用于接收高频无线电信号，并解调OFDM信号，监测接收信号的质量，并上报给播发控制终端，同时对监测接收的信号进行数据处理和分析，分析比较播发性能指标。

按照上述技术方案，岸基播发台包括第一控制器、调制器、RF生成器和RF放大器，第一控制器的时钟端连接有时钟模块，第一控制器的输入端与远程监测接收机连接，第一控制器的输出端依次与调制器、RF生成器和RF放大器连接，RF放大器用于通过匹配单元与发射天线连接，第一控制器的网络端与岸基网络连接。

按照上述技术方案，时钟模块为GNSS接收机、北斗接收机和原子钟中任意一种。

按照上述技术方案，调制器为OFDM调制器。

按照上述技术方案，播发控制终端还用于监测岸基播发台工作状态和控制岸基播发台工作参数；播发控制终端还用于接收岸基播发台发送的监测数据和岸基播发台的工作状态，同时播发控制终端根据远程监测接收机的接收数据，监测岸基播发台的播发质量。

按照上述技术方案，岸基播发台工作状态包括发射确认、告警、有效发射功率和同步报告，岸基播发台工作参数包括发射功率、导频子载波、子载波调制方式、纠错编码方式和发射序列。

按照上述技术方案，海图接收终端包括第二控制器、OFDM解调器和射频前端，第二控制器的输入端与OFDM解调器连接，OFDM解调器通过射频前端与高频接收天线连接，第二控制器的输出端连接有显示单元和数据接口。

按照上述技术方案，数据接口为以太网接口和/或USB接口。

按照上述技术方案，射频前端包括依次连接RF滤波器、RF放大器和基带输出，射频前端通过RF滤波器、RF放大器和基带输出，将来自天线的RF信号进行滤波、放大和变换；接收频率为：2MHz-2.3MHz。

一种采用以上所述的海图更新系统的海图更新方法，包括如下步骤：

S1：将所有的海图播发文件通过播发控制终端发布到数据服务器，由数据服务器将需要发布的海图播发文件发送给岸基播发台；

S2：岸基播发台接收来自数据服务器的海图播发文件，将海图播发文件转换成OFDM信号，并通过高频无线电信号向海图接收终端广播；

S3：海图接收终端通过天线和接收机将接收下来的信号，并对信号进行数据处理还原为正确的海图更新文件。

按照上述技术方案，海图播发文件为S-57格式的电子航海图，所述步骤S1中播发控制终端根据航海通告中的海图改正信息制作成电子海图ENC改正文件，所述ENC改正文件包括基础数据EN和/或更新数据ER；所述步骤S3接收后发送至电子海图显示与信息系统进行确认显示；ENC为Electronic Navigational Charts电子海图。

按照上述技术方案，所述步骤S2中岸基播发台采用2MHz-2.3MHz频段发射高频无线电信号，高频无线电信号的调制过程如下：在OFDM信号上混合加入直接序列扩频和跳频扩频，然后经过捕获、跟踪和载波同步完成扩频后的信号同步，对每个子载波进行QAM调制，调制方式包括64-QAM、16-QAM和4-QAM。

按照上述技术方案，所述子载波中插入有导频信号序列，所述导频信号序列采用奇偶交错方式分布；所述步骤S3中海图接收终端利用导频信号进行信道估计获得整个信道的响应；在得到频域数据后，先求取导频位置处估计出的信道和实际信道之间的最小二乘估计结果，然后通过低通滤波内插得到数据部分的信道估计结果，连同利用导频估计的信噪比进行均衡，频域均衡完的信息通过译码器进行软译码，然后经过重映射返回给均衡器，重复上述过程直到迭代完成。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的海上高频无线海图更新系统及方法，能够方便地传输海图文件，并与船舶信息系统和设备无缝连接，播发效率高，覆盖面广。此外，本发明通过直接播发电子海图改正信息，船上时时接收文件的方式来减少中间环节,降低船员工作量，提高海图改正的及时性和准确性。

附图说明

图1是本发明实施例中海上高频无线海图更新系统的总体架构示意图；

图2是本发明实施例中岸基播发台的电路方框示意图；

图3是本发明实施例中海图接收终端的电路方框示意图；

图4是本发明实施例中使用的频域扩频OFDM信号示意图；

图5是本发明实施例中奇偶交错导频单元分布示意图；

图6是本发明实施例中信道估计示意图；

图7是本发明实施例中迭代均衡处理流程示意图；

图8是本发明实施例中高频NAVDAT系统的工作原理图表；

图中，1-数据服务器，2-播发控制终端，3-岸基网络，4-岸基播发台，5-远程监测接收机，6-海图接收终端，7-第一控制器，8-GNSS接收机或参考时钟，9-调制器，10-RF生成器，11-RF放大器，12-匹配单元，13-发射天线，14-第二控制器，15-OFDM解调器，16-射频前端，17-高频接收天线，18-显示单元，19-数据接口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1～图7所示，本发明提供的一个实施例中的海上高频无线海图更新系统，包括：

播发控制终端2：将所有的海图播发文件发布到数据服务器1，由数据服务器1将需要发布的文件发送给岸基播发台4；

岸基播发台4：接收来自数据服务器1的海图播发文件，将海图播发文件转换成OFDM信号，并通过高频无线电信号向海图接收终端6广播；

海图接收终端6：通过天线和接收机将接收下来的信号，通过数据处理还原为正确的海图更新文件；

所述播发控制终端2和岸基播发台4通过岸基网络3相连，所述岸基播发台4通过无线传输信道和海图接收终端6相连。

本发明的播发控制终端2通过网络与播发台连接，可监视播发台的下列状态：a)发射确认；b)告警；c)有效发射功率；d)同步报告。播发控制终端2还通过网络与远程监测接收机5连接，接收远程接收机数据，监测岸基播发台4的播发质量。播发控制终端2变更发射机的参数，如：a)发射功率；b)OFDM参数(导频子载波、子载波调制方式、纠错编码方式等)；c)发射序列。

本发明的岸基网络3可采用宽带连接、低速率连接或本地文件共享的方式。岸基播发台4(受访问保护的本地服务器)组成如图2所示，包括：a)一台第一控制器7，为受访问保护的本地服务器；b)一台OFDM调制器9；c)一台2MHz-2.3MHz频段的RF生成器10和放大器；d)一副带匹配单元12的发射天线13；e)一台用于同步的GNSS接收机、北斗接收机或原子钟；f)一台带天线的监测接收机。

本发明的岸基播发台4的第一控制器7接收以下信息：a)来自SIM的消息文件；b)来自GNSS接收机、北斗接收机或参考时钟的时间同步信息；c)来自监测接收机的2MHz-2.3MHz信号；d)来自调制器9的2MHz-2.3MHz信号；e)来自RF生成器10和放大器的监测信号。

本发明的岸基播发台4的第一控制器7的主要功能如下：a)在传输前检查相关频段是否空闲；b)将岸基播发台4的所有信号与同步时钟信号同步；c)控制传输参数、时间和序列；d)按分组传输要求格式化需发射的消息文件。

本发明使用的调制器9需要三种输入流：

a)调制信息流(MIS)，MIS总是采用4-QAM子载波调制，提供以下信息：1)频谱占用；2)发射机信息流(TIS)和数据流(DS)的调制方式(4-、16-或64-QAM)。

b)发射机信息流(TIS)，TIS流可采用4-或16-QAM子载波调制，向接收机提供以下信息：1)数据流(DS)的纠错编码方式(对于白天的地波传播及夜间的地波+天波传播情况，采用的纠错编码应有所区别)；2)发射机的标识；3)日期和时间。

c)数据流(DS)，包含要发送的信息文件，且该文件此前通过了文件多路复用器的格式化，调制器9按数据流编码格式对输入数据流进行编码。

为保障传输的鲁棒性，应采用纠错机制。考虑到传输效率，根据纠错机制和调制模式的不同，码率可在0.5～0.75间变化。MIS、TIS和DS等三种输入流以编码和能量扩散的形式进行格式化。OFDM映射器通过单元映射组建OFDM单元，包括格式化的输入流和导频单元。接收机可利用导频单元评估无线电信道并同步RF信号。OFDM基带生成器根据映射器的输出产生OFDM基带信号。

RF生成器10：2MHz-2.3MHz RF生成器10将基带信号变换到2MHz-2.3MHz的输出载波中，激励放大器将RF信号放大至期望的功率。

RF放大器11：将生成器输出的2MHz-2.3MHz信号放大至必要功率，以满足所需的无线电覆盖要求。为满足信息错误率(MER)要求，RF放大器11输出端的波峰因子应控制在6dB～12dB。

带匹配单元12的发射天线13：发射天线13应具有阻抗匹配单元12，RF放大器11输出连接匹配单元12，再连接至发射天线13。

GNSS接收机、北斗接收机和备份原子钟：该时钟用于同步本地控制器。监测接收机检查相关频率在发射前是否空闲，并可用于检查RF发射。

请继续参见图3，本发明的海图接收终端6主要包括以下几个基本部分：a)高频接收天线；b)射频前端16；c)OFDM解调器15；d)第二控制器14；e)显示单元；f)数据接口。各单元的主要功能及实现如下。

一、高频接收天线

接收频率范围覆盖2MHz-2.3MHz的电场或磁场的天线，宜覆盖2.1MHz、2.2MHz，以便与NAVTEX公用天线。大量研究表明，高频2MHz-2.3MHz频段的海面地波的传输场强衰减慢，传播稳定，天气适应性强，具有非常良好的水面传播特性。

二、射频前端16

射频前端16包含RF滤波器、RF放大器11和基带输出，将来自天线的RF信号进行滤波、放大和变换，以满足解调要求。具备高灵敏度和高动态范围。

三、OFDM解调器15：对OFDM信号进行解调，以恢复出DS、MIS和TIS的数据流，重新创建包含有已发送的消息文件的数据流。

此阶段实施：a)时间/频率同步；b)信道评估；c)自动调制恢复；d)纠错。NAVDAT(高频海上数字广播系统)接收机应能够自动检测以下调制参数：a)16-或64-QAM；b)

子载波方案；c)纠错编码的方式。除DS之外，它还负责上报TIS和MIS中填写的信息。此外，该接收机亦上报如下有关信道的补充信息：a)估算出的SNR；b)BER；c)MER。

四、第二控制器14

a)从DS摘取消息文件(将数据包合并成文件)；

b)解释TIS和MIS以及解调器给出的其它信息；

c)文件多路分配器：1)接收消息文件；2)确保标出请其注意的消息文件(广播模式类型)；3)在必要/可行的情况下解密消息文件；4)将消息文件提供给使用这些文件的终端应用；5)删除过期的消息文件。

d)收集以下信息：1)已解码消息文件的总量；2)可用消息文件的数量；3)差错事件(例如，解密差错)。

电子航海图(ENC)是由政府授权的水道测量部门绘制的符合S-57标准的电子海图，ENC具有两种形式即基础数据NE和更新数据ER。基础数据和更新数据一起为电子海图显示及信息系统所接收，以形成反映海域内最新信息的系统电子海图(SENC)，供电子海图显示与信息系统ECDIS显示和作相应的处理。无论是基础数据还是更新数据，均以标准的格式进行数据的组织和封装从而达到不同国家的海道测量机构制作的电子海图可以在不同的ECDIS上准确地使用。

本发明还提供一种海上高频无线海图更新方法，包括如下步骤：

S1：将所有的海图播发文件通过播发控制终端2发布到数据服务器1，由数据服务器1将需要发布的文件发送给岸基播发台4；

S2：岸基播发台4接收来自数据服务器1的海图播发文件，将海图播发文件转换成OFDM信号，并通过高频无线电信号向海图接收终端6广播；

S3：海图接收终端6通过天线和接收机将接收下来的信号，通过数据处理还原为正确的海图更新文件。

本发明可以方便地与船舶设备上的电子海图系统(ECS)和电子海图显示与信息系统的(ECDIS)进行无缝连接，实现航海安全信息的可视化显示，进行e航海的应用演示。具体连接方式如下：

(1)根据航海通告中的海图改正信息制作成ENC改正文件(.00X文件，S57格式)；

(2)通过NAVDAT系统播发ENC改正文件；

(3)船载终端接收后发送至ECDIS。

(4)人工确认后，ECDIS自动进行电子海图的改正，直接显示在电子海图上，增强船舶信息处理的自动化水平。

本发明提供的海上高频无线海图更新方法，所述岸基播发台4采用2MHz-2.3MHz频段发射无线电信号。由于高波信道存在严重的衰弱和干扰，因此需要一种抗干扰、高灵敏度的同步技术来保证信号的检测。为了能够抵抗信号传输信道的衰落，使每个子载波有一个完善的解调，在接收时需估计每个子载波的无线电传输信道的响应，并采用均衡措施。

请继续参见图4，本发明信号调制过程如下：在OFDM上混合加入直接序列扩频和跳频扩频，然后经过捕获、跟踪和载波同步完成扩频后的信号同步，对每个子载波进行QAM调制，调制方式包括64-QAM、16-QAM和4-QAM。由于OFDM的多载波特性，使得直接序列扩频技术和跳频技术能够与OFDM技术进行有效的结合。频域扩频可以有效抵抗频域阻塞式、吸收式干扰，包括单音、窄带干扰以及频带内子载波由于所在频率点通过电离层被吸收而产生的衰减等，从而确保中波信号在低信噪比、存在干扰和扰动条件下也能实现快速准确同步。

本发明的海上高频无线海图更新方法，所述子载波中插入有导频信号序列，所述导频信号序列采用奇偶交错方式分布，如图5所示。其中t代表着时域方向，f代表着频域方向；黑色点表示导频符号，白色点则表示数据子载波。对于接收机，导频信号具有以下功能：

a)检测是否接收到信号；

b)估计频偏；

c)估计无线电传输信道。

导频信号的数量取决于期望的信号鲁棒性。每个OFDM帧发送的第一个符号中，所有子载波均被用作时间基准，为接收机提供同步。

本发明的可用数据速率的估算如下：在2MHz-2.3MHz的传输信道带宽上，16-QAM调制的数据流(DS)的典型原始数据率在10kbps左右。为调整信道保护水平，承载数据的子载波数量可有变化。较高水平的信道保护(对抗多径、衰减、延迟等)会减少有用子载波的数量。原始数据速率必须乘以纠错编码效率(即码率)，才能得到有效的数据率。当码率在0.5～0.75之间时，有效的数据速率在8kbps～10kbps之间。更高的码率可提供更高的有效数据率，但会相应地降低无线电覆盖范围。

本发明主要利用导频进行信道估计，根据发射端导频位置的设计，接收端信道估计分为两步：

a)导频位置处的信道估计

基于导频的信道估计性能是通过将估计出的信道和实际信道之间的误差来衡量，如图6所示。两个变量下的最小距离误差的估计方法优选采用最小二乘法进行估计，(x-x')²+(y-y')²最小。

b)导频内插算法

根据信道估计算法得到导频位置的信道响应之后，通过合理的内插算法，从而获得整个信道的响应。

本发明的迭代均衡技术处理流程如图7所示：在得到频域数据后，先求取导频位置处信道的LS(Least Square，最小二乘)估计结果，然后通过低通滤波内插得到数据部分的信道估计结果，连同利用导频估计的信噪比进行均衡，频域均衡完的信息通过译码器进行软译码，然后经过重映射返回给均衡器，如此迭代。其中第一次均衡，由于此时没有译码完之后的软信息，因此第一次均衡相当于一次MMSE均衡，之后的每次均衡都需要用到译码之后的软信息并重新进行均衡，直到迭代完成。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。