近水面北斗衛(wèi)星通信終端設(shè)計

楊華洪常委

（1.海軍研究院,北京，100161；2.第七一五研究所，杭州，310023）

隨著海洋監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，各種用途的海洋環(huán)境參數(shù)獲取設(shè)備應(yīng)運而生。海洋浮標(biāo)既是一種高技術(shù)、經(jīng)濟(jì)適用的監(jiān)測設(shè)備，也是海洋環(huán)境參數(shù)獲取的重要技術(shù)裝備，它能夠長期在水中工作，完成遠(yuǎn)距離海洋環(huán)境參數(shù)傳輸，是調(diào)查船在空間和時間上的延伸擴(kuò)展。而小型浮標(biāo)相比與傳統(tǒng)的人工原位測量或自主采集/定期回收的方法，前者具有低成本、遠(yuǎn)距離、實時監(jiān)測的特點，在海洋調(diào)查中得到了廣泛應(yīng)用。一次性的小型浮標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸一般依靠衛(wèi)星通信，衛(wèi)星傳輸鏈路的效率決定了浮標(biāo)的工作效率。小型浮標(biāo)由于體積較小，無法安裝其他浮力裝置，通常依托浮標(biāo)腔體提供的浮力漂浮在海面，水面以上的高度較低。雖然衛(wèi)星通信天線在浮標(biāo)的頂端，但由于總的水線高度很低，衛(wèi)星通信天線距離水面仍然較低。當(dāng)海浪起伏時，天線搖擺幅度大，對衛(wèi)星通信效率產(chǎn)生了極其不利的影響。本文主要研究適用于小型浮標(biāo)的近水面衛(wèi)星通信終端的設(shè)計及應(yīng)用。

1 衛(wèi)星通信終端簡介

目前國際主流的浮標(biāo)用衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括ARGOS衛(wèi)星通信、銥星通信、北斗通信等。ARGOS衛(wèi)星主要用于國際ARGO組織相關(guān)浮標(biāo)的數(shù)據(jù)通信，需要在特定的時刻才能實現(xiàn)特定位置的通信，實時性難以保證。銥星通信在國際海洋浮標(biāo)中應(yīng)用較多，但其運營在他國，數(shù)據(jù)傳輸需要依托他國衛(wèi)星系統(tǒng)，考慮到數(shù)據(jù)的私密性，必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，一般用于北斗無法覆蓋的區(qū)域時使用。近年來，隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，其定位導(dǎo)航功能逐步完善，通信功能仍然保留，為國內(nèi)自主研制的海洋浮標(biāo)通信提供了良好的數(shù)據(jù)傳輸平臺。

2 通信終端設(shè)計思想

2.1 實際問題

小型浮標(biāo)由于其距離水面僅有幾十厘米，搖擺幅度可達(dá)±70°。在設(shè)計中必須考慮以下問題：

（1）浮標(biāo)體積小，擺動顛簸幅度大，海面又是近似一張金屬面，多路徑效應(yīng)嚴(yán)重，天線設(shè)計時必須在體積小、重量輕的前提下滿足收/發(fā)寬波束的要求。

（2）衛(wèi)星天線接近海面，海浪激起的浪花將不時灑落在天線罩表面，一旦天線罩表面形成水膜將嚴(yán)重影響衛(wèi)星通信發(fā)射效率。

（3）衛(wèi)星通信瞬間功率可能不滿足通信要求，必須建立可靠的通信機(jī)制。

2.2 衛(wèi)星通信天線設(shè)計

通過對比各類衛(wèi)星天線的優(yōu)缺點[1]，我們采用雙四臂螺旋天線。該天線特點為體積小，不需要基地面，而且對附近金屬構(gòu)件不敏感[2]。在設(shè)計時為滿足寬波束收發(fā)，要求天線在低仰角時（±70°）增益≥?2 dB。圖1為雙四臂螺旋天線的示意圖。

圖1 雙四臂螺旋天線

圖1中，上部為接收天線（S）、下部為發(fā)射天線（L）。共軸級聯(lián)布局的S上與L下，性能差別較大，特別是在俯仰角低于45°時，S幅度和相位響應(yīng)的劣化較明顯（相對于L來說），S天線的輻射激勵 L單元并產(chǎn)生的一個相當(dāng)大的后峰。為了減小S天線的影響，在有條件的情況下，拉升S和L的距離（1/4λ≤H≤1/2λ）有助于提高S的響應(yīng)。

圖2～3為實測的接收天線與發(fā)射天線波束圖。由圖可以看出，±70°范圍內(nèi)波束增益最小值為 0 dB，能夠保證衛(wèi)星天線在±70°搖擺的條件下，滿足通信要求。

圖2 接收天線波束圖

圖3 發(fā)射天線波束圖

2.3 天線罩表面處理

由于浮標(biāo)體積小、距離水面近，無法避免浪花灑落在天線罩表面。在設(shè)計時需要考慮讓海水快速脫離天線罩表面，即形成超疏水性。

天線罩在加工后一般不具備超疏水性，本文采用的方法是天線罩表面涂覆超疏水性涂層[3]，如聚二甲基硅氧烷類。涂覆該涂層后，導(dǎo)致水珠大部分只與空氣接觸，與天線罩表面接觸面積大大減少。由于水的表面張力使得水滴在天線罩表面形狀接近于球形，接觸角大于150°，水珠快速滾落，不在天線罩表面形成水膜，進(jìn)而提高衛(wèi)星天線在近水面的使用效果。

2.4 通信機(jī)制設(shè)計

在近水面衛(wèi)星通信終端中不僅要關(guān)注衛(wèi)星天線設(shè)計，還需要針對近水面衛(wèi)星通信設(shè)計有效的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。

1）功率查詢

經(jīng)過實驗驗證，報文傳輸?shù)某晒β逝c北斗衛(wèi)星星況有著直接的聯(lián)系，浮標(biāo)控制軟件在啟動北斗通信鏈路后首先查詢當(dāng)前北斗衛(wèi)星星況，只有在當(dāng)前功率信息滿足一定的條件下才進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

2）數(shù)據(jù)重發(fā)與存儲

報文傳輸?shù)某晒β蔬€與信息發(fā)送后北斗通信鏈路的反饋信息有著直接的聯(lián)系，故在信息發(fā)送后，設(shè)定一定的期限查詢反饋信息以確認(rèn)信息是否發(fā)射成功。如信息發(fā)送失敗則進(jìn)行一次重發(fā)；在重發(fā)失敗的情況下，將本批數(shù)據(jù)存儲下來，以便將來補(bǔ)發(fā)。

3）數(shù)據(jù)補(bǔ)發(fā)

北斗通信鏈路常受北斗衛(wèi)星星況、海洋氣候條件等因素的影響，會導(dǎo)致浮標(biāo)的數(shù)據(jù)發(fā)送失敗。因此采用了數(shù)據(jù)補(bǔ)發(fā)機(jī)制，在浮標(biāo)每個工作周期，將當(dāng)前數(shù)據(jù)成功發(fā)送后，對以前發(fā)送失敗后存儲在終端flash中的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)發(fā)，從而極大地提高了北斗衛(wèi)星通信鏈路的成功率。

3 試驗驗證

采用文中方法設(shè)計的近水面北斗衛(wèi)星通信終端如圖4所示。上端白色圓柱部分為天線罩，表面涂覆超疏水涂層；內(nèi)部為雙四臂螺旋天線，具備北斗定位、短報文通信功能；下部半球體內(nèi)為相關(guān)配套電路模塊。圖4所示為其在海水中的工作狀態(tài)。

圖4 近水面北斗衛(wèi)星通信終端實物

試驗前期采用車載類北斗通信終端，在實驗室條件下能夠正常通信，但在入水后（內(nèi)湖試驗湖面平靜條件下），通信效率明顯降低，初步統(tǒng)計成功率約70%。

將該終端與小型海洋浮標(biāo)組裝調(diào)試后，隨海洋科考船前往外海進(jìn)行投放，浮標(biāo)試驗期間累計發(fā)送數(shù)據(jù)2 000批次，有效接收數(shù)據(jù)1 875批次，浮標(biāo)通信成功率為93.8%。試驗期間持續(xù)不低于5級海況，最高達(dá)6級，近水面北斗衛(wèi)星通信終端仍能夠正常發(fā)送數(shù)據(jù)。試驗表明該近水面衛(wèi)星通信終端能夠在高海況條件下穩(wěn)定的進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo)。

4 結(jié)論

本文通過采用雙四臂螺旋天線在有限的尺寸、重量條件下解決了近水面環(huán)境下北斗衛(wèi)星通信發(fā)射、接收的寬波束設(shè)計；采取超疏水性涂層的方法進(jìn)一步提高了北斗衛(wèi)星天線在近水面的適用性。通過實物測試、試驗驗證，該衛(wèi)星通信終端能夠滿足近水面的使用要求。

隨著我國深遠(yuǎn)海戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，不同類型的海洋浮標(biāo)將會應(yīng)運而生，近水面北斗衛(wèi)星通信終端的成功應(yīng)用解決了海洋浮標(biāo)特別是海面小型浮標(biāo)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸問題，為小型浮標(biāo)的大規(guī)模推廣使用奠定了基礎(chǔ)，近水面北斗衛(wèi)星通信終端將有著廣闊的應(yīng)用前景。