黨超群， 張鎖平， 齊占輝， 李明兵， 孫東波

(國家海洋技術(shù)中心，天津300112)

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基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的深遠(yuǎn)海GPS波浪浮標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸研究*

黨超群， 張鎖平， 齊占輝， 李明兵， 孫東波

(國家海洋技術(shù)中心，天津300112)

摘要:國家海洋技術(shù)中心研制的GPS波浪浮標(biāo)僅需一個(gè)GPS接收機(jī)，無需其他輔助傳感器，其功耗低、尺寸小、布放方便、測(cè)量精度高、適用于大范圍的對(duì)波浪進(jìn)行精細(xì)化觀測(cè)。為了解決GPS波浪浮標(biāo)在深遠(yuǎn)海應(yīng)用中的數(shù)據(jù)傳輸問題，通過對(duì)比Argos、銥星、北斗三種衛(wèi)星系統(tǒng)的特點(diǎn)，該設(shè)備優(yōu)先選用了基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式。對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成、硬件電路設(shè)計(jì)、測(cè)量原理及數(shù)據(jù)傳輸流程分別進(jìn)行了詳細(xì)闡述。通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)海上試驗(yàn)，特別是GPS波浪浮標(biāo)在遭遇臺(tái)風(fēng)等惡劣環(huán)境下仍能正常通信，驗(yàn)證了北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在深遠(yuǎn)海數(shù)據(jù)傳輸上的可行與可靠性。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星系統(tǒng)； 深遠(yuǎn)海； GPS波浪浮標(biāo)； 數(shù)據(jù)傳輸

0引言

現(xiàn)今，海洋環(huán)境要素的獲取多采用無線通信，但由于距離和通信條件的限制，近岸所采用的通信方式幾無可能用于深遠(yuǎn)海的數(shù)據(jù)通信。當(dāng)前，多種衛(wèi)星系統(tǒng)逐步組網(wǎng)完成，Argos、銥星、北斗系統(tǒng)逐漸成為深遠(yuǎn)海數(shù)據(jù)通信中的佼佼者，廣泛的應(yīng)用在深遠(yuǎn)海海洋環(huán)境觀測(cè)領(lǐng)域。

Argos衛(wèi)星系統(tǒng)是法國和美國聯(lián)合建立的一個(gè)數(shù)據(jù)收集和定位的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。它利用極軌衛(wèi)星傳送各種環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)測(cè)量?jī)x器的載體進(jìn)行定位。由于在高緯度地區(qū)不可能利用地球同步衛(wèi)星通信，Argos系統(tǒng)為這些地區(qū)的水文氣象監(jiān)測(cè)儀器提供了一種很好的通信手段[1]。最新的Argos—3的信息收發(fā)平臺(tái)PMT是專門針對(duì)Argos星座設(shè)計(jì)的PMT，它克服了Argos—2的地面發(fā)射平臺(tái)PTT的缺點(diǎn)，具有雙向通信、數(shù)據(jù)容量大、速率高的特點(diǎn)[2]。

銥星系統(tǒng)是由66顆環(huán)繞地球的低軌衛(wèi)星網(wǎng)組成的全球衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，最顯著的特點(diǎn)是星際鏈路和極地軌道，無論在哪里都能保證通信的信號(hào)強(qiáng)度和可靠性，不受天氣、高度、電離層、距離等因素的制約。銥星突發(fā)短數(shù)據(jù)傳輸(SBD)的通信費(fèi)用相比地面其他的移動(dòng)通信系統(tǒng)相對(duì)來說高一些，但是在特殊地區(qū)、特殊行業(yè)、特殊環(huán)境下利用銥星SBD實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸仍然是相當(dāng)經(jīng)濟(jì)的[3～5]。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)覆蓋范圍現(xiàn)已擴(kuò)大到亞太地區(qū)，除了導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)外，還擁有GPS等其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所不具備的雙向通信功能。雙向通信功能可完成：1)浮標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的上傳：浮標(biāo)通過GPS傳感器采集波浪數(shù)據(jù)，之后通過北斗用戶機(jī)發(fā)往岸站數(shù)據(jù)接收終端。2)個(gè)性信息點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信：遇突發(fā)情況可以對(duì)單個(gè)浮標(biāo)發(fā)送指令，浮標(biāo)在收到指令后可以執(zhí)行相應(yīng)的操作。3)共性信息廣播通信：針對(duì)共性信息，可以通過廣播的方式將同一信息發(fā)送至所有下屬的北斗用戶機(jī)[6]。

1GPS波浪浮標(biāo)

由于Argos和銥星系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸均要先通過國外的數(shù)據(jù)處理中心，經(jīng)處理之后再分發(fā)給國內(nèi)用戶，數(shù)據(jù)的安全性從根本上得不到保證。此外，其中的關(guān)鍵技術(shù)均由他人掌握，先天存在應(yīng)用瓶頸。因此，出于對(duì)數(shù)據(jù)安全性、海上實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合以及資費(fèi)等方面的綜合考慮，本文設(shè)計(jì)的深遠(yuǎn)海GPS波浪浮標(biāo)[7]的數(shù)據(jù)傳輸方式優(yōu)先選擇了北斗衛(wèi)星系統(tǒng)。

1.1系統(tǒng)構(gòu)成

GPS波浪浮標(biāo)主要由GPS傳感器、硬件電路板和北斗通信模塊三部分組成，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1，其中硬件電路板由電源和控制系統(tǒng)組成。

圖1　GPS波浪浮標(biāo)的系統(tǒng)構(gòu)成Fig 1　System constitution of GPS wave buoy

GPS波浪浮標(biāo)布放后，硬件電路會(huì)通過接口按照預(yù)定的采樣間隔打開GPS傳感器電源，接收來自GPS傳感器采集的原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至硬件電路板外擴(kuò)SRAM中，待達(dá)到既定的采集點(diǎn)數(shù)之后，關(guān)斷GPS傳感器電源，硬件電路板中的ARM微控制器從SRAM讀取原始數(shù)據(jù)并計(jì)算波浪參數(shù)，計(jì)算完成后，打開北斗通信模塊電源，將計(jì)算結(jié)果通過接口發(fā)送給北斗通信模塊，最后北斗通信模塊以短消息的方式發(fā)送至岸站接收系統(tǒng)。

1.2硬件電路設(shè)計(jì)

為了滿足GPS波浪浮標(biāo)信號(hào)處理、數(shù)據(jù)通信以及各模塊電源開關(guān)控制的要求，硬件電路板主要由ARM微控制器、系統(tǒng)電源、系統(tǒng)復(fù)位、外部時(shí)鐘、SRAM、外部傳感器和通信模塊電源控制等模塊構(gòu)成，設(shè)計(jì)框圖如圖2。

圖2　硬件電路設(shè)計(jì)框圖Fig 2　Design block diagram of hardware circuit

其中，ARM微控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，扮演著計(jì)算器和控制器的雙重角色，控制著整個(gè)系統(tǒng)各模塊的正常運(yùn)行；系統(tǒng)電源為微控制器、外部傳感器及通信模塊提供電源；外部時(shí)鐘為微控制器提供RTC和系統(tǒng)時(shí)鐘；SRAM用來存儲(chǔ)GPS原始數(shù)據(jù)；外部傳感器和通信模塊的電源控制模塊用于微控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)外部傳感器和通信模塊的電源控制；系統(tǒng)復(fù)位用于系統(tǒng)工作異常時(shí)系統(tǒng)強(qiáng)制產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)；電平轉(zhuǎn)換、外部傳感器及通信接口實(shí)現(xiàn)ARM微控制器與外圍設(shè)備的正常通信。

硬件電路板的主芯片和外圍電路元器件均采用工業(yè)級(jí)器件，并且整機(jī)電路板通過了環(huán)境實(shí)驗(yàn)，可以在-5～45 ℃正常工作。

1.3測(cè)量原理與數(shù)據(jù)傳輸流程

GPS波浪浮標(biāo)利用GPS衛(wèi)星信號(hào)的多普勒頻偏原理測(cè)量浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而反演出波浪譜，最后由波浪譜計(jì)算出波浪的特征值數(shù)據(jù)并把特征值數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和發(fā)射。

為了降低系統(tǒng)的功耗，設(shè)計(jì)中優(yōu)化了各模塊的電源控制，增加了電源控制模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各模塊的分時(shí)分段工作，其測(cè)量與數(shù)據(jù)傳輸流程如圖3所示。

圖3　測(cè)量與數(shù)據(jù)傳輸流程Fig 3　Process of data measurement and transmission

系統(tǒng)上電，待系統(tǒng)電源電壓穩(wěn)定之后，ARM微控制器通過開關(guān)控制模塊給GPS傳感器供電，2 min后(留給GPS搜星的時(shí)間)，開始采集GPS原始數(shù)據(jù)，待GPS傳感器采集到足夠的數(shù)據(jù)或者預(yù)先設(shè)定時(shí)間到，ARM微控制器關(guān)斷其電源，進(jìn)行下一步的波浪計(jì)算。

ARM微控制器讀取GPS原始數(shù)據(jù)并計(jì)算波浪數(shù)據(jù)，計(jì)算完成之后ARM微控制器打開北斗通信模塊電源，2 min后開始發(fā)送波浪數(shù)據(jù)，交互式發(fā)送成功之后ARM微控制器關(guān)斷北斗通信模塊的電源。

系統(tǒng)上電之后，GPS波浪浮標(biāo)由RTC(采用GPS時(shí)鐘)控制整點(diǎn)測(cè)量的時(shí)間。此外，為了避免程序跑飛和死機(jī)等情況的出現(xiàn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了兩種策略[8]：一是在內(nèi)核代碼中加入軟件看門狗功能；二是硬件設(shè)計(jì)上增加了系統(tǒng)復(fù)位電路。

2實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)

2013年9月，進(jìn)行了為期15天的實(shí)驗(yàn)室拷機(jī)實(shí)驗(yàn)，其間經(jīng)歷了陰天雷雨天氣等對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸影響較大的狀況，期間浮標(biāo)一共發(fā)送了360組整點(diǎn)波浪測(cè)量數(shù)據(jù)(均是靜態(tài)情況下測(cè)得的噪聲數(shù)據(jù))，岸站接收了360組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸成功率達(dá)100 %。

2.2現(xiàn)場(chǎng)海上試驗(yàn)情況

2013年10月，西太平洋秋季航次中，在臺(tái)灣東部海域布放了2套GPS波浪浮標(biāo)，它們?cè)诠ぷ鬟^程中經(jīng)歷了KROSA(羅莎)和海燕兩次臺(tái)風(fēng)過程。本文以臺(tái)風(fēng)KROSA經(jīng)過時(shí)GPS波浪浮標(biāo)的通信情況為例做相應(yīng)的分析。圖4清楚地表示了臺(tái)風(fēng)KROSA前進(jìn)路徑與GPS波浪浮標(biāo)漂流軌跡之間的相對(duì)位置。

圖4　臺(tái)風(fēng)KROSA前進(jìn)路徑與GPS波浪浮標(biāo)漂流軌跡之間的相對(duì)位置Fig 4　Relative position between forward track of typhoonKROSA and drifting trajectory of GPS wave buoy

本文選取2013年10月30日18：00～2013年11月5日14：00(共141個(gè)整點(diǎn))臺(tái)風(fēng)KROSA過境期間GPS波浪浮標(biāo)系統(tǒng)通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)上傳的波浪數(shù)據(jù)作分析，如圖5。

圖中,GPS波浪浮標(biāo)一共接收到140組波浪數(shù)據(jù)，僅僅在2013年11月1日5：00丟了一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸有效率達(dá)99.3 %。

3結(jié)論

1)通過設(shè)置合適的浮標(biāo)采樣間隔，利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)雙向通信功能，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴?/p>

2)浮標(biāo)內(nèi)部硬件電路板有電源控制管理模塊，控制各模塊的工作模式，優(yōu)化電源分配，最大程度的降低系統(tǒng)功耗。

3)浮標(biāo)具有雙向通信功能，可以遠(yuǎn)程設(shè)置浮標(biāo)工作狀態(tài)，滿足不同海域的觀測(cè)要求。

4)浮標(biāo)具有隱蔽觀測(cè)功能，浮標(biāo)尺寸小，結(jié)構(gòu)上融入了撞擊緩沖設(shè)計(jì)，在深遠(yuǎn)海中隱蔽、安全性高。

參考文獻(xiàn):

[1]李文彬,張少永,商紅梅,等.基于新一代Argos衛(wèi)星系統(tǒng)的表面漂流浮標(biāo)設(shè)計(jì)[J].海洋技術(shù),2011,30(1):1-4.

[2]Guigue M.PMT RFM—YTR—3000 user manual[DB/OL].[2010—10—02].http:∥www.cls.fr.

[3]Miguel Martínez Ledesma.Development of an oceanographic drifter with IRIDIUM bi-directional communication capability[D].Palma(Jlles Balears):University of Balearic Islands,2012:1-51.

[4]張曙偉,王秀芬,齊勇.銥星數(shù)據(jù)通信在海洋資料浮標(biāo)上的應(yīng)用[J].山東科學(xué),2006,19(5):16-19.

[5]琚汝強(qiáng),劉敬彪,于海濱.基于銥星的浮標(biāo)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].嵌入式技術(shù),2010,26(12):36-39.

[6]李文慶,付曉,王文彥,等.北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在海洋資料浮標(biāo)監(jiān)控與管理中的應(yīng)用[J].山東科學(xué),2012,25(6):21-26.

[7]JJ de Vries.Designing a GPS-based mini wave buoy[J].International Ocean System,2007(7):21-23.

[8]彭偉,徐俊辰,杜玉杰,等.基于北斗系統(tǒng)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].海洋技術(shù),2009,28(3):13-15.

黨超群(1987-)，男，安徽碭山人，碩士研究生，助理工程師,研究方向?yàn)楹Ｑ笥^測(cè)技術(shù)。

Research on data transmission of deep and remote sea GPS wave buoy based on BeiDou satellites system*

DANG Chao-qun, ZHANG Suo-ping, QI Zhan-hui, LI Ming-bing, SUN Dong-bo

(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

Abstract:GPS wave buoy designed by National Ocean Technology Center just requires a GPS receiver without any extra sensors,it has characteristics of low power consumption,small size,easy to deploy,high measurement precision and suitable for wave measurement in large-scale and meticulous ways.In order to solve problem of deep and remote sea GPS wave buoy data transmission,by comparing characteristics of three kinds of satellites system of Argos,Iridium and BeiDou,this device gives priority to adopt BeiDou satellites system to transmit data.System constitution,hardware circuit design,measurement datas and data transmission flow are separately described in detail.Through laboratory and field test,specifically when GPS wave buoy is under the situation of harsh environment,such as typhoon,it is proved that the BeiDou satellites system can be used in deep and remote sea data transmission and its reliability is verifies.

Key words:BeiDou satellites system; deep and remote sea; GPS wave buoy; data transmission

作者簡(jiǎn)介:

中圖分類號(hào)：TP 391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)01—0046—03

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41406114)；天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(13JCQNJC03800，12JCQNJC02400)

收稿日期：2015—04—09

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0046—03