面向測(cè)量?jī)?nèi)波的海上移動(dòng)平臺(tái)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

摘要：根據(jù)內(nèi)波及內(nèi)波監(jiān)測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)，該文面向海上移動(dòng)平臺(tái)研發(fā)了一套硬件系統(tǒng)。該文主要介紹海上移動(dòng)平臺(tái)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該硬件系統(tǒng)主要包括大容量的電池供電系統(tǒng)、通信模組、硬件主板、ADCP和傳感器等單元。在系統(tǒng)上搭載了GPS、北斗二合一定位模塊和銥星通信模塊和融合性的天線系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)回傳數(shù)據(jù)和位置信息。經(jīng)過(guò)多次連續(xù)的海上試驗(yàn)及測(cè)試，研發(fā)的海上移動(dòng)平臺(tái)硬件系統(tǒng)可在海上連續(xù)且穩(wěn)定工作30天以上，對(duì)內(nèi)波測(cè)量起到了關(guān)鍵的作用，具有重要應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：內(nèi)波測(cè)量；移動(dòng)平臺(tái)；硬件系統(tǒng)；穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）34-0085-03

目前市場(chǎng)上應(yīng)用于測(cè)量?jī)?nèi)波的硬件平臺(tái)存在以下問(wèn)題和缺點(diǎn)：

1） 用于測(cè)量?jī)?nèi)波的基于海視通、海洋系列衛(wèi)星、軍用衛(wèi)星的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[1]，接收和發(fā)射天線往往比較大，基于此研發(fā)的測(cè)量?jī)?nèi)波硬件平臺(tái)系統(tǒng)，多為搭載船舶、靜態(tài)海上作業(yè)平臺(tái)等上面，此類設(shè)備難以小型化，不適合應(yīng)用在小型設(shè)備上，應(yīng)用范圍大大降低。

2） 測(cè)量?jī)?nèi)波的硬件平臺(tái)，為了與測(cè)量設(shè)備如ADCP或傳感器等實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，多以長(zhǎng)距離線纜為傳輸媒介等傳遞數(shù)據(jù)，需要大型運(yùn)輸船來(lái)配合作業(yè)，成本較高且作業(yè)復(fù)雜[2]。

本文期望研發(fā)一套更適合在海洋、河流、湖泊水系等多種應(yīng)用、復(fù)雜化場(chǎng)景下的測(cè)量?jī)?nèi)波的海上移動(dòng)平臺(tái)硬件系統(tǒng)，海上移動(dòng)平臺(tái)能夠搭載測(cè)量?jī)?nèi)波的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定可靠傳輸數(shù)據(jù)，用于內(nèi)波的測(cè)量。

1 測(cè)量?jī)?nèi)波硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期對(duì)內(nèi)波測(cè)量技術(shù)的研究[3]，測(cè)量?jī)?nèi)波硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面：

1） 內(nèi)波測(cè)量對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)效、真實(shí)性要求較高，測(cè)量?jī)?nèi)波硬件需要高可靠度的采集及數(shù)據(jù)處理技術(shù)，高置信的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

2） 內(nèi)波到來(lái)伴隨巨大的能量，硬件系統(tǒng)配套的設(shè)備需要搭載特殊傳感器設(shè)備，需要高精度的流速校正技術(shù)。

3） 觀測(cè)內(nèi)波是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，海上移動(dòng)平臺(tái)硬件系統(tǒng)及搭載設(shè)備需要強(qiáng)大的電池續(xù)航能力[4]。

4） 海上天氣復(fù)雜，對(duì)硬件系統(tǒng)通信部分設(shè)計(jì)要求較高，硬件通信模塊需要配套的融合性天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。

以上是面向測(cè)量?jī)?nèi)波的海上移動(dòng)平臺(tái)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)和功能基本要求，我們需要設(shè)計(jì)一套針對(duì)性強(qiáng)且獨(dú)特的硬件系統(tǒng)。

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件系統(tǒng)組成及主要功能

1） 核心平臺(tái)：硬件系統(tǒng)的核心單元，從設(shè)備的穩(wěn)定性和低功耗要求出發(fā)，采用基于ST廠商低功耗MCU進(jìn)行硬件系統(tǒng)的開發(fā)，核心平臺(tái)是一個(gè)多任務(wù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)硬件系統(tǒng)平臺(tái)，核心平臺(tái)主要功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、計(jì)算、分析等。

2） 多傳感器系統(tǒng)（擴(kuò)展板）和數(shù)據(jù)采集設(shè)備（擴(kuò)展接口）[5]：主要是應(yīng)用單元，多傳感器系統(tǒng)可以兼容各種類型的傳感器，如壓力傳感器、溫度傳感器、鹽度傳感器、溶解氧傳感器等小型環(huán)境采集單元，數(shù)據(jù)采集設(shè)備兼容大型設(shè)備，如ADCP，ROV，AUV，大型聲學(xué)設(shè)備等，此部分是數(shù)據(jù)采集的入口。

3） 供電單元及存儲(chǔ)系統(tǒng)：此部分主要包括供電系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng)兩個(gè)部分，主要是為硬件平臺(tái)提供供電并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲(chǔ)，供電系統(tǒng)是獨(dú)立的電源系統(tǒng)，存儲(chǔ)系統(tǒng)有兩套，保障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完整性。

4） 通信鏈路和融合天線系統(tǒng)：是特殊設(shè)計(jì)單元，是硬件系統(tǒng)的重要組成部分。我們主要采用銥星、GPS/北斗等衛(wèi)星通信方法，融合天線系統(tǒng)集成到一套硬件頂蓋上，銥星完成數(shù)據(jù)傳輸，GPS/北斗實(shí)現(xiàn)雙模定位等功能。

5） 輔助和外圍擴(kuò)展接口：主要包括常用的網(wǎng)絡(luò)接口、CAN總線接口、電子羅盤等模塊和接口，主要功能是與外部其他系統(tǒng)做兼容用，起到輔助和擴(kuò)展作用。

2.2 硬件系統(tǒng)配套單元及功能

海上移動(dòng)平臺(tái)硬件系統(tǒng)需要岸站數(shù)據(jù)接收和處理單元[6]，岸站數(shù)據(jù)接收和處理單元是整個(gè)系統(tǒng)的擴(kuò)展組成部分， 其主要功能是實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠地接收、分析、處理、存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)， 并實(shí)現(xiàn)即時(shí)報(bào)警、數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)及遙控等功能，給用戶研究使用提供方便。硬件系統(tǒng)配套單元能同時(shí)接收不同天線系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)， 并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理、顯示和存儲(chǔ)。

2.3 硬件系統(tǒng)主要配置及參數(shù)

3 實(shí)際應(yīng)用研究及海試驗(yàn)證

3.1 硬件系統(tǒng)關(guān)鍵功能的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)設(shè)計(jì)研發(fā)的海上移動(dòng)平臺(tái)硬件系統(tǒng)與搭載的ADCP和CTD等設(shè)備采集了流速、溫度、鹽度等數(shù)據(jù)，ADCP和CTD等設(shè)備采集的流速、溫度、鹽度等數(shù)據(jù)通過(guò)RS232擴(kuò)展接口等物理通道將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶诵钠脚_(tái)，核心平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算、分析、存儲(chǔ)，結(jié)合在復(fù)雜環(huán)境下的不同使用場(chǎng)景，智能選擇不同的數(shù)據(jù)通信鏈路。通過(guò)融合天線系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到岸站數(shù)據(jù)接收和處理單元進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)等操作，通過(guò)整套硬件系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)波有效且穩(wěn)定的測(cè)量。

3.2 重點(diǎn)問(wèn)題解決——融合天線系統(tǒng)性能優(yōu)化

受制于海上復(fù)雜多變環(huán)境和海上移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)等因素的影響，設(shè)計(jì)的融合天線（GPS、北斗、銥星等）通信效果和實(shí)際場(chǎng)測(cè)差異很大，經(jīng)過(guò)三輪優(yōu)化設(shè)計(jì)及專業(yè)天線實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和海試場(chǎng)測(cè)驗(yàn)證，最終設(shè)計(jì)的融合一體頂蓋天線測(cè)試效果最優(yōu)，融合性天線實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)如圖3～圖5。

從數(shù)據(jù)上看融合性一體頂蓋天線效率在50%左右，且天線有效帶寬較寬，從圖上看其上半球非常圓潤(rùn)，方向性非常好，確定使用此款天線（圖6）。

3.3 海試驗(yàn)證

通過(guò)連續(xù)和不連續(xù)近4個(gè)多月的海上試驗(yàn)，驗(yàn)證了面向測(cè)量?jī)?nèi)波的海上移動(dòng)平臺(tái)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性、穩(wěn)定性、安全性，經(jīng)過(guò)不斷優(yōu)化硬件系統(tǒng)，已達(dá)到批量生產(chǎn)和可產(chǎn)業(yè)化狀態(tài)（核心硬件主板和電池實(shí)物如圖7） 。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)內(nèi)波測(cè)量技術(shù)的了解及測(cè)量?jī)?nèi)波硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究，特別設(shè)計(jì)、研發(fā)、訂制了一套面向測(cè)量?jī)?nèi)波的海上移動(dòng)平臺(tái)硬件系統(tǒng)。海上移動(dòng)平臺(tái)硬件系統(tǒng)主要包括大容量的電池供電系統(tǒng)、通信模組、硬件主板、ADCP或傳感器等單元。在系統(tǒng)上搭載了GPS、北斗二合一定位模塊和銥星通信模塊和融合性天線系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)回傳海洋科考獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)備位置信息。

通過(guò)連續(xù)和不連續(xù)近4個(gè)多月的近海和遠(yuǎn)海海上試驗(yàn)及測(cè)試，研發(fā)的面向測(cè)量?jī)?nèi)波的海上移動(dòng)平臺(tái)硬件系統(tǒng)可在海上連續(xù)且穩(wěn)定工作30天以上，對(duì)內(nèi)波的測(cè)量起到了關(guān)鍵作用，具有重要的科學(xué)研究和應(yīng)用價(jià)值。整套海上移動(dòng)平臺(tái)硬件系統(tǒng)具有產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化的廣闊前景，真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)、學(xué)、研的統(tǒng)一。

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