基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的海洋監(jiān)測浮標(biāo)通信系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

王世明,李晴

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,海洋工程研究所,上海 201306)

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基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的海洋監(jiān)測浮標(biāo)通信系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

王世明,李晴

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,海洋工程研究所,上海 201306)

我國海洋立體監(jiān)測業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展對海洋監(jiān)測浮標(biāo)通信設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),具有快速定位、精密授時、雙向通信等功能,保密性強(qiáng),滿足海洋監(jiān)測浮標(biāo)距離岸站遠(yuǎn)、監(jiān)測數(shù)據(jù)大、數(shù)據(jù)保密性強(qiáng)的需求。本文在充分了解國內(nèi)外海洋觀測現(xiàn)狀和海洋觀測設(shè)備的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一款基于北斗衛(wèi)星通信的海洋浮標(biāo),著重介紹了北斗衛(wèi)星在浮標(biāo)通信中的設(shè)計,從而更好的為我國海洋環(huán)境立體監(jiān)測業(yè)務(wù)提供參考。

北斗衛(wèi)星;海洋浮標(biāo);監(jiān)測;通信系統(tǒng);設(shè)計

0　引　言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,海上人類活動越來越頻繁的同時,海洋環(huán)境問題也日益凸顯:除了受到海洋污染、海洋赤潮等多種海洋環(huán)境災(zāi)害的影響外,我國沿海地區(qū)還受臺風(fēng)、海浪、風(fēng)暴潮、海冰等多種動力現(xiàn)象形成的災(zāi)害影響,是世界上海洋災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一[1-3]。而海洋監(jiān)測技術(shù)作為國家863計劃中與海洋有關(guān)的三個主題之一,在維護(hù)海洋權(quán)益、開發(fā)海洋資源、預(yù)警海洋災(zāi)害、保護(hù)海洋環(huán)境、加強(qiáng)國防建設(shè)、謀求新的發(fā)展空間等方面起著十分重要的作用,也是展示一個國家綜合國力的重要標(biāo)志[4]。大力發(fā)展海洋監(jiān)測的前沿技術(shù),不僅可以提高國家海洋監(jiān)測技術(shù)原始創(chuàng)新能力,同時還可以為其它海洋技術(shù)的持續(xù)發(fā)展奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)[5]。

浮標(biāo)觀測是目前海洋觀測的主要手段,是海洋環(huán)境立體監(jiān)測網(wǎng)的重要組成部分,具有抗惡劣環(huán)境強(qiáng)、容量大、在位時間和壽命長(最長使用壽命達(dá)20年)、抗人為破壞能力強(qiáng)等特點,尤其能在一些如風(fēng)暴潮、臺風(fēng)等災(zāi)害性天氣過程中,獲取寶貴的水文氣象數(shù)據(jù)資料,為災(zāi)害性天氣過程研究提供數(shù)據(jù)支持,已成為國家海洋監(jiān)測、海洋軍事維權(quán)、環(huán)境保護(hù)、減災(zāi)防災(zāi)、石油和生物資源勘探開發(fā)、港灣建筑、漁業(yè)捕撈、海水養(yǎng)殖工程等重要載體,這是其他海洋觀測手段所無法替代的[6-7]。因此,對于海洋浮標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和分析,能夠更好地促進(jìn)海洋監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展,推動海洋的開發(fā)和利用,為經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會進(jìn)步作出貢獻(xiàn)。海洋浮標(biāo)監(jiān)測過程中很多項目需要遠(yuǎn)海、長時間數(shù)據(jù)監(jiān)測,需要耗費大量的人力、物力。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所具備的數(shù)據(jù)通信功能可以很好的解決海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)通信的問題,通過地面站不僅可以輕松獲得監(jiān)測數(shù)據(jù),而且可以利用雙向通信功能對遠(yuǎn)在萬里之外的設(shè)備進(jìn)行遙控。因此本文基于北斗衛(wèi)星設(shè)計一款適用于近岸的多參數(shù)的海洋監(jiān)測浮標(biāo),更好的為我國海洋環(huán)境立體監(jiān)測業(yè)務(wù)提供幫助。

1　浮標(biāo)采用衛(wèi)星通信方式介紹

從我國開始研制海洋浮標(biāo)以來,先后采用過多種通信方式,可分為三大類:衛(wèi)星通信(海事衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、Argo衛(wèi)星通信系統(tǒng)、銥星通信)、移動網(wǎng)絡(luò)通信(CDMA、GPRS、3G)、無線電通信(VHF),由于后兩者受到通信距離的限制,不能用于深遠(yuǎn)海的數(shù)據(jù)通信[8],因此當(dāng)前海洋浮標(biāo)多采用衛(wèi)星通信的方式。海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用成熟的技術(shù),在海上移動通信、目標(biāo)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集中應(yīng)用廣泛,具有全球(除南北極區(qū)外)、全時、全天候、穩(wěn)定、可靠、高質(zhì)量、大容量和自動通信等顯著優(yōu)點;Argos衛(wèi)星系統(tǒng)是利用極軌衛(wèi)星傳輸環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)并對測量儀器載體進(jìn)行定位的系統(tǒng),可以為偏遠(yuǎn)高緯度地區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,具有雙向通信、數(shù)據(jù)容量大、速率高的特點[9-10]。但是這兩種通信方式也存在一定的弊端:兩者通信綜合功耗大,衛(wèi)星是其他國家開發(fā)設(shè)計,保密性和自主控制性不強(qiáng);Argos衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量不高;海事衛(wèi)星設(shè)備和通信費用較高。與之相比,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為我國自主研發(fā)的系統(tǒng),它具有高強(qiáng)度加密設(shè)計,安全、可靠、穩(wěn)定的特點,適合關(guān)鍵部門應(yīng)用,在國內(nèi)浮標(biāo)沒計及應(yīng)用中使用越來越廣泛[11]。

2　北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)介紹

2.1北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)介紹

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),英文全稱為BeiDou(CO-MPASS)Navigation Satellite System,由太空的導(dǎo)航通信衛(wèi)星、地面控制中心和用戶終端三部分組成。是中國正在實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),同時也是繼美國的GPS、俄羅斯的GLONASS之后第三個較成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[12],主要具有以下特點:

1) 同時具備定位與通信雙重功能。定位由太空的導(dǎo)航通信衛(wèi)星、地面控制中心和用戶終端三部分組成,三維定位精度約幾十米,授時精度約100 ns,覆蓋范圍較大,沒有通信盲區(qū);北斗通信功能是提供短報文通信,不僅能知道自己的位置信息,還能將自己的位置信息傳輸給別人,依托北斗用戶機(jī)可以實現(xiàn)雙向通訊，無需其它通信系統(tǒng)支持,而GPS、GLONASS只能定位;

2) 具備精密授時功能。系統(tǒng)具有單向和雙向兩種授時功能。根據(jù)不同的精度要求,利用授時終端,完成與 CNSS之間的時間和頻率同步,提供100 ns(單向授時)和20 ns(雙向授時)的時間同步精度。

3) 可靠性強(qiáng),使用安全。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),使用不受國外勢力所影響,適合相關(guān)部門使用。

4) 數(shù)據(jù)通信實時性強(qiáng)。數(shù)據(jù)傳輸快捷,一次發(fā)送時間大約為1 s,接收終端在幾秒鐘之內(nèi)就可以接收到發(fā)送端傳輸?shù)臄?shù)據(jù),實時性比較強(qiáng)[13-14]。

2.2北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在海洋浮標(biāo)上的應(yīng)用

由于海洋浮標(biāo)與岸上通信距離較遠(yuǎn),數(shù)據(jù)通信大多采用衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸方式。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在通信方面具有系統(tǒng)容量大、設(shè)備及通信費用低、通信實時性強(qiáng)等特點,目前已廣泛的應(yīng)用在浮標(biāo)通信上。北斗衛(wèi)星的短報文通信服務(wù)可以實現(xiàn)雙向通信,可以實現(xiàn)浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)的上傳、個性信息點對點通信以及共性信息廣播通信,針對不同的情況提供不同的服務(wù),有助于節(jié)約成本,提高效率[15]。

目前我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還在發(fā)展建設(shè)階段,預(yù)計到2020年前后,系統(tǒng)的覆蓋范圍將擴(kuò)展到全球,經(jīng)緯度位置和垂直高度定位理論上能達(dá)到7.5 m 的精度。該系統(tǒng)最終能實現(xiàn)的定位精度、測速精度和授時精度分別可以達(dá)到 10 m、0.2 m/s 以及10 ns.但是目前北斗通信技術(shù)還存在一些不足:

1) 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)單次通信數(shù)據(jù)量小。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的二類民用用戶一次只可以傳輸最多120個漢字的二進(jìn)制數(shù)據(jù),如果數(shù)據(jù)量超過必須要分包發(fā)送;

2) 數(shù)據(jù)存在丟失現(xiàn)象。如果沒收到接收方的回復(fù)確認(rèn),則發(fā)送端重新發(fā)送丟失的數(shù)據(jù)包,為防止過多的通訊,冗余最多重復(fù)發(fā)送6遍;

3) 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通信時間間隔大?？紤]多浮標(biāo)的情況,很可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)不能在本時次的有限時間內(nèi)全部傳輸完的情況;

4) 北斗通信按數(shù)據(jù)量收費。常年累月大數(shù)據(jù)量通信勢必導(dǎo)致通信成本的飆升;

5) 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可靠性并非百分之百。系統(tǒng)可靠性達(dá)99.98%,但是存在0.02%的不可靠概率[8，16-17]。

除了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自身的不足,海洋浮標(biāo)監(jiān)測要素繁多:海上生態(tài)環(huán)境參數(shù)主要有風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、濕度等要素;海洋動力參數(shù)主要有海水溫度、鹽度、潮汐、潮流、海流、海浪、葉綠素、濁度等10多類200多種數(shù)據(jù)。因此海洋浮標(biāo)數(shù)據(jù)通信量大的問題亟待解決,目前主要有以下幾個措施:

1) 中國海洋大學(xué)黎明、時海勇[16]于2012年提出了一種基于“位拼接-LZW”兩重壓縮機(jī)制:位拼接就是將數(shù)據(jù)在位的層面按一定順序首尾相接,再斷截成字節(jié),這樣做可以減少位空間浪費;LZW壓縮算法對具有一定相似度的數(shù)據(jù)具有顯著的壓縮效果,兩者結(jié)合能有效提升北斗通信效率,每一包節(jié)省一幀的通信費用和通信時間,并通過實踐驗證了此機(jī)制的可靠性,為今后北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在浮標(biāo)數(shù)據(jù)通信方面提供了一個新的思路和方法。

2) 山東海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室李文慶等四人[8]于2012年采用數(shù)據(jù)發(fā)送與重復(fù)發(fā)送機(jī)制提高數(shù)據(jù)接收率:首先將數(shù)據(jù)包根據(jù)數(shù)量大小分為1-3個子包,并建立數(shù)據(jù)緩沖池(buffer pool)進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖接收,最后將數(shù)據(jù)取出后進(jìn)行數(shù)據(jù)包拼接處理。經(jīng)實驗驗證北斗數(shù)據(jù)接收率為96.46%,滿足浮標(biāo)接收率的需求;

3) 國家海洋技術(shù)中心的成方林等人[13]于2004年提出一種數(shù)據(jù)壓縮技術(shù),如圖1所示,首先對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行無損壓縮,為防止數(shù)據(jù)丟失,在發(fā)送端定時向接收端查詢,發(fā)現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)及時重傳,提高數(shù)據(jù)通信的可靠性。

圖1　浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)壓縮流程

3　海洋浮標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

海洋監(jiān)測技術(shù)是一個綜合了計算機(jī)、信息和傳感器、數(shù)據(jù)庫、遠(yuǎn)程通信等多學(xué)科而形成的綜合高新技術(shù),集成了多學(xué)科的發(fā)展成果,代表了高技術(shù)的發(fā)展前沿,它隨著相關(guān)學(xué)科技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展。針對多參數(shù)海洋浮標(biāo)設(shè)計一個監(jiān)測系統(tǒng),具體包括浮標(biāo)系統(tǒng)、岸站接收系統(tǒng)和上位機(jī)等,示意圖如圖2所示，需完成以下內(nèi)容:水深30 m海域內(nèi)一定的浮標(biāo)放置點放入一定數(shù)量的海洋浮標(biāo)設(shè)備,水上浮標(biāo)裝有多種氣象要素傳感器,分別測量風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、氣溫和濕度等氣象要素;水下浮標(biāo)可攜帶多種水文要素的傳感器,分別測量波浪、水深、海溫和鹽度等海洋傳感要素。各傳感器產(chǎn)生的信號,通過儀器自動處理,由發(fā)射機(jī)將信號定時發(fā)送給北

斗衛(wèi)星,北斗衛(wèi)星將信號發(fā)送到地面接收站,將收到的信號進(jìn)行處理,就得到了人們所需的資料。

圖2　海洋浮標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

3.1浮標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的設(shè)計

主要包括浮標(biāo)標(biāo)體,錨泊系統(tǒng),防護(hù)設(shè)備,傳感器、數(shù)據(jù)采集、存儲和傳輸模塊,供電系統(tǒng)模塊的設(shè)計和選型;

3.2浮標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)的設(shè)計

設(shè)計開發(fā)的是一個在無人值守情況下,長期、連續(xù)地記錄浮標(biāo)現(xiàn)場的海洋環(huán)境要素的監(jiān)測系統(tǒng)?？紤]到LabVIEW軟件具有功能強(qiáng)大、編程靈活、人機(jī)界面友好的特點,特選用其作為前臺開發(fā)工具,而SQL Server擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理功能,作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫,監(jiān)測系統(tǒng)能實現(xiàn)的系統(tǒng)功能如圖3所示。

圖3　海洋浮標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

4　基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的海洋浮標(biāo)通信系統(tǒng)設(shè)計

如圖4所示,本通信系統(tǒng)由北斗空間衛(wèi)星、網(wǎng)管中心和民用用戶終端三部分組成。基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)適應(yīng)海洋環(huán)境條件的通用通信控制終端,并通過將控制終端安裝在浮標(biāo)上,將浮標(biāo)采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)按規(guī)定的傳輸協(xié)議傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)接收站,構(gòu)建從海上監(jiān)測設(shè)備到地面接收站的數(shù)據(jù)鏈路,實現(xiàn)離岸監(jiān)測數(shù)據(jù)利用我國自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠傳輸[18]。其各部分具體的設(shè)計方案如下:

圖4　北斗衛(wèi)星通信子系統(tǒng)示意圖

1) 衛(wèi)星終端:使用北斗指揮型用戶機(jī),可以使中心站同時監(jiān)測若干個終端。浮標(biāo)使用北斗嵌入式終端機(jī),具有體積小,功耗低的特點;

2) 組網(wǎng)方案:采用點到點傳輸結(jié)構(gòu)模式來實現(xiàn)通信組網(wǎng)方案,進(jìn)而實現(xiàn)對浮標(biāo)的監(jiān)測與控制。監(jiān)控中心站與遠(yuǎn)端浮標(biāo)構(gòu)成一點對多點的傳輸模式。監(jiān)控中心站所發(fā)出的指令或信息以通播方式播發(fā)至所有遠(yuǎn)端浮標(biāo)或單獨發(fā)送到某一指定遠(yuǎn)端浮標(biāo)。如調(diào)整浮標(biāo)通信時間間隔、發(fā)送休眠指令等。

3) 應(yīng)用方式:浮標(biāo)端按照設(shè)定的報信方式,通過北斗嵌入式終端將數(shù)據(jù)發(fā)送到北斗空間衛(wèi)星,北斗衛(wèi)星將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到北斗地面站民用網(wǎng)管中心,同時轉(zhuǎn)發(fā)給北斗指揮型終端。

4) 系統(tǒng)設(shè)備供電設(shè)計:為保證系統(tǒng)能穩(wěn)定、可靠地運行,系統(tǒng)中遠(yuǎn)端浮標(biāo)設(shè)備的供電電源應(yīng)滿足在長期海上漂移的情況下,能長期正常工作的要求。因此,采用低功耗運行措施,即當(dāng)測控軟件處理完所有事件變化請求和衛(wèi)星終端成功發(fā)送數(shù)據(jù)后,立即進(jìn)入休眠狀態(tài)。該狀態(tài)為低功耗狀態(tài),所有高功耗電路的電源被關(guān)閉。

5) 電子海圖:各級中心站監(jiān)控平臺配備電子海圖,指揮機(jī)與監(jiān)控平臺相連接,實時將各個浮標(biāo)的位置在電子海圖上顯示出來。

6) 傳感器連接:設(shè)置必要的傳感器獲取數(shù)據(jù)。傳感器通過多串口卡與北斗終端相連接,直接通過接口傳出相應(yīng)數(shù)據(jù),再通過多串口控制卡經(jīng)過處理打包發(fā)送至北斗衛(wèi)星終端,傳回監(jiān)控中心,最后由監(jiān)控中心解包還原為需要的數(shù)據(jù)[19]。

5　結(jié)束語

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為我國自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),具有投資小、用戶設(shè)備簡單價廉、可靠性高、保密性強(qiáng)等特點,它的出現(xiàn)為海洋監(jiān)測浮標(biāo)中衛(wèi)星通信和定位系統(tǒng)的應(yīng)用提供了一個新的選擇,為采用國產(chǎn)衛(wèi)星定位通信系統(tǒng)進(jìn)行海洋觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)於思夹g(shù)基礎(chǔ)。本文結(jié)合海洋浮標(biāo)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特點,設(shè)計了一款基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的海洋監(jiān)測浮標(biāo)通信系統(tǒng)。雖然目前該系統(tǒng)還存在通信數(shù)據(jù)少、數(shù)據(jù)丟失等不足,但只要采取針對措施,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完全可以代替當(dāng)前我們使用的國外系統(tǒng),應(yīng)用到更多的海洋監(jiān)測平臺中。

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[16]黎明,時海勇. 基于北斗衛(wèi)星的大型海洋浮標(biāo)通信機(jī)制研究[J]. 海洋技術(shù),2012,31(1):1-5.

[17]洪常委. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在海洋浮標(biāo)中的應(yīng)用[J]. 聲學(xué)與電子工程,2014(2):41-43.

[18]彭偉, 徐俊臣,杜玉杰,等. 基于北斗系統(tǒng)的海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計[J].海洋技術(shù),2009,28(3):13-15.

[19]劉晉川,楊瑞,李海波,等. 基于北斗衛(wèi)星定位通信的海上溢油跟蹤浮標(biāo)研究[J].航海技術(shù),2009(2):35-37.

Design and Application of Ocean Monitoring Buoy Communication System Based on BeiDou Satellite Navigation System

WANG Shiming,LI Qing

(DepartmentofEngineeringInstituteofOceanEngineering,Shanghai201306,China)

The continuous development of ocean monitoring service for ocean monitoring buoys communication device stability and reliability of the higher requirements. "Beidou" navigation system is a satellite navigation system with our own intellectual property rights, with fast positioning, precise timing, two-way communication and other functions, confidentiality, meet ocean monitoring buoys from the shore station far, monitoring data size, data confidentiality It needs. Based on the full understanding of the status quo at home and abroad ocean observations and ocean observation equipment on the basis of a design based on ocean buoys Beidou satellite communication, focusing on the design Beidou satellite communications buoy, thus better for the monitoring of marine environmental perspective

ervice.

Beidou satellite; ocean buoys; monitoring; communications systems; design

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.04.022

2015-12-10

國家海洋局海洋赤潮災(zāi)害立體監(jiān)測技術(shù)與應(yīng)用國家海洋局重點實驗室開放研究基金項目; 上海市教委科研創(chuàng)新項目《海洋新能源在浮標(biāo)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究》

P715.2

A

1008-9268(2016)04-0102-05

王世明(1964-),男,山西忻州人,博士后,教授,博導(dǎo),主要研究方向為海洋可再生能源及海洋工程裝備。

李晴(1991-),女,山東濰坊人,碩士生,主要研究方向為海洋觀測浮標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸及故障分析。

聯(lián)系人： 李晴 E-mail: 18801771885@163.com