基于北斗的全海深裝備定位與通信系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

陳忠,郭威,周悅,王彪

(1.上海海洋大學 工程學院,上海 201306; 2.上海深淵科學工程技術研究中心,上海 201306)

基于北斗的全海深裝備定位與通信系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

陳忠1,2,郭威2,周悅1,2,王彪2

(1.上海海洋大學 工程學院,上海 201306; 2.上海深淵科學工程技術研究中心,上海 201306)

基于北斗雙模工作模式,設計一種將全海深海洋裝備的地理位置信息提供給母船或控制中心的定位與通信系統(tǒng)。提出使用衛(wèi)星無線電導航業(yè)務RNSS模式進行定位,并將位置及待傳輸信息通過衛(wèi)星無線電測定業(yè)務RDSS模式發(fā)送至接收模塊;采用光敏、傾角和溫度多傳感器組合冗余實現(xiàn)海洋裝備作業(yè)環(huán)境的全天候有效檢測,進而通過單片機控制北斗模塊的休眠與喚醒及北斗系統(tǒng)RDSS/RNSS模式間切換。定位測試試驗和馬里亞納海溝海試結果表明,所設計的全海深定位與通信系統(tǒng)不僅具有很高的快速定位成功率,而且能夠有效節(jié)約電池電量和實現(xiàn)短報文信息傳輸。

北斗雙模;定位;短報文通信;全海深裝備;低能耗

0 引 言

21世紀是“海洋世紀”。為重點突破制約我國在深海領域發(fā)展能力的核心關鍵技術,國家科技部于2016年2月發(fā)布的“十三五”重點專項“深海關鍵技術與裝備”備受國內(nèi)眾多研究機構和高校的關注[1]。作為全海深裝備關鍵技術之一的衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)就是保證及時獲取浮出海面裝備的信息,以便母船上工作人員及時完成對深海洋裝備信息的收集、裝備的回收與檢修,尤為重要。

我國自主研制的北斗系統(tǒng)除了具有無線電導航業(yè)務RNSS(Radio Navigation Satellite System)還具有其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)所不具備的無線電測定業(yè)務RDSS(Radio Determination Satellite Service)模式的短報文通信功能[2-4]?；诒倍沸l(wèi)星導航系統(tǒng)劉晉川等設計了海上溢油跟蹤浮標[5]、北斗星通公司發(fā)明了雙模船載終端[6]、萬常凡等發(fā)明了一種北斗短報文通信及北斗/GPS定位終端[7],這些研究成果極大地促進北斗衛(wèi)星定位與通信的發(fā)展與應用。目前,國際上通常采用GPS和銥星組合模式來進行海洋裝備定位[8-9],而由我國自主研制的北斗導航定位系統(tǒng)不僅在功能上能夠滿足定位與通信的要求,且從經(jīng)濟性、安全保密性和可定制化角度,更優(yōu)[10]。本文基于北斗雙模模式切換技術和多傳感器冗余組合技術,設計一種適用于全海深海洋裝備的定位與通信系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成

全海深海洋裝備的定位與通信系統(tǒng)包括一個位于母船(控制中心)接收/發(fā)送終端和一個安裝于海洋裝備頂部的接收/發(fā)送終端。后者為核心,主要由單片機主控模塊、北斗定位與通信模塊、傳感器模塊和電源模塊組成,置于密封的玻璃球體之內(nèi),由磁力開關控制其通斷,結構圖如圖1所示。

單片機模塊是系統(tǒng)的大腦,負責光敏、傾角和溫度信號的采集、處理及控制北斗定位通信模塊工作。本系統(tǒng)選用超低功耗的MSP430系列單片機[11]。

北斗定位與通信模塊擔負定位及與母船通信功能。北斗系統(tǒng)RDSS模式即可以發(fā)送短報文信息,又可以進行定位,但其定位精度低、能耗大、速度慢;RNSS模式盡管無短報文通信功能,但定位精度高,速度快、能耗低。結合北斗兩種工作模式特點,故采用RNSS模式定位,RDSS模式進行短報文通信,并由單片機進行模式切換,即首先通過北斗衛(wèi)星的RNSS模式進行位置定位,定位成功后再使用RDSS模式將全海深海洋裝備的地理位置信息及相關測量信息發(fā)送給母船或者控制中心。本文采用北斗星通公司的BDM-910模塊。

為盡可能減少電源能耗,僅在全海深海洋裝備作業(yè)浮出海面后喚醒北斗定位與通信模塊工作。本文采用多傳感器冗余的方式,即通過光的變化、海浪波動和溫度變化來判斷海洋裝備是否浮出水面,為此由單片機采集光敏傳感器、傾角傳感器和溫度傳感器的信息來決定系統(tǒng)是保持繼續(xù)休眠還是進入正常工作模式,在判斷設備浮出海面之后,觸發(fā)單片機從低功耗的狀態(tài)喚醒,同時開啟北斗通信模塊。

電源模塊為系統(tǒng)提供獨立能源供電。整套定位與通信系統(tǒng)密閉在內(nèi)徑為159 mm的深海玻璃球體內(nèi),且作業(yè)時不可中途充電,故對電池的尺寸和電池的容量都有很高的要求,本文選用電池容量10 000 mAh,故障率1/300 000的上海亞萊新能源科技有限公司的LFR1210P7A型號磷酸鐵鋰電池。

2 定位通信工作原理及設計

2.1定位通信原理

在海洋裝備浮出海面后,安裝于海洋裝備頂部的接收/發(fā)送終端首先通過RNSS模式對北斗衛(wèi)星發(fā)送定位申請,衛(wèi)星將定位申請發(fā)送至地面衛(wèi)星基站,地面基站計算地理位置信息,并反饋給定位終端。定位終端在接收到位置信息后通過RDSS模式以短報文形式將位置信息發(fā)送至母船(控制中心)接收終端,并由上位機顯示出來[12,13],定位與通信過程如圖2所示。

圖2 北斗定位與通信過程示意圖

2.2系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)通過單片機編程實現(xiàn)全海深海洋裝備工作狀態(tài)的判斷、北斗通信模塊的開啟、定位申請以及信息發(fā)送,其中傳感器優(yōu)先級為光感gt;傾角gt;溫度,系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

圖3 單片機主程序流程圖

3 試驗測試與分析

完成硬件原理圖、PCB電路板制作、程序編寫與調(diào)試以及電源、傳感器等各個模塊測試后,對系統(tǒng)進行整體組裝,并安裝在全海深著陸器上,系統(tǒng)組裝及水池試驗圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)組裝及水池試驗圖

3.1定位與通信性能測試

為了驗證系統(tǒng)定位的精確度,選取10個經(jīng)緯度確定的點作為基點。每個基點在相同的試驗條件下,利用北斗定位終端對每個基點定位測試10次。圖5(a)為以緯度30.889 032°N,以經(jīng)度121.891 712°E為基點所得到的試驗定位信息,將試驗測得到的定位經(jīng)緯度信息導入谷歌地圖,得到圖5(b)的試驗位置衛(wèi)星圖。將定位系統(tǒng)的短報文通信頻度通過單片機程序設定為每分鐘一次,系統(tǒng)在完成定位后將及時將定位信息發(fā)送至接收終端,接收終端可根據(jù)接收到的通信信息自動生成包含通信時間和位置信息的記事本文件,所得到的通信記事本文件如圖6所示。

3.2定位精度分析

因為地球是一個標準的橢球體,它的赤道半徑約為6 378.140 km,極半徑約為6 356.752 km2,平均半徑約為6 371 km.假設地球是一個完美的球體,半徑為R,以0°經(jīng)線為基準線,則根據(jù)地球表面上任意兩點的經(jīng)緯度便可求出兩點間的理論地表距離[14]。設第一點A的經(jīng)緯度為(LonA,LatA),第二點B的經(jīng)緯度為(LonB,LatB),按照0°經(jīng)線的基準,東經(jīng)取經(jīng)度的正值(Longitude),西經(jīng)取經(jīng)度負值(-Longitude),北緯取90-緯度值(90-Latitude),南緯取90+緯度值(90+Latitude),則經(jīng)過上述處理過后的兩點可表示為(LonA′,LatA′)和(LonB′,LatB′),則兩點距離為

D=R×(arccosΔ)×π/180 ，

(1)

式中:

Δ=sin(LatA′)×sin(LatB′)×cos(LonA′

-LonB′)+cos(LatA′)×cos(LatB′).

由式(1)分別求出每個基點n次試驗定位的測量誤差,其中第m個基點第j次定位的誤差記為Dmj,第m個基點測試標準差記為Sm.則第m個基點的測量誤差均值為

…+Dmn)/n.

(2)

第m個基點的標準差為

(3)

本文n取10,即在每個基點進行10次試驗定位,將在每基點試驗定位經(jīng)緯度信息與基點的真實位置進行記錄對比,并根據(jù)基點經(jīng)緯度與試驗定位的經(jīng)緯度求出該基點10次定位的誤差,進而求出該基點試驗的誤差均值與標準偏差。10個基點所得的測試結果如表1所示。

圖5 試驗定位信息及衛(wèi)星圖

圖6 通信接收端記事本文件

表1 定位精度測試結果

根據(jù)表1所得的數(shù)據(jù)得到如圖7所示的定位誤差均值和定位標準差。

圖7 定位誤差

由圖7可見,定位試驗測試誤差在10～25 m之間,且在空曠場地試驗定位誤差相對小,當試驗場地有遮擋物時定位誤差相對較大。因為定位系統(tǒng)自身的誤差及試驗環(huán)境都會對定位精度產(chǎn)生影響,總的來說系統(tǒng)的定位結果是穩(wěn)定的,完全能夠滿足海上裝備的定位與通信需求。

3.3海試結果

2016年12月,所設計北斗定位與通信系統(tǒng)隨“張謇號”科考母船赴馬里亞納海溝的海洋裝備進行萬米級海試,所設計的定位與通信系統(tǒng)各項功能良好,在馬里亞納海域定位信息如圖8所示。在海試期間,放置于上海海洋大學監(jiān)控中心的另一套北斗接收模塊也接收到了該系統(tǒng)和海試人員所發(fā)送的信息,實現(xiàn)了監(jiān)控中心、科考母船和海洋裝備間的北斗衛(wèi)星通信。

圖8 海試定位信息圖

4 結束語

本文針對全海深海洋裝備定位與通信需求,采用我國自主研發(fā)的北斗定位通信模塊進行開發(fā),與以往的基于GPS和銥星組合的海上定位通信系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)采用我國自主知識產(chǎn)權的北斗衛(wèi)星系統(tǒng),通過多傳感器組合冗余實現(xiàn)海洋裝備作業(yè)環(huán)境的全天候有效檢測,并采用單片機作為主控模塊實現(xiàn)定位通信模的開啟與關斷,保證整個定位與通信系統(tǒng)的低能耗。定位試驗測試和海試結果表明所設計的系統(tǒng)能夠準確判斷全海深裝備所處的工作環(huán)境、及時完成對裝備的位置定位和位置信息發(fā)送至母船或監(jiān)控中心,確保在茫茫大海中能夠順利回收海洋裝備,本系統(tǒng)也能夠適應其他無線和有線網(wǎng)絡不能覆蓋,緊靠衛(wèi)星通信的裝置實現(xiàn)定位與通信,具有很強的推廣應用價值。

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DesignandRealizationofthePositionandCommunicationSystemBasedonBDSforFullOceanDepthEquipment

CHENZhong1,2,GUOWei2,ZHOUYue1,2,WANGBiao2

(1.CollegeofEngineeringScienceandTechnology,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)(2.EngineeringResearchCenterofHadalScienceandTechnology,Shanghai201306,China)

Based on the dual-mode working pattern of BeiDou satellites, a position and communication system is designed to transmit the geographic location of full ocean depth marine equipment to the mother ship or control center. This paper adopts the radio navigation satellite system (RNSS) model for positioning and the radio determination satellite service (RDSS) model for sending the location or the transmission information to the receiver’s module. Such system uses photosensitive, angle and temperature sensors combination redundancy working mode to achieve all-weather effective detection for marine equipment operating environment, and then controls the sleep and wake modes of the Beidou module, and the switch between RDSS or RNSS mode by single-chip microcomputer. The experiment results of both location test and sea trials in the Mariana trench show that the system proposed in this paper not only has a high success rate of rapid positioning, but also can effectively save power supply and realize the transmission of short-message communicating.

Beidou dual-mode; positioning; short-message communicating; full ocean depth equipment; low energy consumption

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.05.015

TN965, U666

A

1008-9268(2017)05-0074-06

2017-04-19

國家自然科學基金(批準號:51439004)； 上海市科委“科技創(chuàng)新行動計劃”(編號:16142203200,15DZ1207000)； 上海海洋大學博士科研啟動基金(編號:A2-0203-17-100312)

聯(lián)系人: 陳忠 E-mail: 694085217@qq.com

陳忠(1991-),男,碩士研究生,主要主要從事北斗定位與通信系統(tǒng)的研究。

郭威(1971-),男,研究員,碩士生導師,主要從事潛水器控制系統(tǒng)總體及相關控制技術研究。

周悅(1970-),女,教授,碩士生導師,主要從事海洋工程裝備研究。

王彪(1986-),男,講師,博士,主要從事水下機器人控制系統(tǒng)設計、水下作業(yè)工具控制系統(tǒng)研究、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)及應用。