基于北斗通訊的ADCP集成技術(shù)研究

袁銳 孫文俊

（第七一五研究所，杭州，310023）

聲學(xué)多普勒流速剖面儀(下文簡(jiǎn)稱 ADCP)是一種利用聲學(xué)多普勒效應(yīng)測(cè)量水域剖面流速的儀器，一般有3～4個(gè)水聲換能器，相互間存在一定的夾角，每個(gè)換能器都能接收和發(fā)射信號(hào)。我國(guó)的ADCP是在20世紀(jì)90年代才開(kāi)始起步，比國(guó)外起步晚了將近30年，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在使用的ADCP大部分都是引進(jìn)的。海洋強(qiáng)國(guó)是國(guó)家戰(zhàn)略的重要組成部分，特別是近期提出的智慧海洋，以完善的海洋信息采集與傳輸體系為基礎(chǔ)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海洋資源共享、海洋活動(dòng)協(xié)同，創(chuàng)造新價(jià)值。流場(chǎng)信息是海洋環(huán)境三個(gè)基礎(chǔ)要素之一，也是智慧海洋不可缺少的數(shù)據(jù)信息。當(dāng)前ADCP是測(cè)量流場(chǎng)信息的主要工具，它采用聲學(xué)多普勒原理，直接測(cè)出斷面的流速剖面。相比早期的機(jī)械式測(cè)量，它具有精度高、效率高、不影響流場(chǎng)特性等優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)展和普及國(guó)產(chǎn)ADCP，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-4]。

本文項(xiàng)目在某大型海港的每個(gè)碼頭裝有共計(jì)十余套水平測(cè)流儀，以獲取整個(gè)海港的海流信息，便于艦船和潛艇做出正確決策，如是否適合出港或訓(xùn)練等。為了同時(shí)獲取整個(gè)海港的海流信息，需要將所有碼頭的水平測(cè)流儀數(shù)據(jù)集成處理，本文討論基于北斗通訊的 ADCP集成系統(tǒng)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1 系統(tǒng)總體概況

項(xiàng)目為每套ADCP和北斗終端系統(tǒng)配備一套太陽(yáng)能供電設(shè)備，滿足其用電需求。供電箱一方面向ADCP和北斗終端供電，一方面存儲(chǔ)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的電能。在供電箱電能充足的情況下，正常向設(shè)備供電，若供電箱電能不足時(shí)，自動(dòng)切斷向設(shè)備供電直到電能充足為止。

ADCP實(shí)時(shí)采集水域數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)處理后通過(guò)串口發(fā)送給北斗終端；北斗終端將數(shù)據(jù)分成若干頻度，依次通過(guò)衛(wèi)星發(fā)送給指揮機(jī)；指揮機(jī)再將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給岸基服務(wù)器；服務(wù)器接收數(shù)據(jù)后按北斗 ID號(hào)將分開(kāi)的頻度進(jìn)行組包，獲取完整的ADCP數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并且放入緩存，通過(guò)WCF（Windows Communication Foundation）供每個(gè)客戶端讀取。當(dāng)客戶端需要向ADCP發(fā)送指令以控制其工作方式時(shí)，客戶端可以選擇單獨(dú)發(fā)送（控制單個(gè)ADCP）或廣播發(fā)送（控制所有ADCP），通過(guò)WCF服務(wù)，將指令發(fā)送給服務(wù)器；服務(wù)器通過(guò)串口將指令發(fā)送給指揮機(jī)，指揮機(jī)通過(guò)衛(wèi)星將指令發(fā)送給對(duì)應(yīng)北斗終端，北斗終端通過(guò)串口將指令發(fā)送給ADCP，ADCP接收并執(zhí)行指令。系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖1所示。

系統(tǒng)構(gòu)成根據(jù)安裝地點(diǎn)可以分為兩部分，一部分安裝在近岸邊，另一部分安裝在指揮室。近岸邊和指揮室通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。近岸邊包括河流邊、沿海邊和碼頭上等。ADCP安裝在水下，采集水域數(shù)據(jù)。北斗終端安裝在岸基，通過(guò)電纜接收水下ADCP傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并通過(guò)衛(wèi)星發(fā)送給指揮室。ADCP通過(guò)電纜與北斗終端相連，接口方式為串口。由于安裝地域太陽(yáng)能充足，因此在近岸邊采用太陽(yáng)能方式供電。

指揮室設(shè)備包括指揮機(jī)、服務(wù)器、交換器以及多臺(tái)客戶端電腦。指揮機(jī)包括一個(gè)收發(fā)端和一個(gè)控制器，收發(fā)端接收通過(guò)衛(wèi)星發(fā)送來(lái)的北斗終端數(shù)據(jù)，也能通過(guò)衛(wèi)星向北斗終端發(fā)送指令?？刂破鲗?duì)收發(fā)端接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，再通過(guò)串口將其發(fā)送到WCF服務(wù)器，最后客戶端通過(guò)WCF可實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)。

2 ADCP集成通訊方式選擇

ADCP集成指將分布在多個(gè)水域的ADCP通過(guò)某種通訊方式關(guān)聯(lián)起來(lái)，形成一個(gè)數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)。單個(gè)ADCP探測(cè)范圍有限，集成多個(gè)ADCP可以獲取更大范圍的水域信息，更有利于海洋監(jiān)測(cè)。ADCP集成系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 ADCP集成系統(tǒng)

ADCP集成涉及到數(shù)據(jù)的集成通訊選擇，可供選擇的方式有：電纜、電臺(tái)、互聯(lián)網(wǎng)、短信貓和北斗通訊等。每一種通訊方式都有優(yōu)勢(shì)和不足。電纜不受環(huán)境影響、通訊質(zhì)量高、數(shù)據(jù)傳輸量大，但成本高、鋪設(shè)工程浩大、易被人為損壞；電臺(tái)屬于無(wú)線通訊，成本低、使用靈活方便，但受環(huán)境影響，傳輸距離有限，數(shù)據(jù)誤碼率較高；在有互聯(lián)網(wǎng)接入條件下，選擇互聯(lián)網(wǎng)通訊成本低、通訊質(zhì)量高，但絕大多數(shù)情況下，ADCP集成系統(tǒng)是沒(méi)有互聯(lián)網(wǎng)連接條件的；短信貓是基于移動(dòng)通訊的數(shù)據(jù)傳輸方式，類似于發(fā)送手機(jī)短信，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率低，但頻繁發(fā)送短信導(dǎo)致成本較高，而且單次傳輸數(shù)據(jù)量小、及時(shí)性差，并且大多數(shù)水域無(wú)移動(dòng)信號(hào)；北斗通訊是基于北斗衛(wèi)星通訊系統(tǒng)的民用數(shù)據(jù)通訊，優(yōu)勢(shì)在于覆蓋范圍廣、成本低，受惡劣環(huán)境影響導(dǎo)致誤碼率較高，數(shù)據(jù)傳輸量有限；

項(xiàng)目實(shí)際開(kāi)展中具有以下特點(diǎn)：（a）位于某海域內(nèi)港，移動(dòng)信號(hào)較弱；（b）天氣較好；（c）ADCP安裝地離岸基中心較遠(yuǎn)；（d）無(wú)互聯(lián)網(wǎng)接入條件。特點(diǎn)（a）不適用于短信貓；特點(diǎn)（b）有利于無(wú)線傳輸；特點(diǎn)（c）不適用于電纜和電臺(tái)，電纜成本太高，距離太遠(yuǎn)不適用于電臺(tái)；特點(diǎn)（d）不能選擇互聯(lián)網(wǎng)傳輸；因此，北斗數(shù)據(jù)通訊成為最優(yōu)選擇并且滿足ADCP集成數(shù)據(jù)量傳輸。

3 北斗民用數(shù)據(jù)通訊

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的，利用地球同步衛(wèi)星為用戶提供全天候、區(qū)域性的衛(wèi)星定位服務(wù)。此外該系統(tǒng)還兼?zhèn)錅y(cè)量、數(shù)字通訊和擴(kuò)頻技術(shù)，成為繼美國(guó)GPS和俄羅斯GLONASS之后的第三大全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，為我國(guó)的信息安全提供了保障，同時(shí)也免費(fèi)為全球提供服務(wù)[5-7]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供兩種數(shù)據(jù)通訊：軍用和民用。本文討論民用數(shù)據(jù)通訊，如圖3所示。

圖3 北斗民用數(shù)據(jù)通訊

民用數(shù)據(jù)通訊包括多個(gè)北斗終端和一個(gè)指揮機(jī)，指揮機(jī)需要裝入一張指揮卡，北斗終端需要裝入一張民用卡，指揮卡和民用卡都有各自 ID號(hào)，指揮機(jī)和北斗終端通過(guò) ID號(hào)可以向指定的指揮機(jī)或北斗終端發(fā)送數(shù)據(jù)。民用數(shù)據(jù)通訊按組內(nèi)通訊辦法實(shí)施，即一張指揮卡和多張民用卡為一組，只有組內(nèi)成員才能相互通訊；指揮卡向民用卡發(fā)送數(shù)據(jù)分兩種方式：?jiǎn)为?dú)發(fā)送和廣播發(fā)送。單獨(dú)發(fā)送時(shí)指揮卡只向組內(nèi)一張民用卡發(fā)送數(shù)據(jù)；而廣播發(fā)送時(shí)指揮卡向組內(nèi)所有民用卡同時(shí)發(fā)送相同數(shù)據(jù)；民用數(shù)據(jù)通訊有頻度限制，即指揮卡或民用卡在一個(gè)周期內(nèi)只能發(fā)送一次數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)長(zhǎng)度有限，一個(gè)周期稱為一個(gè)頻度，一般為 1 min，通常情況下在一個(gè)頻度內(nèi)，指揮卡比民用卡發(fā)送的數(shù)據(jù)量大。

4 數(shù)據(jù)流

北斗通訊有頻度限制，因此ADCP的周期（兩包數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間間隔）應(yīng)大于等于北斗終端發(fā)送一次ADCP數(shù)據(jù)所占用的頻度。

ADCP采集到海洋或者河流數(shù)據(jù)后，通過(guò)串口發(fā)送到北斗終端。北斗終端接收ADCP數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)分為若干頻度，通過(guò)衛(wèi)星將各個(gè)頻度依次發(fā)送給指揮機(jī)。指揮機(jī)接收到衛(wèi)星數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)以固定格式打包發(fā)送給服務(wù)器。數(shù)據(jù)不僅包括ADCP數(shù)據(jù)，還包括北斗終端 ID號(hào)、總頻度數(shù)以及該數(shù)據(jù)包為第幾頻度。解析這些數(shù)據(jù)后，開(kāi)始整合ADCP數(shù)據(jù)。比如當(dāng)服務(wù)器接收一個(gè)頻度的ADCP1數(shù)據(jù)后，若解析出它的總頻度數(shù)大于它的第幾頻度，服務(wù)器會(huì)將該數(shù)據(jù)放入緩存并繼續(xù)等待接收；如果解析到它的總頻度數(shù)等于它的第幾頻度，服務(wù)器便開(kāi)始整合所有緩存中的ADCP1數(shù)據(jù)，獲取一批完整ADCP數(shù)據(jù)。若整合的數(shù)據(jù)有效，便將其放在緩存和存儲(chǔ)，并在界面上顯示，以供它用；若數(shù)據(jù)無(wú)效，界面上顯示錯(cuò)誤信息，最后將緩存中的ADCP1數(shù)據(jù)全部刪除，消除對(duì)后面接收數(shù)據(jù)的影響。服務(wù)器將所有完整的ADCP數(shù)據(jù)放在緩存中，通過(guò)WCF供每一個(gè)客戶端讀取。每個(gè)客戶端根據(jù)自己的需要，可以查看不同ADCP的數(shù)據(jù)。ADCP數(shù)據(jù)流如圖4所示。

圖4 ADCP數(shù)據(jù)流

客戶端根據(jù)需要向ADCP發(fā)送指令，控制其工作方式。若選擇單獨(dú)發(fā)送，則指令將發(fā)送給某一個(gè)ADCP，若選擇廣播發(fā)送，則所有ADCP接收到相同指令，即客戶端可以控制某一個(gè)ADCP或者同時(shí)控制所有ADCP。指揮機(jī)發(fā)送指令也存在頻度限制，由于指令數(shù)據(jù)較少，只占用一個(gè)頻度，一個(gè)頻度為1 min，因此指令發(fā)送間隔應(yīng)≥1 min；指令數(shù)據(jù)流和ADCP數(shù)據(jù)流完全相逆，原理是一樣的，不再贅述。指令流如圖5所示。

圖5 指令流

5 結(jié)束語(yǔ)

該項(xiàng)目完工至今已穩(wěn)定運(yùn)行1年有余，據(jù)統(tǒng)計(jì)，北斗通訊數(shù)據(jù)傳輸有效率在98%左右。在天氣條件不佳的情況下，比如云層較厚和雨天，北斗通訊數(shù)據(jù)丟包較嚴(yán)重，最壞情況下丟包率為20%左右；天氣良好條件下，丟包率基本為零。

系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)水域（海洋、河流）信息，提供有效可靠的水文數(shù)據(jù)。使用太陽(yáng)能為設(shè)備提供電力支持，這在比較偏遠(yuǎn)的水域、無(wú)供電設(shè)施或者供電不方便情況下，有著重要意義。同時(shí)系統(tǒng)也存在一些不足：由于北斗通訊民用卡存在頻度限制，因此數(shù)據(jù)傳輸量有限；近岸邊使用太陽(yáng)能供電，在雨天、陰天或者晚上，可能導(dǎo)致太陽(yáng)能電池供電不足，設(shè)備無(wú)法正常工作。改進(jìn)方案：針對(duì)ADCP數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)一種適用的壓縮編碼和糾錯(cuò)編碼，減少數(shù)據(jù)傳輸量，提高數(shù)據(jù)通訊質(zhì)量；設(shè)計(jì)更加完善、能保障不間斷的供電方案。

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