探秘海洋地震觀測臺站無線通訊建設(shè)

王軍

20世紀80年代以來，海洋觀測發(fā)展呈現(xiàn)“多元化、立體化、實時化”趨勢，很多國際海洋觀測臺站，如英國愛爾蘭海區(qū)域、美國卡羅來納州海區(qū)和加拿大維多利亞海底實驗觀測網(wǎng)等，紛紛通過海洋觀測系統(tǒng)把多元化、立體化的實時測量數(shù)據(jù)與海洋物理、生態(tài)和生物化學模式緊密結(jié)合，實現(xiàn)了海洋環(huán)境的可預(yù)報性，在關(guān)鍵海域發(fā)揮了重要作用。

在我國，海域面積多達數(shù)百萬平方公里，但海域地震、海底地質(zhì)觀測、海文海況等領(lǐng)域的研究一直較為薄弱。為了提高海洋科學研究能力，相關(guān)部門須大力提高海洋科學觀測臺站的建設(shè)力度，而在此過程中如何保障海洋科學觀測臺站的通訊暢通，是產(chǎn)業(yè)界急需解決的技術(shù)難題。

目前，海洋科學觀測臺站主要分為海島觀測臺站、海洋活結(jié)樁式觀測臺站。這兩種海洋觀測臺站大多采用兩類通訊方式：一類是衛(wèi)星傳輸，另一類是GPRS/CDMA傳輸，其各有優(yōu)缺點，且適用環(huán)境大相徑庭。

衛(wèi)星傳輸

基站式衛(wèi)星傳輸方式適用于建設(shè)在海島上的海洋科學觀測臺站，以上海市地震局佘山島地震觀測臺為例：佘山島位于長江口以東的東海海域，由于天氣、距離和海洋等原因，在中國移動與中國聯(lián)通未在島上設(shè)立信號發(fā)射塔前，佘山島臺主要采用衛(wèi)星傳輸?shù)姆绞綄崟r傳輸?shù)卣饠?shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收端，均使用一個4口的串口服務(wù)器，采用網(wǎng)絡(luò)口收發(fā)的方式。

衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)拓撲圖

在這種“衛(wèi)星站-衛(wèi)星站，網(wǎng)絡(luò)口-網(wǎng)絡(luò)口”模式中，佘山島衛(wèi)星小站端口設(shè)置為TCP/IP模式，網(wǎng)絡(luò)口與串口服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)口輸出相連；使用上海市地震局現(xiàn)有衛(wèi)星小站作為數(shù)據(jù)接收端，也將網(wǎng)絡(luò)口串連服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)口；佘山島衛(wèi)星站的串口服務(wù)器和上海局衛(wèi)星站的串口服務(wù)器進行“呼叫”，通過TCP/IP協(xié)議3次“握手”后建立虛連接，開始進行數(shù)據(jù)傳輸。

基站式衛(wèi)星傳輸方式的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在二方面：一方面，數(shù)據(jù)鏈路和數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，基站式衛(wèi)星傳輸采用鍋蓋式衛(wèi)星信號接收器，保證了鏈路穩(wěn)定（不中斷）、數(shù)據(jù)傳輸可靠（無丟數(shù)）的良好效果，非常適用科學觀測數(shù)據(jù)實時的傳輸，實際使用基站式衛(wèi)星傳輸?shù)挠^測臺站數(shù)據(jù)運行率達到了99%。另一方面，具有對數(shù)據(jù)傳輸和傳輸鏈路狀態(tài)進行監(jiān)控的功能。衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸分兩個步驟：搭建鏈路和傳輸數(shù)據(jù)，其中搭建鏈路是數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤釛l件。串口服務(wù)器通過VSAT網(wǎng)絡(luò)口進行雙方通信，其呼叫建鏈能力相比常規(guī)同步或異步端口更加穩(wěn)定可靠。通過登陸串口服務(wù)器，可以對其進行設(shè)置和操作，具體功能有：配置服務(wù)器基本參數(shù)、設(shè)置各端口工作模式和參數(shù)，觀察鏈路的狀態(tài)、數(shù)據(jù)流量的統(tǒng)計、對設(shè)備進行遠端配置和復(fù)位等。

然而，由于使用直徑1.5M的鍋蓋式衛(wèi)星信號接收器需要開闊地進行安裝，同時基站式衛(wèi)星傳輸設(shè)備實際工作功耗高達150W，因此基站式衛(wèi)星傳輸方式只能適用于有市電接入或自備發(fā)電機組的海島型海洋觀測臺站。

上海市地震局建設(shè)的海底深井式地震觀測臺站，即活結(jié)樁式觀測臺站，曾嘗試在傳輸方面采用便攜式衛(wèi)星傳輸?shù)卣饠?shù)據(jù)，但由于觀測臺站采用太陽能和風能供電模式，而衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)功耗過大——正常工作時30W，搜索衛(wèi)星時達到45W左右——因此衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)不適用于無電源保障的海洋監(jiān)測臺站。

按照相關(guān)規(guī)定，投放于外海的微型平臺必須配備航標設(shè)備，可以采用航標燈與北斗衛(wèi)星相結(jié)合的方式，采用低功耗低傳輸速率的模式傳輸海洋觀測臺站的經(jīng)緯度和電源參數(shù)。在實際測試中，北斗衛(wèi)星低速率傳輸模式工作功耗為8W，可以適用于利用太陽能和風能供電的海洋觀測臺站信息監(jiān)控。

CDMA/GPRS傳輸方式

對于位于近海海域的非海島型海洋觀測臺站，CDMA/GPRS傳輸方式是比較好的選擇，具有便于攜帶安裝、低功耗、高穩(wěn)定性等優(yōu)點。

CDMA 1X原意是指CDMA 2000的第一階段，網(wǎng)絡(luò)部分引入分組交換，可支持移動IP業(yè)務(wù)；CDMA 1X是在CDMA IS95系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為CDMA用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；CDMA 1X理論傳輸速率可達300 kbps，目前的實際傳輸速率大約在100 kbps左右，可以用于Internet連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用。

GPRS即通用分組無線服務(wù)技術(shù)，是GSM移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS以封包（Packet）式來傳輸，傳輸速率可提升至56甚至114Kbps。

在目前的實際工作中，可以采用多種CDMA/GPRS連接方式進行數(shù)據(jù)傳輸。

VPN連接方式：系統(tǒng)傳輸基于TCP/IP協(xié)議，整個無線傳輸系統(tǒng)由臺站無線路由器、CDMA網(wǎng)絡(luò)平臺、中心VPN路由器、中心設(shè)備管理系統(tǒng)組成。臺站無線路由器通過CDMA＼GPRS網(wǎng)絡(luò)平臺與中心VPN路由器建立L2TP連接，使臺站子網(wǎng)成為觀測單位所在局域網(wǎng)的一部分，臺網(wǎng)中心各種專業(yè)服務(wù)器可以以訪問IP地址的方式直接訪問到各臺站設(shè)備。該種傳輸方式主要可以用來傳輸海洋科學觀測臺站輸出的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流。

直撥式連接方式：采用CDMA/GPRS無線路由器直接通過撥號的方式經(jīng)過觀測單位的網(wǎng)絡(luò)防火墻直接發(fā)送至CDMA/GPRS接收設(shè)備。

CDMA/GPRS傳輸方式具有諸多優(yōu)越性：首先是其無線路由器功耗極低，實測工作時功耗為4W左右，適用于無電源保障的海洋監(jiān)測臺站；其次，伴隨中國電信和中國移動加大信號基站的建設(shè)，CDMA/GPRS信號覆蓋范圍加大，信號強度得到提高，有利于近海海域觀測臺站的建設(shè)；最后要強調(diào)的是，CDMA/GPRS數(shù)據(jù)鏈路連接穩(wěn)定，根據(jù)實際運行使用CDMA/GPRS作為傳輸鏈路的臺站，系統(tǒng)運行率可以達到98%。

綜上所述，基站式衛(wèi)星傳輸方式適用于有電源保障、同時可以提供安裝鍋蓋式衛(wèi)星接收器場地的海島型海洋觀測臺站，而CDMA/GPRS傳輸方式則適用于無電源保障或者無場地提供的海洋觀測臺站，同時可以使用海事衛(wèi)星或者北斗衛(wèi)星傳輸方式傳輸臺站狀態(tài)參數(shù)。除此之外，未來3G、4G技術(shù)的發(fā)展，亦為海洋觀測臺站的通訊方式提供了新的思路和研究方向。