Application of BDS in intelligent charging device of electric boat
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摘要: 海上电动船已被普遍应用于海洋科考活动，但其电能的补给多依赖于岸基充电设备和人工回收，补电效率低下. 文中设计了一种以海洋能为能源的电动船智能充电装置，可利用风能、潮流能多能互补模式为水面电动船提供便捷充电. 利用北斗卫星导航系统(BDS)的导航与通信功能实现充电装置的定位，并引导电动船到达充电装置所在海域. 此外，岸基终端通过BDS实现装置工作状态的信息反馈，以获得电动船实时充电状态. 该装置可提高海上电动船电能的补给效率且能量来源清洁.
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关键词:
- 北斗卫星导航系统(BDS) /
- 海上充电装置 /
- 海洋能 /
- 监控系统
Abstract: Marine electric ships have been widely used in marine scientific research activities, but their power supply mostly depends on shore-based charging equipment and manual recovery, which results in the low power supply efficiency. An intelligent charging device for electric boat powered by marine energy is designed, which can provide convenient charging for a surface electric boat by utilizing the complementary mode of wind energy and tidal current energy. The navigation and communication functions of the BeiDou Navigation Satellite System (BDS) are used to realize the positioning of the charging device and the real-time communication with the electric ship to guide it to the sea area where the charging device is located. The shore-based terminal realizes the information feedback of the working state of the device through BDS to obtain the real-time charging state of the electric ship. The device can improve the power supply efficiency of the electric boat with clean power source. -
0. 引 言
21世纪的海洋已成为经济全球化、区域经济一体化的联系纽带，成为各国展示综合国力和国际影响力的新舞台[1-2]. 随着海洋装备技术的发展，水面电动船已被普遍应用于海洋环境研究、海洋维权和海域测量等领域. 但是，目前电动船的电能补给多依赖于人工回收，无法真正的实现全天候自动化作业. 基于以上问题，设计了一种电动船智能停泊充电装置，该装置能够利用潮流能、风能实现能源的自供给，并可以向水面缺电的电动船进行充电，且操作具有智能化.
在充电装置工作过程中，海域坐标需要实时地传递给电动船，引导其做出相应的路径规划，跟随导航系统快速到达装置所在海域. 同时，该充电装置的发电状态、工作状况、充电情况也需要实时的反馈到岸基控制室，以供用户监测. 为了精确掌握该充电装置的海域坐标和各种工作参数，开发人员决定采用北斗卫星导航系统（BDS），BDS独特地短报文通信功能使其成为全球首个通信一体化的全球定位导航系统[3-5]. 该系统既能实现导航定位，又能实现用户与用户、用户与控制系统之间的双向短报文通信[6-9].
1. 电动船智能充电装置的结构设计和工作流程
1.1 充电装置总体结构设计
电动船智能停泊充电装置通过两根漂浮筒使其能够在海面上漂浮，该装置主要由电能供给模块、稳压储电模块、充电船固定模块、充电模块和BDS通信模块组成，图1为总体结构示意图.
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图 1 电动船智能停泊充电装置总体结构图注：1. 漂浮平台；2. 浮筒；3. 系泊装置；4. 潮流能发电机；5. 风力 发电机；6. 电能变压稳压装置；7. 蓄电池；8. 无人船固定装 置；9. 充电装置；10. 引导雷达；11. 信号接受发送装置；12. BDS 卫星用户机此装置的潮流能、风能发电机以及BDS用户机选型如下：
1）潮流能发电机组
选用由上海海洋大学研发的双向直驱潮流能发电机组如图2所示，单机发电状态下能够向装置提供4 kW的发电功率.
2） BDS卫星用户机
BDS卫星用户机选用如图3所示的QMZH21型号用户机. 该用户机主要运用于海上作业，具有防水、防高温、防腐蚀等特点，集成了卫星无线电定位系统（RDSS）、卫星无线电导航业务（RNSS）、射频收发电路、功率放大电路、基带电路等模块，具有集成度高、功耗低、安装方便等优点.
3）风力发电机
风力发电机选择如图4所示的利顺太阳能C01型风力发电机组，单机状态下能够向装置提供1.5 kW的发电功率.
1.2 装置工作流程
电动船智能停泊充电装置的工作流程如图5所示. 图5（a）所示，当电动船电能不足时，通过充电装置的通信确定充电装置的海域坐标，并跟随BDS导航移动至装置附近；图5（b）所示，到达充电装置附近的电动船，被充电装置捕获进入固定装置卡槽，同时被固定装置的锁销固定；图5（c）所示，固定完成后，充电装置将连接无人船充电接口，对无人船进行充电；图5（d）所示，装置工作过程中，安装于平台面板上的风力发电机持续向装置供电，同时平台下方的两台双向直驱潮流能发电机也在为该充电装置提供电能. 此外，整个工作过程中，该充电装置的工作状态都将实时的传输给岸基终端进行监测控制.
2. 基于BDS的电动船智能充电装置通信方案设计
BDS是继美国的GPS、欧盟的Galileo、俄罗斯的GLONASS之后较为先进的卫星导航定位系统[7-8]. 其具备RDSS和RNSS两种工作模式[10-12]，在RDSS工作模式下可以实现BDS特有的信息传递和导航定位双重功能，图6为通信系统架构.
通信请求端将加密处理后的通讯内容和接受用户ID发送给BDS卫星，并由卫星转发给地面站. 经过地面站脱加密处理后，由卫星传递给接收端用户. 接收端用户接受到通信信号后，经过解调、解密得出通信信息，完成通讯[13-15].
2.1 导航通信方案
当电动船在远海作业时，其船载电能监测模块用来监测电能是否充足，电能不足时，电动船通过船载BDS用户机与充电装置BDS用户机进行通信，寻找充电平台位置并进行导航规划，图7为导航通信方案示意图. 电能检测模块将充电信号传递给BDS船载用户机，与充电装置中的BDS用户机进行相互通信，使电动船得到充电装置的海域坐标和导航路线，并将其传递给船载控制器进行路径选择. 路径选择完成后，船载控制器向电动船驱动装置发送信号，电动船将按着BDS导航路径航行，以到达充电装置附近海域.
2.2 监测通信方案
电动船智能充电装置放置在远海时，数据的传输和通信是保证该装置持续工作的重要环节，基于BDS的RDSS业务设计远端监测通信方案如图8所示. 充电装置的发电参数、充电情况、电动船固定情况都经由装置信息采集模块采集，传递到装置的BDS用户机，并发送至岸基BDS接受端，然后传递给岸基服务器，由服务器负责将监测数据解密解调，发送给岸基用户并接受用户所下达的指令，以进行反向通信.
3. 基于BDS的电动船智能充电装置通信系统设计
3.1 通信系统构成
电动船智能充电装置的通信系统，主要由海上装置、空间装置及岸基装置三部分组成，图9为通信系统结构图.
3.2 通信协议设计
由于RDSS模式下的短报文通信容量有限，依据所选择的BDS用户机性能参数如表1所示. 由表1可知，单次最大的数据传输量为120个汉字或420个BCD码，报文频度为1 min. 需要在不超出容量的情况下合理地设计通信协议，以保证通信质量，根据通信容量限制与通信方案要求，制定了一套简易的短报文传输协议，在每组传输数据中必须包含充电装置ID，以便确认数据来源[16-20]. 具体的通信协议如表2所示.
表 1 BDS卫星用户机性能参数表标题 指标 参数 RDSS主要指标 单次通信能力 120个汉字/420个BCD码 首次捕获时间 $\leqslant 2\;\mathrm{s}$ 报文频度 $ 1 \;\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n} $ 定位精度 10 m RNSS主要指标 失锁重捕时间 $\leqslant 1\;\mathrm{s}$ 定位精度 5 m 首次定位时间 冷启动$\leqslant 60\;\mathrm{s}$
热启动$\leqslant 5\;\mathrm{s}$电源特性 工作电压 12 v 表 2 BDS卫星RDSS短报文数据传输协议名称 占用字节/bit 说明 备注 系统状态 10 系统状态监测 放大100倍 ID 15 系统ID 电流 25～40 发电电流 放大10倍 电压 25～40 发电电压 放大10倍 充电量 20～35 充电装置充电量 放大10倍 电动船固定情况 20 是否被装置固定 放大10倍 控制指令 50～80 用户控制指令 放大100倍 4. 岸基用户客户端设计
通过Visual Studio2015平台，利用C#语言设计用户客户端软件. 将终端软件安装在岸基用户计算机中，就可以直接获得服务器中海上充电装置所传来的数据，用户也可以利用该软件，发送控制充电装置的控制指令，并由服务器通过BDS岸基用户机传递给充海上充电装置. 其具体的体系结构如图10所示.
利用LabView平台设计客户端操作界面如图11所示. 岸基用户可以通过客户端的操作界面，直接获得该充电装置的海域坐标、发电电压、发电电流、充电电流、充电状态（是/否充电完成）以及船体的固定状态. 此外用户还可以通过该操作系统的控制界面控制充电装置的运行. 实现了充电装置和岸基用户的双向通信.
5. 实验测试
图12为在海洋环境相对较好的青岛某海域开展水面测试实景图.
电动无人船在相关海域进行水质监测作业，当电能不足时无人船与充电装置按照图7所设计的通信方案进行相互通信，使无人船确定充电装置的海域坐标，并进行相应的路径规划如图13所示，按照所规划的航行路线航行至充电装置附近，以进行电能补充. 该实验验证了BDS在电动船智能充电装置和水面无人船中应用的可行性.
6. 结束语
本文基于BDS提出了一种电动船智能充电装置的设计方案. 利用BDS RDSS模式下独有的导航通信功能，建立该充电装置的通信方案和通信系统，能够实现对水面电动船的导航、固定、充电，并可以利用BDS实时的向岸基传输充电装置的工作参数. 通过设计用户客户端软件实现充电平台工作状况的可视化，使得岸基用户可以监测充电装置的运行情况并发送控制指令，对海洋可再生能源的运用和提高水面电动船的补电效率有着现实意义.
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图 1 电动船智能停泊充电装置总体结构图
注：1. 漂浮平台；2. 浮筒；3. 系泊装置；4. 潮流能发电机；5. 风力 发电机；6. 电能变压稳压装置；7. 蓄电池；8. 无人船固定装 置；9. 充电装置；10. 引导雷达；11. 信号接受发送装置；12. BDS 卫星用户机
表 1 BDS卫星用户机性能参数表
标题 指标 参数 RDSS主要指标 单次通信能力 120个汉字/420个BCD码 首次捕获时间 $\leqslant 2\;\mathrm{s}$ 报文频度 $ 1 \;\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n} $ 定位精度 10 m RNSS主要指标 失锁重捕时间 $\leqslant 1\;\mathrm{s}$ 定位精度 5 m 首次定位时间 冷启动$\leqslant 60\;\mathrm{s}$
热启动$\leqslant 5\;\mathrm{s}$电源特性 工作电压 12 v 
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表 2 BDS卫星RDSS短报文数据传输协议
名称 占用字节/bit 说明 备注 系统状态 10 系统状态监测 放大100倍 ID 15 系统ID 电流 25～40 发电电流 放大10倍 电压 25～40 发电电压 放大10倍 充电量 20～35 充电装置充电量 放大10倍 电动船固定情况 20 是否被装置固定 放大10倍 控制指令 50～80 用户控制指令 放大100倍
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期刊类型引用(1)
1. 吴清云，陈凌轩，刘昕，曹宇，谢朋洋. BDS在陆地智能巡检无人车中的应用. 全球定位系统. 2022(04): 64-72 . 
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