應(yīng)用于智能浮標(biāo)的北斗銥星雙模通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

馬鳳強(qiáng)， 呂婷婷,2,3， 張 浩,2,3

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100; 2.海洋短波通信開(kāi)放工作室，山東 青島 266200;3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266200)

0 引 言

我國(guó)是一個(gè)海洋大國(guó)，領(lǐng)土位置決定我國(guó)有著綿長(zhǎng)的海岸線以及豐富的海洋資源。然而在對(duì)海洋探測(cè)方面，我國(guó)正處在初步發(fā)展階段，尤其是對(duì)2 000 m以下的深海數(shù)據(jù)探測(cè)方面，更是處在摸索階段。研制面向全球深海大洋的智能浮標(biāo)觀測(cè)儀器，對(duì)于海洋科學(xué)的發(fā)展和國(guó)防建設(shè)至關(guān)重要[1]。智能浮標(biāo)能實(shí)現(xiàn)Argo模式和Glider模式的自由切換，不同工作模式下可以完成長(zhǎng)時(shí)間大范圍的縱向剖面測(cè)量、水平面的橫向局部測(cè)量和目標(biāo)附近的精細(xì)測(cè)量等任務(wù)。

在數(shù)據(jù)通信方面，由于衛(wèi)星通信全球覆蓋為智能浮標(biāo)的首選通信方式。常見(jiàn)的應(yīng)用在海洋數(shù)據(jù)通信的衛(wèi)星系統(tǒng)有銥星通信系統(tǒng)、海事衛(wèi)星系統(tǒng)、ARGOS、以及中國(guó)自主研制的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)[2]。目前國(guó)內(nèi)外在水下設(shè)備通信方面一般采用單模通信方式，只搭載一種衛(wèi)星通信方式，系統(tǒng)的可選擇性較少，靈活性較差。當(dāng)通信系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題后，設(shè)備丟失概率非常大。由于智能浮標(biāo)搭載大量科研傳感器，數(shù)據(jù)量較大，并且需要長(zhǎng)時(shí)間大海深進(jìn)行觀測(cè)，從數(shù)據(jù)傳輸速率、安全性以及通信模塊功耗等角度，綜合選擇北斗衛(wèi)星系統(tǒng)以及銥星通信系統(tǒng)相結(jié)合進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是我國(guó)自主研制開(kāi)發(fā)，具有實(shí)時(shí)導(dǎo)航、快速定位、精確授時(shí)、位置報(bào)告和短報(bào)文通信服務(wù)五大功能，其中短報(bào)文通信是北斗相比于全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)獨(dú)有的特色功能[3]。北斗通信衛(wèi)星屬于地球同步衛(wèi)星，主要覆蓋中國(guó)大陸、東南亞、東亞、印度洋等地區(qū)。北斗短消息通信是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獨(dú)有功能[4]。能夠提高敏感海域、重要海域的測(cè)量數(shù)據(jù)安全性[5]。覆蓋范圍內(nèi)具有信號(hào)強(qiáng)度高，通信費(fèi)用低，信息傳輸安全等優(yōu)勢(shì)。但是北斗衛(wèi)星通信也有其局限，目前北斗單次通信容量有限，民用通信容量?jī)H有77 bit；通信頻度受控，民用通信頻度在1min左右；且通信范圍目前還不能覆蓋全球[6]。

銥星通信系統(tǒng)是美國(guó)摩托羅拉公司設(shè)計(jì)的全球移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，由分布在 6個(gè)極地圓軌道面的距地球表面約780 km的66顆低軌衛(wèi)星組成[7]。銥星因其軌道低，傳輸速度快，信息損耗小，通信質(zhì)量高等顯著特點(diǎn)而在海洋數(shù)據(jù)通信等方面被廣泛應(yīng)用[8]。然而銥星通信也存在著數(shù)據(jù)通信費(fèi)用高，數(shù)據(jù)傳輸安全性低等缺點(diǎn)。

綜合兩種衛(wèi)星通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種北斗通信和銥星通信相結(jié)合的雙模通信方式。該方式根據(jù)智能浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)的敏感程度、衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度情況由岸站控制系統(tǒng)靈活選擇衛(wèi)星通信方式，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸效率的同時(shí)，保障敏感數(shù)據(jù)的安全性。該通信方式具有較好的普適性，可廣泛應(yīng)用于其他水下觀測(cè)設(shè)備，如浮標(biāo)、Glider、自主水下機(jī)器人(autonomous underwater vehicle,AUV)等。

1 硬件設(shè)計(jì)

本文的硬件設(shè)計(jì)部分主要包括通信模塊的選型以及硬件電路板設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。北斗短報(bào)文通信的模塊采用GNM2A12型模塊，支持北斗衛(wèi)星無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)(radio determination satellite service,RDSS)/衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(radio navigation satellite service,RNSS)功能。模塊內(nèi)部集成了高性能RDSS射頻收發(fā)芯片、10 W輸出功率的功放模塊、可實(shí)現(xiàn)RDSS定位、通信功能等功能。銥星撥號(hào)通信采用9 523模塊，Iridium Core 9523是緊湊的、經(jīng)濟(jì)高效的、強(qiáng)大的銥星收發(fā)器模塊，是目前最小、最輕、非常先進(jìn)的銥星語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信模塊，支持所有銥星業(yè)務(wù)[9]。

如圖1所示為硬件組成結(jié)構(gòu)圖，硬件電路核心控制芯片采用STM32F429作為核心控制芯片，通信定位一體機(jī)輸入電壓包括14.8 V和5 V兩路供電。14.8 V電壓通過(guò)降壓模塊轉(zhuǎn)換為12 V給銥星模塊和北斗模塊供電。5 V電壓直接給北斗和銥星模塊供電，并且通過(guò)降壓模塊轉(zhuǎn)換為3.3 V給單片機(jī)供電。

北斗通信電平采用TTL標(biāo)準(zhǔn)，銥星通信電平采用RS—232標(biāo)準(zhǔn)，單片機(jī)內(nèi)部電路電平為TTL電平，電平轉(zhuǎn)換電路采用MAX3232作為電平轉(zhuǎn)換芯片。在通信模式選擇時(shí)，通過(guò)三極管開(kāi)關(guān)電路控制是否給模塊供電，進(jìn)而控制通信模式的選擇，實(shí)現(xiàn)北斗和銥星雙模通信。

圖1 硬件組成結(jié)構(gòu)圖

2 軟件設(shè)計(jì)

基于深海智能浮標(biāo)的北斗和銥星雙模通信系統(tǒng)的軟件部分主要包括系統(tǒng)整體流程框圖的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)包指令格式的設(shè)計(jì)以及通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

如圖2所示為銥星與北斗雙模通信的流程框圖，涉及智能浮標(biāo)載體中心控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱中控系統(tǒng))、載體通信定位一體機(jī)(簡(jiǎn)稱一體機(jī))、岸站控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱岸站)三方。深海智能浮標(biāo)浮出海面后，中控系統(tǒng)檢測(cè)到載體達(dá)到通信高度要求后，中控系統(tǒng)喚醒一體機(jī)。一體機(jī)喚醒后分別給銥星模塊和北斗模塊供電，兩個(gè)模塊將會(huì)自動(dòng)獲取定位信息，并向岸站發(fā)送。當(dāng)岸站確定使用某種通信方式，接收到定位信息后，一體機(jī)自動(dòng)檢測(cè)，并確認(rèn)連接對(duì)應(yīng)的通信模塊，同時(shí)將另外一個(gè)通信模塊斷電以降低功耗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雙模通信。

圖2 銥星北斗雙模通信流程框圖

2.2 數(shù)據(jù)包指令格式

北斗短報(bào)文通信的限制發(fā)送字節(jié)長(zhǎng)度為77 bit，因此為使岸站接收數(shù)據(jù)包格式相統(tǒng)一，銥星通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包與北斗傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包格式相同，采用相同的數(shù)據(jù)格式，在載體中控，一體機(jī)和岸站三方之間進(jìn)行信息交互時(shí)，發(fā)送方將數(shù)據(jù)信息按表1所示格式打包處理，接收方按照該格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

表1 數(shù)據(jù)包格式 bit

各字段的意思如表2所示。

表2 各字段意義

該數(shù)據(jù)包的指令格式能夠有效地完成數(shù)據(jù)傳輸，岸站控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)度。該數(shù)據(jù)包指令格式包含8位異或校驗(yàn)用以確保通信內(nèi)容的準(zhǔn)確性，當(dāng)數(shù)據(jù)校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)，將當(dāng)前數(shù)據(jù)包丟棄，并對(duì)丟包數(shù)據(jù)重傳。

2.3 通信協(xié)議

中控系統(tǒng)、一體機(jī)以及岸站之間的數(shù)據(jù)傳輸整體流程如圖3所示。深海浮標(biāo)浮出水面達(dá)到通信要求后，中控系統(tǒng)喚醒一體機(jī)。一體機(jī)北斗模塊自動(dòng)獲取定位并發(fā)送給岸站系統(tǒng)，銥星模塊自動(dòng)獲取定位信息并撥號(hào)和岸站模塊建立通信鏈路。當(dāng)岸站確定采用某種通信方式后，一體機(jī)自動(dòng)檢測(cè)通信方式，并將另外一個(gè)通信模塊斷電，降低功耗。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸流程

岸站控制系統(tǒng)收到定位信息后，將給一體機(jī)發(fā)送定位信息反饋，一體機(jī)將該反饋傳給中控系統(tǒng)。中控系統(tǒng)每隔2 s發(fā)送一次關(guān)鍵信息，一體機(jī)將其發(fā)送給岸站直到收到岸站反饋，并將反饋發(fā)送給中控系統(tǒng)。

中控系統(tǒng)收到關(guān)鍵信息反饋后發(fā)送數(shù)據(jù)包給一體機(jī)，一體機(jī)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)透?jìng)?，直到收到結(jié)束包。若岸站系統(tǒng)檢測(cè)到有數(shù)據(jù)丟包則發(fā)送數(shù)據(jù)重傳指令，一體機(jī)將指令進(jìn)行透?jìng)鳎锌叵到y(tǒng)則對(duì)丟包數(shù)據(jù)進(jìn)行重傳。當(dāng)數(shù)據(jù)全部接收完成之后，岸站對(duì)載體下達(dá)控制指令，一體機(jī)則對(duì)指令進(jìn)行數(shù)據(jù)透?jìng)鳌?/p>

一體機(jī)采用銥星撥號(hào)通信，當(dāng)信號(hào)不穩(wěn)定導(dǎo)致通信鏈路斷開(kāi)時(shí)，一體機(jī)會(huì)自動(dòng)重新獲取定位并撥號(hào)。北斗短報(bào)文通信每隔60 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)，為降低一體機(jī)功耗，發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)采用休眠發(fā)送方式，休眠發(fā)送即當(dāng)一體機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)，發(fā)送完當(dāng)前數(shù)據(jù)包5 s之后將北斗模塊斷電，并在下一條數(shù)據(jù)包發(fā)送之前將北斗模塊重新上電。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在對(duì)該雙模通信系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試時(shí)，該系統(tǒng)可以根據(jù)岸站實(shí)際情況自由選擇北斗通信或者銥星通信，并且兩種通信方式都可以將載體的采集到的數(shù)據(jù)完整傳到岸站控制系統(tǒng)。衛(wèi)星信號(hào)受建筑物等遮擋物影響較大，當(dāng)天線安置在室內(nèi)時(shí)接收不到衛(wèi)星信號(hào)。在實(shí)際湖試實(shí)驗(yàn)時(shí)，該通信系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，岸站控制系統(tǒng)可以靈活選擇通信方式。如圖4所示為載體撫仙湖湖試照片。

圖4 撫仙湖湖試載體實(shí)物

當(dāng)岸站選擇北斗通信進(jìn)行測(cè)試時(shí)，岸站控制系統(tǒng)能夠接收到通信定位一體機(jī)的各類傳感器數(shù)據(jù)，并且能夠和岸站控制系統(tǒng)行指令交互，如圖5所示為岸站控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收與指令交互界面。

圖5 岸站控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收界面

在進(jìn)行北斗短報(bào)文通信測(cè)試時(shí)，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了10個(gè)周期數(shù)據(jù)測(cè)試，并對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β蔬M(jìn)行了統(tǒng)計(jì)如表3所示，由統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在對(duì)北斗短報(bào)文通信進(jìn)行一系列測(cè)

表3 北斗通信數(shù)據(jù)傳輸成功率統(tǒng)計(jì)

試的過(guò)程中數(shù)據(jù)傳輸成功率較高,在10次測(cè)試中每次的數(shù)據(jù)傳輸成功率都能達(dá)到92%以上，并且能夠?qū)G包數(shù)據(jù)進(jìn)行重傳，完整的接收數(shù)據(jù)包。

在對(duì)銥星撥號(hào)通信進(jìn)行測(cè)試時(shí)，銥星信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)值波動(dòng)較大，當(dāng)信號(hào)較好時(shí)，通信數(shù)據(jù)傳輸能夠快速完成并且能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。當(dāng)信號(hào)較差時(shí)，通信鏈路斷開(kāi)，通信定位一體機(jī)能夠成功重新獲取定位信息，并進(jìn)行撥號(hào)，直到撥號(hào)成功。如圖6所示為銥星通信數(shù)據(jù)傳輸界面以及通信鏈路斷開(kāi)后重新?lián)芴?hào)建立鏈路界面。

圖6 銥星撥號(hào)通信鏈路建立與信息傳輸界面

通過(guò)以上測(cè)試，充分驗(yàn)證了北斗銥星雙模通信協(xié)議的有效性，岸站可以自由選擇載體的通信模式。在不同的通信模式下當(dāng)因衛(wèi)星信號(hào)波動(dòng)造成丟包時(shí)，能夠?qū)G包數(shù)據(jù)重傳，確保數(shù)據(jù)的完整性。在銥星撥號(hào)通信模式下，當(dāng)通信鏈路斷開(kāi)后，重新?lián)芴?hào)建立通信鏈路時(shí)能夠在數(shù)據(jù)斷點(diǎn)處繼續(xù)傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝浴?/p>

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的北斗銥星雙模通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)由岸站自由選擇通信方式，能夠適應(yīng)惡劣的海洋環(huán)境，當(dāng)某種通信方式發(fā)生故障，或者衛(wèi)星信號(hào)較差不能正常通信時(shí)，可以由岸站進(jìn)行通信方式的切換，能夠有效提高系統(tǒng)的魯棒性。另一方面，利用銥星通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)通信費(fèi)用較高，撥號(hào)通信時(shí)，按照通信時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)費(fèi)。北斗通信系統(tǒng)收費(fèi)更加便宜，可以靈活切換兩種通信方式降低通信成本，同時(shí)針對(duì)敏感數(shù)據(jù)采用北斗通信能夠充分保證數(shù)據(jù)的安全性。