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

馬鳳強， 呂婷婷,2,3， 張 浩,2,3

(1.中國海洋大學 信息科學與工程學院，山東 青島 266100; 2.海洋短波通信開放工作室，山東 青島 266200;3.青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室，山東 青島 266200)

0 引 言

我國是一個海洋大國，領(lǐng)土位置決定我國有著綿長的海岸線以及豐富的海洋資源。然而在對海洋探測方面，我國正處在初步發(fā)展階段，尤其是對2 000 m以下的深海數(shù)據(jù)探測方面，更是處在摸索階段。研制面向全球深海大洋的智能浮標觀測儀器，對于海洋科學的發(fā)展和國防建設(shè)至關(guān)重要[1]。智能浮標能實現(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時間大范圍的縱向剖面測量、水平面的橫向局部測量和目標附近的精細測量等任務(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的首選通信方式。常見的應(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、以及中國自主研制的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)[2]。目前國內(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。當通信系統(tǒng)出現(xiàn)問題后，設(shè)備丟失概率非常大。由于智能浮標搭載大量科研傳感器，數(shù)據(jù)量較大，并且需要長時間大海深進行觀測，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)合進行數(shù)據(jù)傳輸。

北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)是我國自主研制開發(fā)，具有實時導航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信服務(wù)五大功能，其中短報文通信是北斗相比于全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)獨有的特色功能[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)星導航系統(tǒng)獨有功能[4]。能夠提高敏感海域、重要海域的測量數(shù)據(jù)安全性[5]。覆蓋范圍內(nèi)具有信號強度高，通信費用低，信息傳輸安全等優(yōu)勢。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，民用通信容量僅有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)是美國摩托羅拉公司設(shè)計的全球移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)，由分布在 6個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)通信費用高，數(shù)據(jù)傳輸安全性低等缺點。

綜合兩種衛(wèi)星通信方式的優(yōu)缺點，本文設(shè)計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)智能浮標觀測數(shù)據(jù)的敏感程度、衛(wèi)星信號強度情況由岸站控制系統(tǒng)靈活選擇衛(wèi)星通信方式，提高觀測數(shù)據(jù)傳輸效率的同時，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)用于其他水下觀測設(shè)備，如浮標、Glider、自主水下機器人(autonomous underwater vehicle,AUV)等。

1 硬件設(shè)計

本文的硬件設(shè)計部分主要包括通信模塊的選型以及硬件電路板設(shè)計結(jié)構(gòu)圖。北斗短報文通信的模塊采用GNM2A12型模塊，支持北斗衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)(radio determination satellite service,RDSS)/衛(wèi)星無線電導航業(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、可實現(xiàn)RDSS定位、通信功能等功能。銥星撥號通信采用9 523模塊，Iridium Core 9523是緊湊的、經(jīng)濟高效的、強大的銥星收發(fā)器模塊，是目前最小、最輕、非常先進的銥星語音和數(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，通信定位一體機輸入電壓包括14.8 V和5 V兩路供電。14.8 V電壓通過降壓模塊轉(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，并且通過降壓模塊轉(zhuǎn)換為3.3 V給單片機供電。

北斗通信電平采用TTL標準，銥星通信電平采用RS—232標準，單片機內(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，通過三極管開關(guān)電路控制是否給模塊供電，進而控制通信模式的選擇，實現(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

基于深海智能浮標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、數(shù)據(jù)包指令格式的設(shè)計以及通信協(xié)議的設(shè)計。

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

如圖2所示為銥星與北斗雙模通信的流程框圖，涉及智能浮標載體中心控制系統(tǒng)(簡稱中控系統(tǒng))、載體通信定位一體機(簡稱一體機)、岸站控制系統(tǒng)(簡稱岸站)三方。深海智能浮標浮出海面后，中控系統(tǒng)檢測到載體達到通信高度要求后，中控系統(tǒng)喚醒一體機。一體機喚醒后分別給銥星模塊和北斗模塊供電，兩個模塊將會自動獲取定位信息，并向岸站發(fā)送。當岸站確定使用某種通信方式，接收到定位信息后，一體機自動檢測，并確認連接對應(yīng)的通信模塊，同時將另外一個通信模塊斷電以降低功耗，進而實現(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

北斗短報文通信的限制發(fā)送字節(jié)長度為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，一體機和岸站三方之間進行信息交互時，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數(shù)據(jù)進行解析。

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)可以實時監(jiān)測當前數(shù)據(jù)傳輸進度。該數(shù)據(jù)包指令格式包含8位異或校驗用以確保通信內(nèi)容的準確性，當數(shù)據(jù)校驗錯誤時，將當前數(shù)據(jù)包丟棄，并對丟包數(shù)據(jù)重傳。

2.3 通信協(xié)議

中控系統(tǒng)、一體機以及岸站之間的數(shù)據(jù)傳輸整體流程如圖3所示。深海浮標浮出水面達到通信要求后，中控系統(tǒng)喚醒一體機。一體機北斗模塊自動獲取定位并發(fā)送給岸站系統(tǒng)，銥星模塊自動獲取定位信息并撥號和岸站模塊建立通信鏈路。當岸站確定采用某種通信方式后，一體機自動檢測通信方式，并將另外一個通信模塊斷電，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，將給一體機發(fā)送定位信息反饋，一體機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，一體機自動進行數(shù)據(jù)透傳，直到收到結(jié)束包。若岸站系統(tǒng)檢測到有數(shù)據(jù)丟包則發(fā)送數(shù)據(jù)重傳指令，一體機將指令進行透傳，中控系統(tǒng)則對丟包數(shù)據(jù)進行重傳。當數(shù)據(jù)全部接收完成之后，岸站對載體下達控制指令，一體機則對指令進行數(shù)據(jù)透傳。

一體機采用銥星撥號通信，當信號不穩(wěn)定導致通信鏈路斷開時，一體機會自動重新獲取定位并撥號。北斗短報文通信每隔60 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)，為降低一體機功耗，發(fā)送數(shù)據(jù)包時采用休眠發(fā)送方式，休眠發(fā)送即當一體機檢測數(shù)據(jù)包發(fā)送時，發(fā)送完當前數(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 實驗結(jié)果分析

在對該雙模通信系統(tǒng)進行實際測試時，該系統(tǒng)可以根據(jù)岸站實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)星信號受建筑物等遮擋物影響較大，當天線安置在室內(nèi)時接收不到衛(wèi)星信號。在實際湖試實驗時，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 撫仙湖湖試載體實物

當岸站選擇北斗通信進行測試時，岸站控制系統(tǒng)能夠接收到通信定位一體機的各類傳感器數(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

在進行北斗短報文通信測試時，對該系統(tǒng)進行了10個周期數(shù)據(jù)測試，并對數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β蔬M行了統(tǒng)計如表3所示，由統(tǒng)計結(jié)果顯示，在對北斗短報文通信進行一系列測

表3 北斗通信數(shù)據(jù)傳輸成功率統(tǒng)計

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

在對銥星撥號通信進行測試時，銥星信號強度檢測值波動較大，當信號較好時，通信數(shù)據(jù)傳輸能夠快速完成并且能夠進行數(shù)據(jù)交互。當信號較差時，通信鏈路斷開，通信定位一體機能夠成功重新獲取定位信息，并進行撥號，直到撥號成功。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后重新?lián)芴柦㈡溌方缑妗?/p>

圖6 銥星撥號通信鏈路建立與信息傳輸界面

通過以上測試，充分驗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因衛(wèi)星信號波動造成丟包時，能夠?qū)G包數(shù)據(jù)重傳，確保數(shù)據(jù)的完整性。在銥星撥號通信模式下，當通信鏈路斷開后，重新?lián)芴柦⑼ㄐ沛溌窌r能夠在數(shù)據(jù)斷點處繼續(xù)傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝浴?/p>

4 結(jié) 論

本文設(shè)計的北斗銥星雙模通信系統(tǒng)實現(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，當某種通信方式發(fā)生故障，或者衛(wèi)星信號較差不能正常通信時，可以由岸站進行通信方式的切換，能夠有效提高系統(tǒng)的魯棒性。另一方面，利用銥星通信進行數(shù)據(jù)傳輸時，數(shù)據(jù)通信費用較高，撥號通信時，按照通信時長進行計費。北斗通信系統(tǒng)收費更加便宜，可以靈活切換兩種通信方式降低通信成本，同時針對敏感數(shù)據(jù)采用北斗通信能夠充分保證數(shù)據(jù)的安全性。