宋飛,馮旭哲
(國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,湖南長沙 410073)
近幾十年來,為研究和保護(hù)自然環(huán)境,人類投布了大量傳感器來獲取陸地、水域以及大氣圈的物理、化學(xué)和生物特性。龐大的傳感器探測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的收集提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),迫切需要解決探測系統(tǒng)的通信與定位問題。為達(dá)到較實(shí)時(shí)接收全球范圍內(nèi)信號(hào)以及對發(fā)射源進(jìn)行簡單定位的目的,1978年由法國國家空間研究中心(CNES)和美國國家海洋大氣局(NOAA)聯(lián)合創(chuàng)建了Argos系統(tǒng)。系統(tǒng)利用極軌氣象衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù),能夠較好覆蓋中低緯地區(qū)以及南北極圈等高緯度地區(qū),能在無其它系統(tǒng)輔助的情況下完成單星自主定位,為人們探測和研究自然環(huán)境提供了一種有效的通訊和定位手段。目前,已經(jīng)有近兩萬個(gè)Argos系統(tǒng)平臺(tái)終端在全球范圍內(nèi)使用[1]。我國也于1985年11月開始使用Argos系統(tǒng)傳送海洋水文氣象觀測數(shù)據(jù)并進(jìn)行定位,但目前應(yīng)用面還不夠廣、量還不夠大。
隨著對海洋等自然環(huán)境研究的深入,對Argos系統(tǒng)的技術(shù)性能提出了更高的要求,同時(shí)極大的促進(jìn)了系統(tǒng)發(fā)展。本文通過介紹系統(tǒng)組成,總結(jié)發(fā)展現(xiàn)狀,分析發(fā)展趨勢,對更好的利用Argos系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)研究具有積極的意義。
Argos系統(tǒng)由見圖1的平臺(tái)部分、空間部分和地面部分組成。位于平臺(tái)上的Argos平臺(tái)終端將眾多傳感器獲取的測量數(shù)據(jù),按照一定格式傳送給系統(tǒng)空間部分??臻g部分接收到平臺(tái)終端的信號(hào),一方面從經(jīng)過調(diào)制的載波中提取出測量數(shù)據(jù),另一方面根據(jù)定位計(jì)算的需要測量載波本身的多普勒頻率偏移值,然后將這兩類數(shù)據(jù)打包后轉(zhuǎn)發(fā)給位于世界各地的地面接收站,地面站接收到數(shù)據(jù)后先進(jìn)行初步處理,再傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心處理后形成文件,并通過用戶服務(wù)中心把結(jié)果分發(fā)給用戶[2]。
Argos系統(tǒng)平臺(tái)部分由探測設(shè)備、傳感器、平臺(tái)終端以及搭載平臺(tái)構(gòu)成。作為平臺(tái)與空間部分通信的平臺(tái)終端使用靈活多樣,根據(jù)不同的需要,組裝成各種不同的形式,既可以安裝在海洋浮標(biāo)、浮體、船舶、熱氣球等平臺(tái)上進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和傳輸,也可以安裝在動(dòng)物身體上進(jìn)行動(dòng)物遷徙跟蹤監(jiān)測。
圖1 Argos系統(tǒng)組成圖
Argos系統(tǒng)空間部分由極軌氣象衛(wèi)星組成,主要完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。衛(wèi)星運(yùn)行在近極地太陽同步軌道上,軌道近似圓形,高度850 km,運(yùn)行周期約100 min,由于地球的自轉(zhuǎn),衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)對地球的覆蓋,一次過頂對平臺(tái)終端的覆蓋時(shí)長大約10 min[3]。
Argos系統(tǒng)地面部分由地面接收站、數(shù)據(jù)處理中心和用戶服務(wù)中心組成。當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過地面接收站時(shí),星上載荷將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳回。數(shù)據(jù)經(jīng)分離后用專線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心,完成定位計(jì)算、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、接收水平評定、數(shù)據(jù)探測時(shí)間確定、傳感器信息數(shù)據(jù)長度確定、數(shù)據(jù)分類以及數(shù)據(jù)加工再處理等。之后由服務(wù)中心分發(fā)給用戶。
經(jīng)過三十多年的發(fā)展,Argos系統(tǒng)傳輸性能得到了較大提升,系統(tǒng)建設(shè)和用戶服務(wù)也趨于完善,應(yīng)用更加廣泛。下面具體從平臺(tái)終端、空間衛(wèi)星、地面系統(tǒng)及其主要應(yīng)用四個(gè)方面分析Argos系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀。
目前,正在使用的Argos平臺(tái)終端有兩種,一種是基于Argos-2系統(tǒng)的平臺(tái)發(fā)射終端(PTT),另一種是基于Argos-3系統(tǒng)的平臺(tái)信息收發(fā)器(PMT)。盡管前者頻率固定,發(fā)送信息長度可變,重復(fù)周期可根據(jù)應(yīng)用平臺(tái)不同而調(diào)整,平均功耗較低,體積較小[4],已大量應(yīng)用于Argo等海洋探測計(jì)劃[5],但其只具備單向通信能力,無法預(yù)測衛(wèi)星過頂時(shí)刻,只能采用分時(shí)不間斷方式傳輸數(shù)據(jù),不利于進(jìn)一步降低功耗。
2007年12月,作為Argos-3系統(tǒng)重要組成部分的平臺(tái)信息收發(fā)器已由日本的Kenwood公司和法國的Elta公司分別研制成功,并開展安裝試驗(yàn)確認(rèn)了性能。其信號(hào)調(diào)制方式均采用相位調(diào)制,供電模塊選用5.5 V—14 V的直流電源,發(fā)射功率可根據(jù)不同速率在1 W—5 W范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié),其它性能參數(shù)見表1[6-7]。相比于平臺(tái)發(fā)射終端,平臺(tái)信息收發(fā)器數(shù)據(jù)傳輸速率得到了較大提升,具備了雙向通信能力。用戶可以利用下行鏈路,通過下行信息管理中心(DMMC)將用戶的控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給在遙遠(yuǎn)地方的平臺(tái),典型應(yīng)用包括開關(guān)收發(fā)器、改變時(shí)間或數(shù)據(jù)的配置、修改傳感器的采樣頻率等。并且,通過平臺(tái)信息收發(fā)器上的衛(wèi)星過頂預(yù)測軟件,能夠準(zhǔn)確計(jì)算出下一次衛(wèi)星過頂時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間。當(dāng)衛(wèi)星位于可見區(qū)域時(shí),利用雙向通信握手機(jī)制,不再需要發(fā)送多余數(shù)據(jù),減少了發(fā)送時(shí)間、降低了功耗,同時(shí)增加了平臺(tái)壽命[8]。
表1 平臺(tái)信息收發(fā)器性能參數(shù)
目前,平臺(tái)信息收發(fā)器主要被搭載在海洋探測浮體和浮標(biāo)上進(jìn)行試驗(yàn),還沒有大規(guī)模投入應(yīng)用[9]。2009年,由世界氣象組織(WMO)和政府間海洋學(xué)委員會(huì)(IOC)組建的數(shù)據(jù)浮標(biāo)協(xié)作組(DBCP)完成了試驗(yàn)計(jì)劃,該計(jì)劃共投放了50個(gè)浮體,并進(jìn)行了通信試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中,少部分浮體出現(xiàn)了一些問題,且有待于進(jìn)一步改進(jìn)[10-11]。另一方面,2個(gè)Argo剖面浮標(biāo)已經(jīng)在地中海進(jìn)行了投放試驗(yàn),經(jīng)過試驗(yàn)觀測,其工作壽命要明顯長于預(yù)期[12]。此外,平臺(tái)信息收發(fā)器的其它平臺(tái)應(yīng)用也正在陸續(xù)開發(fā)之中。
Argos空間衛(wèi)星構(gòu)成了系統(tǒng)空間部分,其實(shí)質(zhì)是搭載了星上數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的極軌氣象衛(wèi)星。從Argos系統(tǒng)建立至今,已有8顆Argos衛(wèi)星,其中6顆目前在軌運(yùn)行正常,具體信息見表2[13]。
表2 Argos衛(wèi)星
Argos衛(wèi)星的星上轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備由接收處理單元和發(fā)射單元組成。接收處理單元主要完成上行信號(hào)接收、多普勒頻率偏移值測量、時(shí)間標(biāo)簽信息提取、下行鏈路管理以及接收發(fā)射單元和衛(wèi)星間接口控制[1]。與Argos-2系統(tǒng)相比,上行鏈路擴(kuò)展為9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通道和3個(gè)高速通道,通信容量得到了較大提升[8],并具有向下兼容性,可接收平臺(tái)發(fā)射終端發(fā)射的信號(hào),定位精度由500 m提高到250 m。應(yīng)答信號(hào)、用戶控制命令以及衛(wèi)星星歷的發(fā)送由發(fā)射單元完成。
Argos系統(tǒng)地面接收站分成兩大類。一類是遙控指令和數(shù)據(jù)接收站(CDA),又叫主地面站,能夠在衛(wèi)星一次過頂?shù)臅r(shí)間內(nèi)將其上所有數(shù)據(jù)接收。這類地面站共3個(gè),其中2個(gè)由美國國家環(huán)境衛(wèi)星和資料情報(bào)服務(wù)部(NESDIS)管理,分別位于弗吉尼亞州的瓦勒普斯島和阿拉斯加州的吉爾摩·克里克,1個(gè)由法國空間氣象中心(CMS)管理,設(shè)在拉尼永[4]。由于主地面站數(shù)量有限,并且接收的數(shù)據(jù)還需要經(jīng)過處理才能送到用戶手中,這一過程一般需要14—26 h。若要獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),就需要借助地區(qū)性用戶接收機(jī)終端(LUT),又稱為直讀站。這類地面站接收設(shè)備相對簡單,對接收的數(shù)據(jù)只能做簡要的處理,其最大的特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性,只要直讀站和Argos系統(tǒng)平臺(tái)終端同處于衛(wèi)星的視場之內(nèi),直讀站就可以通過衛(wèi)星實(shí)時(shí)接收平臺(tái)終端的數(shù)據(jù),再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心[4]。當(dāng)前,全球范圍內(nèi)共有近60個(gè)直讀站,這極大提高了數(shù)據(jù)接收的實(shí)時(shí)性[14]。
Argos系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心分為全球數(shù)據(jù)處理中心和區(qū)域數(shù)據(jù)處理中心。全球數(shù)據(jù)處理中心共有2個(gè),分別位于美國的華盛頓和法國的圖盧茲。當(dāng)前,區(qū)域數(shù)據(jù)處理中心共有4個(gè),分別位于秘魯?shù)睦R、日本的東京、印度尼西亞的雅加達(dá)和澳大利亞的墨爾本[15]。區(qū)域數(shù)據(jù)處理中心負(fù)責(zé)一定區(qū)域內(nèi)地面站的數(shù)據(jù)處理,并將結(jié)果傳回全球數(shù)據(jù)處理中心。
Argos系統(tǒng)用戶服務(wù)中心通過全球通訊系統(tǒng)、國際互聯(lián)網(wǎng)、國際電傳網(wǎng)絡(luò)、國際電話網(wǎng)絡(luò)和郵寄等方式向用戶分發(fā)數(shù)據(jù)。全球通訊系統(tǒng)是一個(gè)世界氣象組織之間用來交換氣象觀測資料的通訊網(wǎng)絡(luò),連接著各個(gè)國家氣象中心。目前,仍有大量用戶使用其提取數(shù)據(jù)[16]。相比于其它方式,國際互聯(lián)網(wǎng)在更新速度、傳輸容量、可操作性和建設(shè)成本上有較大優(yōu)勢,越來越受到用戶的歡迎。
Argos系統(tǒng)既能傳輸數(shù)據(jù),又能進(jìn)行定位,具有覆蓋全球,服務(wù)連續(xù),能在惡劣環(huán)境下及時(shí)獲取數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)。目前,已廣泛應(yīng)用于氣象學(xué)、海洋學(xué)、生物學(xué)、火山學(xué)、地震學(xué)、漁業(yè)資源保護(hù)以及體育活動(dòng)之中[17]。
在氣象學(xué)和海洋學(xué)中,人們利用Argos系統(tǒng)傳輸回來的探測數(shù)據(jù)進(jìn)行海洋特征研究,例如熱帶西太平洋上層熱含量的初步研究[18]。在一些全球性的氣象和海洋研究計(jì)劃和監(jiān)測網(wǎng)中普遍使用Argos系統(tǒng),如全球大氣研究計(jì)劃、熱帶海洋和全球大氣計(jì)劃、世界海洋環(huán)流實(shí)驗(yàn)計(jì)劃、世界天氣監(jiān)測網(wǎng)以及海洋剖面探測的Argo計(jì)劃等。
在生物學(xué)中,科學(xué)家使用Argos系統(tǒng)對陸地動(dòng)物和海洋動(dòng)物進(jìn)行持續(xù)跟蹤,以研究其分布、遷徙習(xí)性、生理特征變化情況以及人類活動(dòng)對其造成的影響,并對瀕臨滅絕的動(dòng)物給予保護(hù)和進(jìn)行控制[19]。
在火山學(xué)中,利用Argos系統(tǒng)傳送微震頻率和幅度數(shù)據(jù)并進(jìn)行定位,確定巖漿上升情況,預(yù)報(bào)火山爆發(fā),并作為保護(hù)當(dāng)?shù)鼐用竦木瘓?bào)系統(tǒng)初始數(shù)據(jù)。在地震學(xué)上,利用Argos系統(tǒng)傳送地震發(fā)生的具體時(shí)間,進(jìn)行遠(yuǎn)距離地震監(jiān)測。
在漁業(yè)資源保護(hù)上,由CLS公司基于Argos開發(fā)的ArgoNet系統(tǒng)用于漁船監(jiān)控,得到了世界上許多漁業(yè)大國以及印度洋金槍魚委員會(huì)(IOTC)、大西洋金槍魚類保護(hù)委員會(huì)(ICCAT)等國際漁業(yè)組織的認(rèn)可。目前,全世界有一萬多艘漁船安裝使用,并為30多個(gè)國家的漁業(yè)執(zhí)法機(jī)構(gòu)提供服務(wù)[15]。另外,漁業(yè)科研部門也可利用ArgoNet根據(jù)實(shí)際氣象條件和捕獲情況建立漁情信息庫,供漁情預(yù)報(bào)使用。在體育活動(dòng)中,利用Argos系統(tǒng)跟蹤橫渡大洋的賽艇,便于活動(dòng)組織者及時(shí)掌握競賽情況。
(1)通信傳輸性能進(jìn)一步增強(qiáng)
隨著科學(xué)研究的深入和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,平臺(tái)感知的信息量將繼續(xù)增大,進(jìn)一步提高Argos系統(tǒng)的通信能力是未來發(fā)展的必然方向。提升通道速率、增加高速通道數(shù)量以及提高頻率利用率將成為必然趨勢。
(2)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性進(jìn)一步提高
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取能夠提高氣象實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)能力和海洋環(huán)境動(dòng)態(tài)變化監(jiān)控能力,對氣象學(xué)和海洋學(xué)具有重要意義。增加空間衛(wèi)星和地面站數(shù)量,研究重點(diǎn)區(qū)域優(yōu)先覆蓋策略,提高地面站接收性能,開發(fā)數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理技術(shù)和減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取具有積極重要的意義。
(3)應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓展
目前,Argos系統(tǒng)在海洋學(xué)上的應(yīng)用主要集中在對其特性參數(shù)的探測。然而,隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人類活動(dòng)對海洋環(huán)境造成了不可低估的影響。將Argos系統(tǒng)應(yīng)用于沿海海洋水質(zhì)監(jiān)測和海岸帶生態(tài)健康監(jiān)測,可以實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測和實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。另外,利用Argos系統(tǒng)的雙向通信能力,能夠?qū)崿F(xiàn)水文學(xué)監(jiān)測站和冰川學(xué)監(jiān)控點(diǎn)的無人化運(yùn)行。
(4)平臺(tái)終端技術(shù)性能進(jìn)一步提高
針對海洋探測、動(dòng)物跟蹤、無人監(jiān)測站等應(yīng)用需求,平臺(tái)終端將向著小體積和低功耗方向發(fā)展。另一方面,將平臺(tái)終端與定位接收機(jī)集成開發(fā),不但能滿足高精度定位要求,還具備信息輸入、傳輸以及顯示等功能,有望成為具有簡單控制系統(tǒng)的綜合業(yè)務(wù)終端。
國內(nèi)對Argos系統(tǒng)的應(yīng)用已積累了一定經(jīng)驗(yàn),但面對新一代Argos系統(tǒng),只有全面深入地了解其新特點(diǎn)、新變化,進(jìn)一步掌握系統(tǒng)發(fā)展的現(xiàn)狀與趨勢,才能更好地為我國開展自然環(huán)境探測服務(wù),特別是在競爭日益激烈的海洋探測方面。目前,全球陸地資源日趨緊張、環(huán)境不斷惡化,世界各國紛紛將目光轉(zhuǎn)向海洋,開發(fā)海洋資源、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)成為沿海國家國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱,也是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的前沿陣地。海洋資源開發(fā)、海洋環(huán)境安全、海洋權(quán)益維護(hù)和海洋氣象預(yù)報(bào)這些都離不開海洋環(huán)境探測技術(shù)。充分利用Argos系統(tǒng),大幅提升海洋環(huán)境探測能力,發(fā)展海洋科學(xué)技術(shù),為我國海洋事業(yè)的發(fā)展和環(huán)境保護(hù)發(fā)揮積極作用。
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