基于北斗衛(wèi)星的大型海洋浮標(biāo)通信機(jī)制探究

孫子奇

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東威海 264200）

0 引言

中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）簡稱北斗衛(wèi)星，是由用戶區(qū)段、地面區(qū)段、空間區(qū)段所組成的，在能源持續(xù)性的支撐下，可在全球空間內(nèi)進(jìn)行高精度的數(shù)據(jù)服務(wù)，為交通、航運(yùn)、水文、氣象等提供實(shí)時(shí)化的數(shù)據(jù)支撐。傳統(tǒng)海洋浮標(biāo)的水文監(jiān)測機(jī)制，是在不同地點(diǎn)防止浮標(biāo)裝置，然后通過同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的數(shù)據(jù)采集，分析出水文變動(dòng)趨勢。在北斗衛(wèi)星的支撐下，可將海洋浮標(biāo)作為一個(gè)數(shù)據(jù)通信點(diǎn)，在“用戶—地面—空間”的通信結(jié)構(gòu)下，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)位的信息同步傳輸，且整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)，滿足水文數(shù)據(jù)的多類別監(jiān)測需求。

1 大型海洋浮標(biāo)系統(tǒng)架構(gòu)

大型海洋浮標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行驅(qū)動(dòng)可以分為北斗終端、地面中心站以及海洋浮標(biāo)3 個(gè)主體模塊（圖1）：首先，電力控制模塊的支撐下，依托于太陽能、潮汐發(fā)電以及風(fēng)力發(fā)電等，對(duì)終端海洋浮標(biāo)進(jìn)行持續(xù)性的電力支撐；其次，在動(dòng)力系統(tǒng)、告警系統(tǒng)以及水文監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用下，對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)采集信息進(jìn)行模塊化支撐，確保數(shù)據(jù)信息采集的時(shí)效性，由北斗衛(wèi)星地面中心站進(jìn)行信息存儲(chǔ)，將此類信息通過北斗衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)采集監(jiān)測；最后，將信息整合并傳遞到岸站接收中心，通過多維度的數(shù)據(jù)處理，保證每一類模塊在信息采集過程中可以完成對(duì)當(dāng)前海洋信息的綜合化監(jiān)控與處理，令海洋浮標(biāo)所監(jiān)控的信息真實(shí)反映出當(dāng)前水面環(huán)境信息，為后續(xù)管理工作的開展提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 大型海洋浮標(biāo)系統(tǒng)架構(gòu)

2 大型海洋浮標(biāo)系統(tǒng)功能

海洋浮標(biāo)裝置的設(shè)定可以通過不同維度的信息采集，為當(dāng)前海運(yùn)及水面監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支撐。大型海洋浮標(biāo)系統(tǒng)有如下3個(gè)功能。

（1）參照物功能。在海上進(jìn)行水面施工時(shí)，由于外界風(fēng)力的影響，造成施工目標(biāo)會(huì)產(chǎn)生一定的偏差性，海洋浮標(biāo)的設(shè)定，則可以為整個(gè)施工提供一個(gè)參照點(diǎn)。整體空間位于是按照海上浮標(biāo)本身所具備的空間點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)建設(shè)的，這樣一來在海上浮標(biāo)本身的定位功能之上，可以為海面施工提供一個(gè)持續(xù)性的參照支撐點(diǎn)，進(jìn)而降低施工誤差。

（2）警告功能。在海上施工中，如果施工區(qū)處于航道之上，則來往的船只將對(duì)整體施工進(jìn)度造成影響。特別是在能見度較低的惡劣天氣時(shí)，將對(duì)航運(yùn)船只造成視線影響，高速行駛狀態(tài)下極易引發(fā)碰撞事故。海上浮標(biāo)裝置的應(yīng)用則可以利用雷達(dá)進(jìn)行空間化檢測，其可以穿透煙塵、迷霧等，確定出浮標(biāo)監(jiān)測范圍內(nèi)的各類障礙信息，由此界定出當(dāng)前區(qū)域感之內(nèi)是否存在航行的裝置，如果識(shí)別到障礙信息則可以通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)文預(yù)警處理，令航運(yùn)船只了解到當(dāng)前區(qū)域內(nèi)的障礙情況，并進(jìn)行減速或規(guī)避處理，保證航運(yùn)的安全性。

（3）水文監(jiān)測功能。海上環(huán)境信息具有多變性特點(diǎn)，例如，海面洋流以及潮差等，惡劣的水文條件將降低整個(gè)海洋工程的運(yùn)行效率。通過水文監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，其可以搭載5G 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)大范圍的區(qū)域監(jiān)測，結(jié)合北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的全域化信息識(shí)別，及時(shí)針對(duì)外界所產(chǎn)生的各類水文信息進(jìn)行處理，依據(jù)自身工程施工現(xiàn)狀，制定出更為完整的管理措施，規(guī)避各類風(fēng)險(xiǎn)問題。

3 基于北斗衛(wèi)星的大型海洋浮標(biāo)通信機(jī)制

位拼接作為大型海洋浮標(biāo)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，通過多方位的算法呈現(xiàn)，確保數(shù)據(jù)信息在運(yùn)算過程中起到精準(zhǔn)識(shí)別的作用。

3.1 位拼接算法

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的應(yīng)用是保障信息在固定存儲(chǔ)空間下的傳輸及存儲(chǔ)可以得到大容量的壓縮，以提高實(shí)際運(yùn)作效率。位拼接算法的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)則是針對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)層中的信息進(jìn)行拼接處理，通過降低資源的耗損量實(shí)現(xiàn)對(duì)既有空間的有效擴(kuò)充。當(dāng)然此類信息空間是在原有空間結(jié)構(gòu)下的數(shù)據(jù)運(yùn)行區(qū)域內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮處理的，提高整體空間容量。從海洋監(jiān)測角度，大部分?jǐn)?shù)據(jù)信息參數(shù)只是在固定的范疇內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，如風(fēng)速、水溫等，一旦數(shù)據(jù)值超出基準(zhǔn)正常指標(biāo)時(shí)則將此類數(shù)值界定為野值，這樣便可在固有數(shù)據(jù)量中對(duì)實(shí)際范圍進(jìn)行縮減處理。例如，在小數(shù)點(diǎn)后的3 位作為表達(dá)數(shù)據(jù)位，在發(fā)送過程中可以通過對(duì)數(shù)據(jù)最小位數(shù)的縮減與拼接進(jìn)行截?cái)嗵幚恚瑴p小數(shù)據(jù)傳輸總量，然后在接收端中利用位拼接算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，便可以得到原有數(shù)據(jù)傳輸單的基準(zhǔn)信息。位拼接算法所節(jié)約的數(shù)據(jù)空間效果較高，經(jīng)實(shí)際測證，372 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)信息經(jīng)處理過后，僅需要傳輸222個(gè)字節(jié)，可節(jié)約150 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)空間。

3.2 LZW 算法

LZW 算法則是針對(duì)原有LZ78 算法進(jìn)行完善的一類壓縮型算法，在實(shí)際編解碼過程中無需將原有的字典進(jìn)行任何驅(qū)動(dòng)處理便可以實(shí)現(xiàn)無損壓縮。從運(yùn)作原理來看，其可以看成是將帶壓縮的字節(jié)設(shè)定為一個(gè)具有流動(dòng)特征的字典，通過字符映射出整個(gè)字節(jié)及碼字的輸出長度，這樣再通過壓縮算法實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的處理，提高整體壓縮質(zhì)量且不會(huì)對(duì)原有的字節(jié)進(jìn)行任何改變。

LZW 算法如下：先對(duì)字典進(jìn)行初始化處理，令整個(gè)字典所具備的前綴根為空，輸入過程中將字符進(jìn)行值量賦予，在后續(xù)字典識(shí)別過程中則可以進(jìn)行更新處理，依據(jù)碼字進(jìn)行輸出限流。此過程中將判定出數(shù)據(jù)壓縮的存有量，如果存在則繼續(xù)進(jìn)行數(shù)字限流處理，否則進(jìn)行編碼結(jié)束，并將整個(gè)解壓縮與壓縮中的數(shù)字進(jìn)行二次比對(duì)，生成一個(gè)具有字符串輸出效果的碼字。解壓過程按照字典中的前綴根進(jìn)行符值處理，在原有的詞典中查證出與字符串相對(duì)應(yīng)的字符流并進(jìn)行編碼，如果在字典中存在當(dāng)前編碼，則進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，否則返回到數(shù)據(jù)流中進(jìn)行依次比對(duì)處理、直至解壓完畢。

3.3 壓縮效果

經(jīng)過兩種算法的實(shí)際應(yīng)用比較，位拼接算法的壓縮率與數(shù)據(jù)源所占據(jù)的空間及傳輸性能具有一定關(guān)聯(lián)在一定范疇內(nèi)，如果數(shù)據(jù)本身產(chǎn)生浮動(dòng)效果的話，則統(tǒng)計(jì)層面則需要對(duì)不同類別的數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)性亞索，此時(shí)LZW 壓縮分布則可以看成是基于浮標(biāo)通訊性能的基準(zhǔn)化拼接處理，且整個(gè)拼接率高達(dá)28%以上，這時(shí)可以視作在通信延時(shí)期間，幀數(shù)損失效果較低，大大提高通訊性能。

4 大型海洋浮標(biāo)通信協(xié)議

大型海洋浮標(biāo)通信機(jī)制是在不同設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的一種規(guī)約形式，其中通信協(xié)議設(shè)計(jì)的需要針對(duì)信息在流通過程中的效率性及安全性進(jìn)行分析。從上文可以看出，位拼接LZW 在進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮與處理時(shí)期，可以針對(duì)不同范疇內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行等位處理，此時(shí)在變幀過程中則可以依據(jù)不同協(xié)議層進(jìn)行分化解析（圖2）。

圖2 通信協(xié)議

（1）在幀元結(jié)構(gòu)中，可以整個(gè)通信協(xié)議的最小單元數(shù)進(jìn)行發(fā)送段與接收端的數(shù)據(jù)壓縮處理，然后將此類幀元結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充與完善，確保在通信區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)提取，是符合幀數(shù)對(duì)接需求的，這樣可以有效規(guī)避因?yàn)橥ㄐ艜r(shí)延所產(chǎn)生的掉幀問題。其中，幀長度代表幀元區(qū)段內(nèi)的字節(jié)長度、浮標(biāo)號(hào)代表單一幀數(shù)據(jù)的浮標(biāo)對(duì)稱點(diǎn)、命令碼代表幀類型、通信數(shù)據(jù)代表對(duì)應(yīng)在位拼接之后的壓縮數(shù)據(jù)。

（2）在包元結(jié)構(gòu)中其可以看成是幀元結(jié)構(gòu)的一種存儲(chǔ)場所，每一個(gè)包元結(jié)構(gòu)在解析時(shí)，必須含有一個(gè)或多個(gè)幀元結(jié)構(gòu)才可以確保在數(shù)據(jù)壓縮過程中按照字節(jié)填充量進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮與解析處理。例如在包元結(jié)構(gòu)中，如果字?jǐn)?shù)限制為84 個(gè)字節(jié)，則不滿字節(jié)存儲(chǔ)容量下進(jìn)行數(shù)據(jù)填充處理，如果滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求，則將真元結(jié)構(gòu)填充到下一個(gè)包元結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)持續(xù)性的數(shù)據(jù)壓縮，保證信息傳輸?shù)耐暾?。其中，包長度代表包元所有區(qū)段字節(jié)長度總和、包序號(hào)代表位列值、通信數(shù)據(jù)代表存放壓縮后的幀元數(shù)據(jù)。

5 “主—從”狀態(tài)機(jī)控制

對(duì)于北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)壓縮是針對(duì)整個(gè)傳輸效率提供一個(gè)運(yùn)行載體，并且可以有效提高信息傳輸?shù)陌踩裕苊鈹?shù)據(jù)傳輸誤差的問題。基于通信機(jī)制而實(shí)現(xiàn)的兩重狀態(tài)控制，則是從主動(dòng)與從動(dòng)狀態(tài)對(duì)北斗通信中的數(shù)據(jù)丟失問題進(jìn)行解決，保證整個(gè)通信過程的持續(xù)性與可靠性。

（1）主動(dòng)與從動(dòng)狀態(tài)機(jī)可以有效規(guī)避信號(hào)弱控制問題，提高整個(gè)狀態(tài)期的統(tǒng)籌性能，保證在不同區(qū)位下實(shí)現(xiàn)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的多位處理，確保浮標(biāo)裝置在信號(hào)采集與傳輸過程中的完整性。

（2）主動(dòng)與從動(dòng)狀態(tài)機(jī)可以對(duì)幀數(shù)進(jìn)行重發(fā)處理，規(guī)避因?yàn)槁?、失幀所引發(fā)的數(shù)據(jù)對(duì)接不流暢問題。此類數(shù)據(jù)失幀處理可以針對(duì)丟失的數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)發(fā)處理。

（3）主動(dòng)與從動(dòng)狀態(tài)機(jī)可對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)運(yùn)行進(jìn)行糾錯(cuò)處理，其中主狀態(tài)可識(shí)別數(shù)據(jù)傳輸過程中的各類風(fēng)險(xiǎn)問題，從狀態(tài)機(jī)則可對(duì)帶有風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行排錯(cuò)處理，避免產(chǎn)生數(shù)據(jù)誤傳遞問題。

對(duì)于浮標(biāo)通信機(jī)制而言，可以有效將數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別與歸類處理，例如命令信號(hào)與浮標(biāo)機(jī)器進(jìn)行對(duì)接，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，利用主狀態(tài)機(jī)的檢測功能，查找出不同信息類別中存在的問題，從狀態(tài)機(jī)則是對(duì)后續(xù)浮標(biāo)裝置通信進(jìn)行輔助檢測的作用，確保主體線程通信的完整性，提高信號(hào)信息的傳輸質(zhì)量。

6 結(jié)束語

北斗衛(wèi)星支撐下的大型海洋浮標(biāo)通信系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)化、精準(zhǔn)化地闡釋當(dāng)前操控環(huán)境的數(shù)據(jù)羅列屬性，增強(qiáng)數(shù)據(jù)識(shí)別度，令地面接收器了解海洋上的環(huán)境信息，為后續(xù)管理工作的開展提供基礎(chǔ)保障。在后續(xù)發(fā)展過程中必須進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)通信技術(shù)的應(yīng)用及檢測設(shè)備的維護(hù)，提高信息監(jiān)測質(zhì)量，為海洋監(jiān)管工作的開展提供數(shù)據(jù)支撐。