北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在波浪能自供電海洋浮標(biāo)中的應(yīng)用

王世明,田園,田卡

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306)

0 引 言

隨著海洋裝備技術(shù)的發(fā)展,目前人類在海上的活動(dòng)越來(lái)越頻繁,也因此帶來(lái)了一些需求問(wèn)題,如海洋氣候數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、報(bào)告等。一般的海洋監(jiān)測(cè)站都建立在沿?；蛘吆u上,因此只能監(jiān)測(cè)到沿?；蛘吆u的臨近海域情況,如果需要遠(yuǎn)洋的監(jiān)測(cè),那么監(jiān)測(cè)站是無(wú)法勝任的。目前較為成熟和廣泛使用的遠(yuǎn)洋監(jiān)測(cè)手段是海洋浮標(biāo)[1]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所具備的精確定位、精密授時(shí)和短報(bào)文通信功能可以很好地解決海洋浮標(biāo)定位、授時(shí)和海洋氣候監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題,通過(guò)北斗系統(tǒng)進(jìn)行雙向報(bào)文通信,不僅可以實(shí)現(xiàn)岸站對(duì)海洋浮標(biāo)傳統(tǒng)的信息采集功能,也可以實(shí)現(xiàn)岸站終端對(duì)浮標(biāo)的遙控功能[2]。本文基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款波浪能自供電的海洋浮標(biāo),通過(guò)自供電延長(zhǎng)浮標(biāo)壽命與工作穩(wěn)定性的同時(shí),也可以監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境與浮標(biāo)自身狀態(tài),為海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)提供幫助。

1 波浪能自供電浮標(biāo)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理

海洋浮標(biāo)能夠全天候、全天時(shí)、可靠穩(wěn)定地收集海洋環(huán)境信息。海洋浮標(biāo)分為水上與水下兩個(gè)部分,水上部分一般安裝各種收集氣象要素的傳感器,如風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、溫度傳感器等,水下部分則一般安裝各種收集水文要素的傳感器,如海溫傳感器、鹽度傳感器、海流傳感器等。海洋浮標(biāo)目前一般使用蓄電池對(duì)傳感器進(jìn)行供電,為延長(zhǎng)工作壽命,一般增加蓄電池的個(gè)數(shù)或者體積[3],這樣就導(dǎo)致浮標(biāo)的自身重量增加,不利于浮標(biāo)的布放與回收工作,而且海洋浮標(biāo)一般遠(yuǎn)離大陸,對(duì)于電池的更換非常麻煩且耗費(fèi)人力與物力。本文設(shè)計(jì)的搭載波浪能發(fā)電裝置的自供電浮標(biāo),就是為了解決海洋浮標(biāo)電能供應(yīng)的問(wèn)題。波浪能自供電海洋浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

浮標(biāo)中的波浪能發(fā)電裝置基本結(jié)構(gòu)如圖2所示,其套筒中設(shè)有兩組發(fā)電結(jié)構(gòu)組件,每組結(jié)構(gòu)組件一端伸入中空浮子,通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)與發(fā)電機(jī)相連,另一端連接雙向葉輪。裝置中葉輪、轉(zhuǎn)軸、齒輪、發(fā)電機(jī)順序連接,通過(guò)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)把波浪能的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能,葉輪在旋轉(zhuǎn)的同時(shí),通過(guò)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)連動(dòng)軸上的內(nèi)部齒輪,內(nèi)部齒輪又帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的齒輪,產(chǎn)生的機(jī)械能由此轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?通過(guò)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能經(jīng)過(guò)蓄電池附帶的電能處理電路進(jìn)行處理后儲(chǔ)存在蓄電池中,再通過(guò)蓄電池向浮標(biāo)上搭載的各類傳感器提供穩(wěn)定持續(xù)的電能。

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

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS),是由中國(guó)自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的全球范圍的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),是繼美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS之后,較為成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[4]。

如圖3所示,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要由三個(gè)部分構(gòu)成,一是太空中的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星,二是北斗地面控制端,三是北斗用戶終端設(shè)備。北斗系統(tǒng)空間衛(wèi)星端的作用主要是作為中轉(zhuǎn)站,全天候全天時(shí)的中繼并傳播自用戶終端和地面控制端的無(wú)線電信號(hào)[5];地面控制端是整個(gè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的控制與管理中樞,所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)計(jì)算處理都是在地面控制端完成;用戶終端設(shè)備是北斗用戶直接使用的裝置,用于接收地面控制端通過(guò)空間衛(wèi)星端轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)。實(shí)現(xiàn)精確定位、精密授時(shí)和短報(bào)文通信。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以其可定位,可雙向通信的特點(diǎn),在國(guó)內(nèi)的海洋浮標(biāo)中廣泛運(yùn)用[6]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)短報(bào)文通信服務(wù)可實(shí)現(xiàn)雙向通信,設(shè)備及通信費(fèi)用低,不僅能傳輸浮標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),也可對(duì)浮標(biāo)進(jìn)行個(gè)性信息點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信或者共性信息廣播通信,以做到對(duì)浮標(biāo)的調(diào)整和遙控。每個(gè)海洋浮標(biāo)搭載的北斗終端設(shè)備均擁有唯一的標(biāo)識(shí)ID卡號(hào)的IC卡,用以作為入網(wǎng)許可與用戶身份認(rèn)證[7]。一般海洋浮標(biāo)搭載的北斗終端為民用型北斗終端。

3 基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的通信系統(tǒng)組成及通信過(guò)程

3.1 系統(tǒng)組成

基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的浮標(biāo)通信系統(tǒng)主要包括浮標(biāo)部分和岸站部分。波浪能自供電海洋浮標(biāo)部分包括北斗/GPS雙模一體式普通型用戶機(jī)(放置于波浪能自供電海洋浮標(biāo)頂端)以及浮標(biāo)內(nèi)部的通信模塊,通信模塊包括指令接收模塊、狀態(tài)報(bào)告模塊與控制模塊。北斗用戶終端負(fù)責(zé)對(duì)浮標(biāo)進(jìn)行定位和傳遞浮標(biāo)傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息,指令接收模塊負(fù)責(zé)解析北斗用戶終端接收到的浮標(biāo)控制指令信息,狀態(tài)報(bào)告模塊負(fù)責(zé)收集浮標(biāo)傳感器數(shù)據(jù)[8],控制模塊則根據(jù)岸站接收系統(tǒng)發(fā)送的浮標(biāo)控制指令對(duì)浮標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行控制。

浮標(biāo)部分的主要功能是通過(guò)浮標(biāo)搭載的各類傳感器監(jiān)測(cè)目標(biāo)海域的環(huán)境情況,并且將傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳遞給岸站接收系統(tǒng)。

岸站部分由北斗用戶終端、岸站地面控制中心和岸站接收系統(tǒng)構(gòu)成。北斗用戶終端負(fù)責(zé)接收北斗衛(wèi)星傳遞的浮標(biāo)數(shù)據(jù)信息和向北斗衛(wèi)星傳遞岸站發(fā)出的浮標(biāo)控制指令,岸站地面控制中心負(fù)責(zé)按照指定的數(shù)據(jù)通信協(xié)議對(duì)接收與發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析與加密,岸站接收系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的顯示與發(fā)出控制指令。

岸站部分的主要功能是接收浮標(biāo)發(fā)送的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并根據(jù)監(jiān)測(cè)情況對(duì)浮標(biāo)發(fā)出控制指令。

3.2 數(shù)據(jù)通信過(guò)程

本波浪能自供電海洋浮標(biāo)其通信系統(tǒng)主要采用了北斗系統(tǒng)的精確定位、精密授時(shí)與短報(bào)文通信功能。該通信系統(tǒng)在控制方式下,用于傳遞岸站系統(tǒng)發(fā)送的浮標(biāo)狀態(tài)控制信息(包括檢查蓄電池電量,開(kāi)/閉傳感器等);在監(jiān)測(cè)方式下,對(duì)浮標(biāo)進(jìn)行精確定位、時(shí)間校準(zhǔn),同時(shí)傳遞海洋浮標(biāo)上的傳感器(包括溫度傳感器、鹽度傳感器、風(fēng)速傳感器等)收集的海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

浮標(biāo)上搭載的北斗/GPS雙模一體式用戶機(jī)接收來(lái)自北斗衛(wèi)星的浮標(biāo)控制信號(hào),并將接收到的浮標(biāo)控制信號(hào)傳遞給浮標(biāo)中的指令接收模塊,指令接收模塊根據(jù)制定的數(shù)據(jù)通信協(xié)議提取浮標(biāo)控制指令,然后將指令發(fā)送給控制模塊,控制模塊依據(jù)指令對(duì)浮標(biāo)進(jìn)行控制;浮標(biāo)的實(shí)時(shí)信息(如蓄電池電量、傳感器狀態(tài),位置信息等)則會(huì)通過(guò)狀態(tài)報(bào)告模塊根據(jù)制定的數(shù)據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行處理,并將處理過(guò)后的數(shù)據(jù)通過(guò)北斗/GPS雙模一體式用戶機(jī)發(fā)送給北斗衛(wèi)星。

岸站部分的北斗用戶終端接收來(lái)自北斗衛(wèi)星的信號(hào),并將接收到的數(shù)據(jù)信息傳遞給岸站地面控制中心,岸站地面控制中心根據(jù)制定的數(shù)據(jù)通信協(xié)議解析接收到的數(shù)據(jù)信息,并將解析后的數(shù)據(jù)發(fā)送至岸站接收系統(tǒng),岸站接收系統(tǒng)可以將其中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)(如蓄電池電量,傳感器狀態(tài),位置信息等)通過(guò)配套軟件進(jìn)行展示與記錄,并可通過(guò)目前浮標(biāo)的實(shí)時(shí)狀態(tài)對(duì)浮標(biāo)發(fā)出控制指令(如檢查蓄電池電量,開(kāi)/閉傳感器等),控制指令通過(guò)岸站地面控制中心按照制定的數(shù)據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行處理后,通過(guò)北斗終端發(fā)送給北斗衛(wèi)星。

圖4所示為海洋浮標(biāo)與岸站部分雙向通信結(jié)構(gòu)示意圖。

3.3 數(shù)據(jù)通信協(xié)議簡(jiǎn)介

1) 北斗用戶終端數(shù)據(jù)通信接口

岸站部分北斗用戶終端通過(guò)RS232串口與電腦連接,進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。其波特率默認(rèn)9600 bps,1 bit開(kāi)始位,8 bit數(shù)據(jù)位,1 bit停止位,無(wú)校驗(yàn)。岸站部分的北斗用戶終端接口和接收系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸具有命令狀態(tài)、通信狀態(tài)以及北斗協(xié)議狀態(tài),系統(tǒng)通過(guò)命令狀態(tài)向北斗終端發(fā)送和接收命令。

浮標(biāo)部分北斗/GPS雙模一體式用戶機(jī)通過(guò)RS232串口連接浮標(biāo)部分的通信模塊,由于RS232信號(hào)的電平與基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的浮標(biāo)通信模塊之間電平不一致,因此需要在中間接入MAX232電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化后的串行信號(hào)TXD、RXD可以直接與單片機(jī)相連。

2) 數(shù)據(jù)通信協(xié)議簡(jiǎn)介

本文中的波浪能自供電海洋浮標(biāo)通過(guò)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)傳輸各種水文與氣象數(shù)據(jù),而北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)每次的報(bào)文通信長(zhǎng)度有限,而且兩次通信之間有間隔,因此采用由中國(guó)海洋大學(xué)黎明、時(shí)海勇提出的“位拼接-LZW”雙重壓縮機(jī)制[9]對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效壓縮,并根據(jù)不同的實(shí)際情況分包發(fā)送數(shù)據(jù)。

一般情況下,每一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)由兩包數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸,也就是156字節(jié)的數(shù)據(jù)。為簡(jiǎn)化編碼,數(shù)據(jù)通信協(xié)議以字節(jié)為單位使用BCD碼,每包的數(shù)據(jù)信息包括包的個(gè)數(shù),包的序號(hào)等。

4 基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的浮標(biāo)通信系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

波浪能自供電海洋浮標(biāo)岸站接收系統(tǒng)主界面如圖5所示,它是利用LabVIEW進(jìn)行開(kāi)發(fā)的軟件,其功能是對(duì)海洋浮標(biāo)工作狀態(tài)、以及搭載的各種傳感器進(jìn)行顯示和記錄,內(nèi)置報(bào)警系統(tǒng),當(dāng)設(shè)定某監(jiān)測(cè)數(shù)值超出或者低于設(shè)定數(shù)值時(shí),系統(tǒng)報(bào)警。本次波浪能自供電海洋浮標(biāo)投放位置為上海蘆潮港附近,通過(guò)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地定位浮標(biāo)所在位置。

基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)短報(bào)文通信功能的浮標(biāo)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也可正常接收信息,如風(fēng)速傳感器數(shù)據(jù)如圖6所示,波浪壓感傳感器數(shù)據(jù)如圖7所示,表明自供電海洋浮標(biāo)可以正常將監(jiān)測(cè)信息與定位信息,成功通過(guò)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。

5 結(jié)束語(yǔ)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由我國(guó)獨(dú)立自主研發(fā)的具有精確定位、精密授時(shí)和短報(bào)文通信功能的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),對(duì)于國(guó)內(nèi)用戶來(lái)說(shuō),北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可靠性強(qiáng),保密性優(yōu),性價(jià)比高,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)上的應(yīng)用,為我國(guó)的海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)提供了新的選擇,為把我國(guó)建設(shè)成為海洋強(qiáng)國(guó)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文設(shè)計(jì)了一種利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位與信息傳輸?shù)牟ɡ四茏怨╇姾Ｑ蟾?biāo),為全天時(shí)、全天候穩(wěn)定運(yùn)行的海洋監(jiān)測(cè)裝備研制提供了新的思路。