基于北斗衛(wèi)星通信與定位的深海回收信標機研制

張美燕，周莉萍，彭學虎(浙江水利水電學院 電氣工程學院，浙江 杭州 310018)

基于北斗衛(wèi)星通信與定位的深海回收信標機研制

張美燕，周莉萍，彭學虎
(浙江水利水電學院 電氣工程學院，浙江 杭州 310018)

針對北斗通信與定位模塊設計、水下嵌入式處理電路、機電聯(lián)合微功耗控制、整機密封耐壓工藝設計等關鍵部分，研制成功了一套深海和近海環(huán)境的海洋監(jiān)測系統(tǒng)回收搜尋信標機，該系統(tǒng)采用北斗通信和定位技術(shù)獲取回收信標機實時位置數(shù)據(jù)，進而導引用戶搜尋設備完成回收，為海洋環(huán)境監(jiān)測和調(diào)查設備的可靠回收提供技術(shù)保證.

衛(wèi)星通信與定位；海洋環(huán)境監(jiān)測；深海回收；信標機

0 引 言

在海洋環(huán)境監(jiān)測領域，浮標、潛標和水下工作站是獲取定點海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的最普遍的搭載平臺[1].作為一種連續(xù)、長期、無人值守的觀測系統(tǒng)，浮標、潛標和水下工作站等海洋環(huán)境監(jiān)測設備一直以來備受海洋研究者和海洋工程人員的青睞[2].海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)往往布放于廣袤的海面或一定深度的水下，系統(tǒng)集成了很多昂貴的測量與探測儀器，也存儲了大量寶貴的數(shù)據(jù)，因此海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)布放前必須考慮的問題之一就是后期如何實現(xiàn)系統(tǒng)可靠回收.目前，基于水聲定位技術(shù)的超基線定位、長基線定位及短基線定位系統(tǒng)等作為主要的水下定位技術(shù)，由于系統(tǒng)復雜、所用設備昂貴，布放回收困難，所以并沒有成為現(xiàn)今潛標和水下工作站的主要回收方式.目前潛標和水下工作站的回收基本上都采用了將系統(tǒng)投放時的GPS定位數(shù)據(jù)當作回收位置的方式.但是海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)容易受到海洋風暴、漁船的拖網(wǎng)作業(yè)、洋流等各種因素的影響，系統(tǒng)在回收之前其位置很可能會發(fā)生較大變化，這樣給海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的搜尋和回收帶來了巨大的困難，甚至可能造成設備與數(shù)據(jù)的丟失，從而造成巨大的經(jīng)濟損失[4].由于國內(nèi)還缺乏有效的搜尋信標機產(chǎn)品，往往設備布放前需要耗費大量人力物力進行多次試驗以提高回收可靠性，從而盡量減少海洋環(huán)境監(jiān)測設備丟失事件，避免損失大量昂貴設備及珍貴數(shù)據(jù).因此，隨著海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的推廣應用，迫切需要研制輔助海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可靠回收的技術(shù)與設備.

本文設計的海洋監(jiān)測系統(tǒng)回收搜尋信標機可提升海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的自主性、安全性和作業(yè)效率，因此可以廣泛應用于陸源入海排污區(qū)、海水養(yǎng)殖區(qū)、典型海洋生態(tài)脆弱區(qū)等場合，實現(xiàn)我省海洋水文、生態(tài)信息的長期監(jiān)測，從而為海洋環(huán)境研究提供真實寶貴的數(shù)據(jù)，為環(huán)境資源保護與開發(fā)提供技術(shù)支撐.

1 國內(nèi)外相關研究

國外已經(jīng)出現(xiàn)了一些信標機系列產(chǎn)品.加拿大Xeostech公司[5]的Sable 5000產(chǎn)品具有銥星通訊和GPS定位功能，特制鋁合金的外殼使得信標機能在5 000 m水深正常工作，而且信標機配備了大容量電池可支持長期工作.XMB-7500是Xeostech的另一款產(chǎn)品，該產(chǎn)品特制鋁合金外殼使得設備工作深度達7500m.XMF-7500產(chǎn)品是一款LED光信標機，采用特制鈦合金外殼，設備小巧，使用深度達7 500 m.加拿大的MetOcean公司也研發(fā)了上述幾種類型的設備[6]，而且在設備參數(shù)等方面也比較相似(見圖1).

圖1 國外MetOcean產(chǎn)品

我國在該項技術(shù)領域尚處于起步階段，目前國內(nèi)幾乎沒有可用于水下環(huán)境特別是深海環(huán)境的信標機產(chǎn)品.目前報道和文獻中只出現(xiàn)了一些船載使用的定位終端，因此無法滿足在數(shù)千米水深工作條件下的使用需求.目前在需要用到信標機的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，都采用了國外的昂貴產(chǎn)品，或者根本沒有配置回收信標機，這樣給設備回收搜尋帶來了很大的困難.國外信標機產(chǎn)品廣泛采用了由美國控制的銥星衛(wèi)星系統(tǒng)，因此在使用的安全性和便捷性方面存在著較大問題.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)全天候為各類用戶提供高可靠定位、導航、授時服務，并具短報文通信能力，已經(jīng)具備了區(qū)域?qū)Ш健⒍ㄎ缓褪跁r能力，隨著北斗衛(wèi)星數(shù)量的增多，定位精度將進一步提高，覆蓋范圍將擴展到全球[7-8].北斗衛(wèi)星導航通信系統(tǒng)以其特有的短報文通信和精確定位能力，在各個應用領域的作用已經(jīng)慢慢凸顯出來.考慮到我國當前海域環(huán)境要素監(jiān)測的迫切需求，為了在質(zhì)量和參數(shù)上獲得與國外同功能的產(chǎn)品可比性，突破國外技術(shù)壟斷，本文研制了一種新型的基于北斗衛(wèi)星通信與定位的海洋監(jiān)測系統(tǒng)回收搜尋信標機.目前國內(nèi)北斗衛(wèi)星相關的產(chǎn)業(yè)鏈出現(xiàn)了百花爭鳴的局面，也有很多自主研制的國產(chǎn)化北斗芯片.因此，本文研制的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)回收搜尋信標機具有完全國產(chǎn)化意義.

2 基于北斗通信的深海信標機系統(tǒng)構(gòu)架

基于北斗通信的深海信標機系統(tǒng)工作方式(見圖2).當海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)準備投放部署之前，將信標機捆扎在海洋環(huán)境監(jiān)測設備并下潛至一定的水深，此時機械開關處于閉合位置，壓力開關處于斷開位置，故信標機處于斷電狀態(tài).當海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)處于回收階段時，信標機隨著海洋環(huán)境監(jiān)測設備上浮，至距水面較近時，壓力傳感器觸發(fā)信標機壓力開關閉合，信標機開始接收北斗衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，然后通過北斗通信方式將當前的經(jīng)緯度位置數(shù)據(jù)發(fā)送出去，同時高亮LED開啟閃爍提醒.信標機通過北斗衛(wèi)星服務將實時位置數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務端，用戶終端實時獲取信標機的位置數(shù)據(jù)進行解析顯示，從而快速便捷地搜索到海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)順利回收.

2.1 北斗通信與定位電路設計與實現(xiàn)

北斗通信與定位電路是整個信標機系統(tǒng)中最關鍵的部分，其信號流(見圖3).基帶處理芯片通過UART串口接收到定位申請或通信申請數(shù)據(jù)時，將串口數(shù)據(jù)調(diào)制為BPSK基帶信號發(fā)射給射頻芯片，射頻芯片上變頻基帶信號為中心頻率為1 615.68 MHz的射頻信號，然后通過功放芯片將射頻功率放大，最后通過天線發(fā)射給北斗衛(wèi)星.當系統(tǒng)接收到北斗電文信號時，通過低噪聲放大器(LNA)[9]，將微弱的電波信息濾波、放大到一定增益的射頻信號，然后射頻芯片將中心頻率為2 491.75 MHz的北斗一代報文信息解調(diào)為12.24 MHz的基帶模擬信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，包括符號位和幅度位，最后基帶芯片解析數(shù)字信號.

圖2 基于北斗通信的深海信標機系統(tǒng)

圖3 北斗通信定位信號流框圖

2.2 水下嵌入式低功耗系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

水下嵌入式電路系統(tǒng)的框架如圖4所示：鋰電池組、機械控制開關、水壓感知開關、微功耗管理電路負責信標機系統(tǒng)的供電與管理，鋰電池組的電能通過級聯(lián)的機械控制開關和水壓感知開關才能傳遞給信標機系統(tǒng)供電，微功耗管理電路負責信標機系統(tǒng)的功率測量及系統(tǒng)保護工作；北斗通信定位模塊、微功耗處理器、LED驅(qū)動電路負責信標機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與控制，北斗通信定位模塊完全采用芯片搭建，體積和功耗都根據(jù)信標機整體系統(tǒng)設計，微功耗處理器負責定位數(shù)據(jù)的獲取與傳輸，同時對北斗通信定位模塊實施休眠控制以降低功耗.在實際設計中，采用了STM8L系統(tǒng)微功耗單片機作為處理器，最低功耗可以達到0.35 μA，同時對各個模塊加入MOS管控制功能，實現(xiàn)水下系統(tǒng)的微功耗，最大限度延長工作周期.信標機系統(tǒng)采用單節(jié)容量為3 400 mAH的松下18650電池組供電，9節(jié)并聯(lián)后可以達到3 AH以上的容量，按照平均電流10 mA計算，可以連續(xù)工作15 d.

圖4 水下嵌入式系統(tǒng)框圖

2.3 信標機裝置機械結(jié)構(gòu)與組裝工藝設計

信標機的大部分使用時間都是協(xié)作海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)工作的，因此長期處于高壓、黑暗、低溫等特殊的水下環(huán)境.由于海水的腐蝕性及破壞性，故信標機的設計要求很高，特別是耐壓倉.本項目通過對水下防腐蝕、耐壓密封、減振抗沖擊等關鍵技術(shù)研究，從而保證密封倉的電子系統(tǒng)在海水環(huán)境中正常工作.為滿足不同水深的耐壓密封要求，本項目合理選取倉體材料、密封圈類型，采用先進加工工藝，多次打壓測試，保障耐壓密封質(zhì)量；為了電子系統(tǒng)能在具有腐蝕性的海水中長期工作，耐壓密封倉必須具備良好防腐蝕能力，本項目引入陰極保護、表面氧化處理技術(shù)來保證耐壓密封倉的防腐蝕能力；同時，電子系統(tǒng)與倉蓋一體化，使得電子系統(tǒng)具有良好的減振抗沖擊性能.

信標機耐壓倉的機構(gòu)設計與機械開關設計(見圖5)，主體結(jié)構(gòu)主要包括三個部分：頂部端蓋、主倉體以及底部開關，頂部端蓋用于放置北斗天線和高亮LED燈，主倉體用于放置電路系統(tǒng)和鋰電池組，底部開關用于進行手動斷電控制與自動壓力感知控制.其中底部開關的設計尤為復雜，包括如下5部分：(1)螺紋結(jié)構(gòu)，連接柱形倉體，采用與端蓋相同的密封圈密封工藝；(2)O型圈及柱形栓，中心位置有一根可移動的柱形栓用于傳遞水壓，O型圈用于密封，防止水從柱形栓周圍的縫隙滲進去；(3)凹槽型橡膠結(jié)構(gòu)，底面是一層薄膜，用來感應水壓，并擠壓柱形栓移動；(4)手動開關，通過旋動旋鈕，可控制系統(tǒng)電源的連接；(5)金屬鋅，作用是陽極保護，保護整個信標機倉體不易被腐蝕.

圖5 機構(gòu)裝置與機械開關設計圖

3 基于北斗通信的深海信標機系統(tǒng)測試結(jié)果

本文對信標機的關鍵部件——北斗通信和定位電路，在實驗室環(huán)境中進行了功能和指標測試，圖6是北斗一代導航通信模塊實物圖，圖7為北斗通信與定位測試，測試結(jié)果表明收發(fā)端能實現(xiàn)可靠通信，同時接收端能準確定位并顯示發(fā)送端位置信息，實現(xiàn)精確定位.北斗通信速率采用115 200波特率/秒，數(shù)據(jù)發(fā)送間隔為每分鐘一次，數(shù)據(jù)包長度為64字節(jié)，實際測試性能一定程度上受天氣影響，天氣狀況良好時，完成定位或者通信申請所需時間較短，通常為10～20 s，系統(tǒng)性能比較理想，通信定位成功率超過90%，定位精度小于5 m；當陰雨天時，由于北斗一代電報文信息衰減較大，導致完成定位或通信申請的時間延長，通常60 s時間都沒法完成定位或通信過程，多次試驗取平均值，可計算出通信定位成功率低于50%，定位精度達10 m左右，大大影響了系統(tǒng)性能.另外，信標機被裝載在海底環(huán)境原位監(jiān)測系統(tǒng)進行了海試，并通過順利回收海底環(huán)境原位監(jiān)測系統(tǒng)，驗證了信標機的功能.圖8為深?；厥招艠藱C近海海試場景，海洋環(huán)境下信號質(zhì)量較高，使用效果良好.

圖6 北斗一代導航通信模塊實物圖

圖7 北斗通信與定位測試

圖8 深?；厥招艠藱C近海海試場景

4 結(jié) 語

本文采用北斗通信和定位技術(shù)實現(xiàn)信標位置數(shù)據(jù)的無線衛(wèi)星方式傳輸，通過綁定在海洋環(huán)境監(jiān)測調(diào)查系統(tǒng)上的回收信標機獲取實時位置數(shù)據(jù)，進而導引用戶搜尋設備完成回收.本文研究了北斗通信與定位模塊設計、水下嵌入式處理電路、機電聯(lián)合微功耗控制、整機密封耐壓工藝設計等關鍵部分，最終研制成功了一套支持深海和近海環(huán)境的海洋監(jiān)測系統(tǒng)回收搜尋信標機，為海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和調(diào)查設備的可靠回收提供技術(shù)保證，為海洋環(huán)境狀況評級和依法監(jiān)管的科學決策提供詳實、可靠、及時的數(shù)據(jù).

[1] 王 宗.海洋遠程浮標數(shù)據(jù)傳輸與處理系統(tǒng)研制[D].杭州:杭州電子科技大學,2011.

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[6] Metocean. Satellite Beacons: Oceanographic exploration is important. So are your assets.[N/OL]. 2015-01-01 [2015-10-20]. http://www.metocean.com/products/tracking-monitoring/novatech-beacons-flashers/novatech-satellite

[7] 于海俠.淺談北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展意義[J].電子世界,2014(13):19.

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Deep Sea Recovery Beacon System Based on Beidou Satellite Communication and Positioning

HANG Mei-yan, ZHOU Li-ping, PENG Xue-hu

(College of Electrical Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

In this paper, one kind of beacon assistant for the marine environment and ecological monitoring system was proposed. The coordinate position of the marine environmental monitoring system is transmitted to the user with Beidou communication, so as to guide users to search for equipment to complete recovery. This paper mainly studied the beidou communication and positioning module design, underwater embedded processing circuit, electrical and mechanical joint micro power consumption control, whole sealing pressure process design, finally developed a set of recycling search beacon machine of deep sea and offshore environmental monitoring systems, which provides technical guarantee for reliable recycling of marine environmental monitoring and survey equipment.

satellite communication and positioning; marine environmental monitoring; deep sea recovery; beacon

2016-02-03

浙江省公益性技術(shù)應用研究計劃項目(2016C33091)

張美燕(1983-)，女，臺州三門人，碩士研究生，講師，從事無線傳感器網(wǎng)絡、新型能源技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等研究.

P742

B

1008-536X(2016)08-0071-05