基于北斗短報(bào)文的海洋觀測(cè)實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)

姜 斌, 徐振華, 葛振營(yíng), 楊樹國(guó), 陳永華

基于北斗短報(bào)文的海洋觀測(cè)實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)

姜 斌1, 2, 3, 徐振華2, 葛振營(yíng)4, 楊樹國(guó)3, 陳永華2

(1. 青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 山東 青島 266061; 2. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071; 3. 青島科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院, 山東 青島 266061; 4. 青島科技大學(xué)體育學(xué)院, 山東 青島 266061)

北斗一代和北斗二代短報(bào)文每次通信數(shù)據(jù)長(zhǎng)度只有78個(gè)字節(jié), 每次通信后間隔60秒或者300秒才能進(jìn)行下一次通信, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了海洋觀測(cè)實(shí)時(shí)通信的需求。設(shè)計(jì)了一套基于北斗短報(bào)文的海洋觀測(cè)實(shí)時(shí)通信系統(tǒng), 北斗多卡機(jī)作為數(shù)據(jù)發(fā)送端, 采用哈夫曼壓縮算法將觀測(cè)數(shù)據(jù)壓縮后分成多個(gè)數(shù)據(jù)包, 通過(guò)多個(gè)北斗卡分別發(fā)送, 岸站接收系統(tǒng)接收到分包的數(shù)據(jù)后, 將接收的數(shù)據(jù)包解壓縮并整合成完整的觀測(cè)數(shù)據(jù)。哈夫曼壓縮算法將觀測(cè)數(shù)據(jù)壓縮50%左右, 將1組觀測(cè)數(shù)據(jù)壓縮后發(fā)送3次, 通過(guò)岸上3個(gè)月和海上1個(gè)月的測(cè)試, 觀測(cè)數(shù)據(jù)接收成功率達(dá)到了96%以上, 驗(yàn)證了基于北斗短報(bào)文的海洋觀測(cè)實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性。

Linux; 海洋觀測(cè); 北斗衛(wèi)星; 數(shù)據(jù)庫(kù); 哈夫曼壓縮算法

實(shí)時(shí)海洋觀測(cè)需要將每次采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回到岸站接收系統(tǒng), 以幫助完成海洋科學(xué)研究和海洋預(yù)警等工作。目前, 海洋觀測(cè)的實(shí)時(shí)回傳主要依靠通信衛(wèi)星完成, 常見(jiàn)的通信衛(wèi)星包括銥星、天通和北斗衛(wèi)星等[1]。相比于銥星、天通衛(wèi)星, 北斗通信衛(wèi)星不僅終端設(shè)備便宜, 而且沒(méi)有通信費(fèi), 做到了物美價(jià)廉。而且北斗衛(wèi)星真正做到了端到端的通信, 具有很好的保密性[2], 如圖1所示, 海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)北斗衛(wèi)星通信模塊將觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到北斗衛(wèi)星, 北斗衛(wèi)星將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到岸站接收系統(tǒng)的北斗衛(wèi)星通信模塊, 整個(gè)過(guò)程沒(méi)有涉及地球站等地面通信設(shè)備, 保證了數(shù)據(jù)安全。

圖1 北斗衛(wèi)星通信的端到端通信

目前, 海洋觀測(cè)通信還是以北斗一代和北斗二代短報(bào)文為主, 但是北斗一代和北斗二代短報(bào)文通信單條短報(bào)文長(zhǎng)度只有78個(gè)字節(jié), 通信頻率為60 s/條或者300 s/條, 顯然無(wú)法滿足實(shí)時(shí)海洋觀測(cè)通信需求。采用北斗多卡機(jī)作為數(shù)據(jù)發(fā)送模塊, 最多可以放置16張北斗卡, 每次最多發(fā)送16個(gè)短報(bào)文數(shù)據(jù), 即每次通信數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最長(zhǎng)為1 248個(gè)字節(jié)。根據(jù)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn), 采用合適的壓縮算法, 可以提高北斗衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)量。北斗多卡機(jī)的功耗與單卡北斗模塊相當(dāng), 因此北斗多卡機(jī)也不存在功耗過(guò)大問(wèn)題[3]。北斗短報(bào)文通訊本身可靠性較高, 但沒(méi)有反饋信息, 發(fā)送端無(wú)法知道接收端是否收到數(shù)據(jù)[4-5]。海洋觀測(cè)通過(guò)北斗多卡機(jī)將分包觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到岸站后, 通過(guò)岸站接收系統(tǒng)接收分包數(shù)據(jù), 將分拆的北斗數(shù)據(jù)重組恢復(fù)成原始的觀測(cè)數(shù)據(jù), 再將數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)和顯示, 以滿足海洋科學(xué)研究和海洋預(yù)警的要求。

聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic Dopler Veloci-ty Profiler, ADCP)和溫鹽深儀(Temperature Condu-c-tivity Depth, CTD)是最常使用的海洋調(diào)查儀器, 本文將搭載2套ADCP和4套CTD的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)北斗多卡機(jī)發(fā)送回岸站, 采用哈夫曼壓縮算法對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮, 以降低通訊帶寬, 為了保證數(shù)據(jù)接收的成功率, 每組觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送3次, 觀測(cè)數(shù)據(jù)接收成功率達(dá)到了96%以上, 驗(yàn)證了基于北斗短報(bào)文的大數(shù)據(jù)量海洋觀測(cè)實(shí)時(shí)通信的可行性和實(shí)用性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于北斗短報(bào)文的海洋觀測(cè)實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖2所示, 系統(tǒng)由海洋觀測(cè)設(shè)備、北斗衛(wèi)星和岸基3部分組成, 海洋觀測(cè)設(shè)備由電子艙、連接纜和傳感器節(jié)點(diǎn)3部分組成, 在電子艙中, 電源為主控制器和北斗多卡機(jī)提供能源, 主控制器通過(guò)連接纜從傳感器獲得觀測(cè)數(shù)據(jù), 對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)處理分包后通過(guò)北斗多卡機(jī)將觀測(cè)分包數(shù)據(jù)發(fā)送到北斗衛(wèi)星上, 北斗衛(wèi)星再將觀測(cè)分包數(shù)據(jù)發(fā)送到岸基的岸站接收系統(tǒng)上。其中, 傳感器節(jié)點(diǎn)上的ADCP通過(guò)有線連接與實(shí)時(shí)海洋觀測(cè)電子艙連接, 傳感器節(jié)點(diǎn)上的CTD通過(guò)耦合連接與電子艙連接。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 電子艙設(shè)計(jì)

電子艙中的主控制器采用Linux操作系統(tǒng), 可以并行完成多項(xiàng)任務(wù), 任務(wù)之間的數(shù)據(jù)交互通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)完成, 電子艙中各個(gè)進(jìn)程與傳感器節(jié)點(diǎn)、岸站接收系統(tǒng)的交互流程如圖3所示。ADCP進(jìn)程、CTD進(jìn)程和數(shù)據(jù)發(fā)送進(jìn)程并行執(zhí)行。ADCP傳感器是定時(shí)自動(dòng)啟動(dòng), 觀測(cè)完多層的流速和流向后, 通過(guò)有線連接, 向主控制器發(fā)送觀測(cè)數(shù)據(jù), 因此主控制器上的ADCP進(jìn)程在ADCP傳感器開始工作時(shí)就一直等待ADCP, 接收到ADCP的觀測(cè)數(shù)據(jù)后, 將ADCP觀測(cè)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中, ADCP進(jìn)程結(jié)束; CTD傳感器需要喚醒后才能開始工作, 主控制器上的CTD進(jìn)程開始后, 通過(guò)耦合連接喚醒CTD傳感器開始工作, 喚醒后的CTD傳感器開始采集溫度、鹽度和深度數(shù)據(jù), 再通過(guò)耦合連接發(fā)送到主控制器, 主控制器上的CTD進(jìn)程接收到CTD傳感器的數(shù)據(jù)后, 存入數(shù)據(jù)庫(kù)中, CTD進(jìn)程結(jié)束; 數(shù)據(jù)發(fā)送進(jìn)程開始后, 查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)是否有最新數(shù)據(jù), 當(dāng)CTD傳感器數(shù)據(jù)和ADCP傳感器新數(shù)據(jù)更新后, 將所有數(shù)據(jù)整合后壓縮, 經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分包, 將觀測(cè)分包數(shù)據(jù)通過(guò)北斗多卡機(jī)上的不同北斗卡發(fā)送到北斗衛(wèi)星后, 數(shù)據(jù)發(fā)送進(jìn)程結(jié)束。

北斗一代和北斗二代的短報(bào)文通信每次只有78個(gè)字節(jié)的通信量[6-7]。設(shè)計(jì)了1套簡(jiǎn)單有效的數(shù)據(jù)通信格式, 在為重組觀測(cè)數(shù)據(jù)提供可靠保證的前提下, 盡量多地保留有效通信數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。如圖4所示, 北斗分包數(shù)據(jù)格式由觀測(cè)標(biāo)記、包信息、有效數(shù)據(jù)和校驗(yàn)組成。觀測(cè)標(biāo)記由2個(gè)字節(jié)組成, 計(jì)數(shù)范圍為0～65 535, 以開始布放時(shí)間為起始時(shí)間, 每增加10 min, 觀測(cè)標(biāo)記加1, 每次所有的觀測(cè)數(shù)據(jù)采用同一個(gè)觀測(cè)標(biāo)記, 岸站接收系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后, 可以根據(jù)觀測(cè)標(biāo)記篩選出同一次的觀測(cè)數(shù)據(jù), 并根據(jù)觀測(cè)標(biāo)記計(jì)算出觀測(cè)時(shí)間; 包信息由1個(gè)字節(jié)組成, 由于北斗多卡機(jī)最多可以搭載16張北斗卡, 4個(gè)位即可表示完整, 因此設(shè)計(jì)包信息高4位表示1次觀測(cè)數(shù)據(jù)被分成了幾個(gè)包, 包信息低4位表示的是該包是第幾個(gè)包; 校驗(yàn)由1個(gè)字節(jié)組成, 對(duì)分包數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn), 以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

1.2 壓縮算法設(shè)計(jì)

哈夫曼壓縮算法對(duì)出現(xiàn)頻率高的字符可以用較短的編碼表示, 實(shí)現(xiàn)壓縮效率最大化。由于海洋觀測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)經(jīng)常出現(xiàn)的字符高頻的比較多, 哈夫曼壓縮是比較適合的算法, 用于降低海洋觀測(cè)的數(shù)據(jù)量[8]。

哈夫曼壓縮算法的步驟如下:

(1)構(gòu)造哈夫曼編碼表。遍歷海洋觀測(cè)數(shù)據(jù), 得到每個(gè)字符出現(xiàn)的頻次, 將出現(xiàn)頻次最低的2個(gè)字符作為子節(jié)點(diǎn), 左節(jié)點(diǎn)頻次大于右節(jié)點(diǎn)頻次, 構(gòu)造分支節(jié)點(diǎn), 同時(shí)將分支節(jié)點(diǎn)作為新字符, 頻次作為子頻數(shù)之和, 進(jìn)行重新排序, 重復(fù)以上步驟直到所有字符編碼完成, 對(duì)編碼樹進(jìn)行排序, 左節(jié)點(diǎn)為0, 右節(jié)點(diǎn)為1, 直到編碼樹底端, 根據(jù)編碼情況構(gòu)造哈夫曼編碼表。

(2)轉(zhuǎn)碼壓縮。根據(jù)構(gòu)造的哈夫曼編碼表將觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為0-1編碼, 每8個(gè)編碼進(jìn)行1次分割, 作為1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)寫入, 最后不足8位則需要補(bǔ)0, 直到剛好達(dá)到8位。將哈夫曼編碼表寫入。

圖5是哈夫曼壓縮算法的流程圖, 最后壓縮數(shù)據(jù)是由哈夫曼編碼表和編碼表組成的壓縮數(shù)據(jù)。解壓時(shí), 根據(jù)哈夫曼編碼表將編碼表無(wú)損恢復(fù)成觀測(cè)數(shù)據(jù)。

圖5 哈夫曼壓縮算法流程圖

2 岸站接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

如圖6所示, 岸站接收系統(tǒng)通過(guò)北斗終端接收到分包的數(shù)據(jù)后, 將接收的數(shù)據(jù)包解壓整合成完整的觀測(cè)數(shù)據(jù), 補(bǔ)位丟失的數(shù)據(jù)包、刪除冗余的數(shù)據(jù)包和重新排序數(shù)據(jù)包, 并將數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)和顯示。岸站接收系統(tǒng)采用CS架構(gòu), 服務(wù)器端負(fù)責(zé)功能接收數(shù)據(jù)、整合數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)入庫(kù), 客戶端負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得數(shù)據(jù), 對(duì)數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)和顯示。

圖6 實(shí)時(shí)海洋觀測(cè)的岸站接收系統(tǒng)

2.1 服務(wù)器端

北斗終端接收到北斗衛(wèi)星傳來(lái)的數(shù)據(jù)后, 將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器上, 服務(wù)器上的服務(wù)器端軟件首先將數(shù)據(jù)接收到數(shù)據(jù)庫(kù)A中, 數(shù)據(jù)庫(kù)A的存儲(chǔ)格式如表1所示。服務(wù)器上的服務(wù)器端軟件定時(shí)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)A中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合, 將恢復(fù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)B中, 數(shù)據(jù)庫(kù)B的存儲(chǔ)格式如表2所示。

表1 數(shù)據(jù)庫(kù)A存儲(chǔ)格式

表2 數(shù)據(jù)庫(kù)B存儲(chǔ)格式

北斗分包數(shù)據(jù)整合的流程圖如圖7所示。開始后首先查找數(shù)據(jù)庫(kù)A中“已整合”標(biāo)記為False的數(shù)據(jù), 查找到后, 在數(shù)據(jù)庫(kù)B中查找該數(shù)據(jù)的觀測(cè)標(biāo)記是否已經(jīng)存在, 如果存在, 根據(jù)該數(shù)據(jù)的包序號(hào)將數(shù)據(jù)庫(kù)B中相同觀測(cè)標(biāo)記的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新, 如果不存在, 根據(jù)觀測(cè)標(biāo)記, 在數(shù)據(jù)庫(kù)B中插入該數(shù)據(jù), 時(shí)間是根據(jù)觀測(cè)標(biāo)記計(jì)算得到。在數(shù)據(jù)庫(kù)A中將該數(shù)據(jù)“已整合”標(biāo)記為True, 判斷數(shù)據(jù)庫(kù)A中“已整合”標(biāo)記是否全部為True, 如果不是, 繼續(xù)查找數(shù)據(jù)庫(kù)A中數(shù)據(jù), 如果數(shù)據(jù)庫(kù)A中數(shù)據(jù)全部已經(jīng)整合, 北斗分包數(shù)據(jù)整合結(jié)束。

圖7 北斗分包數(shù)據(jù)整合流程圖

2.2 客戶端

實(shí)時(shí)海洋觀測(cè)系統(tǒng)的岸站接收系統(tǒng)的客戶端從服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)B中申請(qǐng)到數(shù)據(jù)后, 按照解析規(guī)則, 將數(shù)據(jù)解析成有意義的參數(shù)。客戶端軟件根據(jù)功能劃分成最新數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)報(bào)表3個(gè)功能。

岸站接收系統(tǒng)客戶端軟件的最新數(shù)據(jù)功能如圖8所示, 將申請(qǐng)的最新數(shù)據(jù)解析成溫度、鹽度、深度和各層的流速、流向數(shù)據(jù), 最新數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新, 以幫助實(shí)時(shí)了解海洋的觀測(cè)情況。岸站接收系統(tǒng)客戶端軟件的數(shù)據(jù)查詢功能如圖9所示, 選擇任一設(shè)備的任一參數(shù)(圖9中選擇的是上海流的流速, 即ADCP朝向海面測(cè)量的各層海流流速), 再選擇任一時(shí)間段, 可以顯示該參數(shù)在該時(shí)間段內(nèi)的曲線變化情況。岸站接收系統(tǒng)客戶端軟件的數(shù)據(jù)報(bào)表功能如圖10所示, 選擇任一設(shè)備(圖10中選擇的是上海流, 即ADCP朝向海面測(cè)量的各層海流流速), 再選擇任一時(shí)間段, 點(diǎn)擊導(dǎo)出按鈕, 即可以導(dǎo)出該時(shí)間段內(nèi)該設(shè)備的所有數(shù)據(jù), 并保存成文件, 為進(jìn)一步的分析提供幫助。

圖8 岸站接收系統(tǒng)客戶端的最新數(shù)據(jù)功能

圖9 岸站接收系統(tǒng)客戶端的數(shù)據(jù)查詢功能

圖10 岸站接收系統(tǒng)客戶端的數(shù)據(jù)報(bào)表功能

3 系統(tǒng)測(cè)試

聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)和溫鹽深儀(CTD)是最常使用的海洋調(diào)查儀器, 本文將搭載2套ADCP和4套CTD的實(shí)時(shí)海洋觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。ADCP觀測(cè)流速和流向, 設(shè)置觀測(cè)層數(shù)是20層, 分為向上測(cè)量和向下測(cè)量, 1套ADCP的數(shù)據(jù)量最多是250個(gè)字節(jié), 1套CTD的數(shù)據(jù)量最多是60個(gè)字節(jié), 因此, 2套ADCP和4套CTD的總數(shù)據(jù)量最多是

250×2+60×4=740 Bytes, (1)

每張北斗短報(bào)文卡每次發(fā)送的有效數(shù)據(jù)量是74個(gè)字節(jié), 因此, 北斗多卡機(jī)理論上需要使用11張北斗短報(bào)文卡才可以滿足數(shù)據(jù)傳輸需求。由于海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)中不同的觀測(cè)儀器采集頻率是不同的, 在解析數(shù)據(jù)的時(shí)候?yàn)榱吮３纸馕鲆?guī)則的統(tǒng)一性, 通常未觀測(cè)的數(shù)據(jù)補(bǔ)0以保證后面數(shù)據(jù)在正確的解析位置。使用哈夫曼壓縮算法, 補(bǔ)0后的數(shù)據(jù)不會(huì)增加數(shù)據(jù)長(zhǎng)度, 減小了通訊數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。如圖11所示是使用哈夫曼壓縮算法實(shí)際測(cè)試的23 d左右的壓縮率, 測(cè)試過(guò)程中4臺(tái)觀測(cè)儀器是1次/h的觀測(cè)頻率, 1臺(tái)儀器是1次/2 h觀測(cè)頻率, 1臺(tái)儀器是12 h觀測(cè)1次, 可以明顯看到每12 h, 壓縮率會(huì)降低到40%以下, 每隔1個(gè)小時(shí)壓縮率會(huì)從54%左右降低到48%左右, 這是由于未觀測(cè)的儀器在數(shù)據(jù)位補(bǔ)0, 使用哈夫曼壓縮算法壓縮率增加。因此, 實(shí)際測(cè)試的過(guò)程中, 4～6張北斗卡就可以滿足測(cè)試需求。

如表3所示, 通過(guò)在岸上3個(gè)月的測(cè)試, 在相同數(shù)據(jù)只發(fā)送1次的情況下, 測(cè)試時(shí)長(zhǎng)15 d, 數(shù)據(jù)的接收率為61.8%, 因此, 每次北斗接收數(shù)據(jù)的成功率為

=61.8%, (2)

由于一般令人滿意的數(shù)據(jù)接收率需要達(dá)到90%以上, 因此需要解(3)式中的值, 求得最小值為3, 因此, 理論上, 需要重復(fù)發(fā)送相同數(shù)據(jù)3次, 才可以達(dá)到令人滿意的接收率。

圖11 哈夫曼壓縮算法的壓縮率

(1–)≥90%, (3)

這里, 測(cè)試了相同數(shù)據(jù)重復(fù)發(fā)送2次和3次的情況。相同數(shù)據(jù)發(fā)送2次的情況下, 測(cè)試時(shí)長(zhǎng)20 d, 數(shù)據(jù)的接收率為83.3%, 相同數(shù)據(jù)發(fā)送3次的情況下, 測(cè)試時(shí)長(zhǎng)48 d, 數(shù)據(jù)的接收率為96.04%。可以看出, 基本每次北斗數(shù)據(jù)的接收都可以作為1個(gè)獨(dú)立的概率事件。因此, 在相同數(shù)據(jù)發(fā)送3次時(shí), 可以達(dá)到令人滿意的接收率。圖12是海上測(cè)試的某一層的流速圖, 一共收到694條數(shù)據(jù), 應(yīng)該收到720條數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)接收率為96.4%, 與岸上測(cè)試結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

北斗短報(bào)文通訊沒(méi)有反饋信息, 通訊頻段與4G通訊頻段相近, 受到周圍環(huán)境的影響導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)接收率在60%～70%左右。設(shè)計(jì)了一套基于北斗二代短報(bào)文的海洋觀測(cè)實(shí)時(shí)通信系統(tǒng), 北斗多卡機(jī)作為數(shù)據(jù)發(fā)送端, 觀測(cè)數(shù)據(jù)接收成功率達(dá)到96%以上, 滿足絕大多數(shù)觀測(cè)業(yè)務(wù)的需求。

基于北斗短報(bào)文的海洋觀測(cè)實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)通過(guò)電子艙中的主控制器將觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)哈夫曼壓縮算法壓縮后, 分包成適合北斗短報(bào)文發(fā)送的長(zhǎng)度, 利用北斗多卡機(jī)將觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到北斗衛(wèi)星, 北斗衛(wèi)星再發(fā)送到岸站接收系統(tǒng)的北斗終端上。岸站接收系統(tǒng)采用CS架構(gòu), 服務(wù)器端軟件將北斗終端接收的北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)解壓縮后, 重新整合成觀測(cè)數(shù)據(jù), 客戶端軟件從服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)申請(qǐng)數(shù)據(jù), 提供數(shù)據(jù)解析、存儲(chǔ)和顯示功能, 為進(jìn)一步海洋科學(xué)分析和海洋預(yù)警提供幫助。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試, 哈夫曼壓縮算法對(duì)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的壓縮率在50%左右, 可以有效解決由于采樣頻率不一致導(dǎo)致的補(bǔ)0數(shù)據(jù)占通訊帶寬的問(wèn)題。由于北斗衛(wèi)星屬于高軌衛(wèi)星, 有一定的掉包率, 根據(jù)理論分析和實(shí)際測(cè)試, 數(shù)據(jù)重復(fù)發(fā)送3次基本可以滿足海洋數(shù)據(jù)的接收需求, 數(shù)據(jù)接收成功率達(dá)到96%以上。本文提供了1套具有實(shí)用性的基于北斗短報(bào)文的海洋觀測(cè)的實(shí)時(shí)通信方案。

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Design and development of real-time communication system for ocean observation data based on Beidou short messages

JIANG Bin1, 2, 3, XUZhen-hua2, GE Zhen-ying4, YANG Shu-guo3, CHEN Yong-hua2

(1. College of Electromechanical and Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061, China; 2. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 3. College of Mathematics and Physics, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061, China; 4. College of Physical Education, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061, China)

First- and second-generation Beidou short messages have a data length of only 78 bytes per communication, and the interval between successive communications is 300 s, which is insufficient for the real-time communication of ocean observations. A real-time communication system for ocean observation data based on Beidou short message is designed. The obtained data is sent through Beidou multicard machine by employing the Huffman compression algorithm to compress the observation data into multiple data packets. These subcontracted data are then transmitted through multiple Beidou cards, which are received by the shore station receiving system. Further, the received data package is decompressed and integrated into complete observation data. The Huffman compression algorithm is used to compress the observation data by about 50%. Moreover, each set of observation data is compressed and sent three times. After testing for three months on shore and one month at sea, the success rate of observation data reception was more than 96%. This verifies the feasibility and practicality of the real-time communication system for ocean observation based on Beidou short messages.

Linux; ocean survey; Beidou satellite; database; Huffman compression algorithm

May 8, 2023

[The Scientific and Technological Innovation Project Financially Supported by Laoshan Laboratory, No. LSKJ202202502; The National Natural Science Foundation of China, No. 92058202; The National Key Research and Development Program of China, No. 2022YFC3104102]

TN914-34; P715.2

A

1000-3096(2023)8-0068-07

10.11759/hykx20230508001

2023-05-08;

2023-06-27

嶗山實(shí)驗(yàn)室科技創(chuàng)新項(xiàng)目(LSKJ202202502); 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(92058202); 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2022YFC3104102)

姜斌(1987—), 男, 山東煙臺(tái)人, 工程師, 博士, 主要從事海洋裝備研發(fā)與系統(tǒng)集成研究, E-mail: jiangbin@qdio.ac.cn; 陳永華(1976—),通信作者, 男, 山東棗莊人, 研究員, 主要從事海洋裝備研發(fā)與系統(tǒng)集成研究, E-mail: chenyonghua@qdio.ac.cn; 徐振華(1980—), 通信作者, 男, 山東青島人, 研究員, 主要從事海洋內(nèi)波與混合研究, E-mail: xuzhenhua@qdio.ac.cn

(本文編輯: 譚雪靜)