張美燕，周莉萍，彭學(xué)虎(浙江水利水電學(xué)院 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

基于北斗衛(wèi)星通信與定位的深?；厥招艠?biāo)機(jī)研制

張美燕，周莉萍，彭學(xué)虎
(浙江水利水電學(xué)院 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

針對(duì)北斗通信與定位模塊設(shè)計(jì)、水下嵌入式處理電路、機(jī)電聯(lián)合微功耗控制、整機(jī)密封耐壓工藝設(shè)計(jì)等關(guān)鍵部分，研制成功了一套深海和近海環(huán)境的海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)回收搜尋信標(biāo)機(jī)，該系統(tǒng)采用北斗通信和定位技術(shù)獲取回收信標(biāo)機(jī)實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)，進(jìn)而導(dǎo)引用戶搜尋設(shè)備完成回收，為海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和調(diào)查設(shè)備的可靠回收提供技術(shù)保證.

衛(wèi)星通信與定位；海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)；深海回收；信標(biāo)機(jī)

0 引 言

在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，浮標(biāo)、潛標(biāo)和水下工作站是獲取定點(diǎn)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的最普遍的搭載平臺(tái)[1].作為一種連續(xù)、長(zhǎng)期、無(wú)人值守的觀測(cè)系統(tǒng)，浮標(biāo)、潛標(biāo)和水下工作站等海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備一直以來(lái)備受海洋研究者和海洋工程人員的青睞[2].海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)往往布放于廣袤的海面或一定深度的水下，系統(tǒng)集成了很多昂貴的測(cè)量與探測(cè)儀器，也存儲(chǔ)了大量寶貴的數(shù)據(jù)，因此海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布放前必須考慮的問(wèn)題之一就是后期如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠回收.目前，基于水聲定位技術(shù)的超基線定位、長(zhǎng)基線定位及短基線定位系統(tǒng)等作為主要的水下定位技術(shù)，由于系統(tǒng)復(fù)雜、所用設(shè)備昂貴，布放回收困難，所以并沒(méi)有成為現(xiàn)今潛標(biāo)和水下工作站的主要回收方式.目前潛標(biāo)和水下工作站的回收基本上都采用了將系統(tǒng)投放時(shí)的GPS定位數(shù)據(jù)當(dāng)作回收位置的方式.但是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)容易受到海洋風(fēng)暴、漁船的拖網(wǎng)作業(yè)、洋流等各種因素的影響，系統(tǒng)在回收之前其位置很可能會(huì)發(fā)生較大變化，這樣給海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搜尋和回收帶來(lái)了巨大的困難，甚至可能造成設(shè)備與數(shù)據(jù)的丟失，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[4].由于國(guó)內(nèi)還缺乏有效的搜尋信標(biāo)機(jī)產(chǎn)品，往往設(shè)備布放前需要耗費(fèi)大量人力物力進(jìn)行多次試驗(yàn)以提高回收可靠性，從而盡量減少海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備丟失事件，避免損失大量昂貴設(shè)備及珍貴數(shù)據(jù).因此，隨著海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，迫切需要研制輔助海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠回收的技術(shù)與設(shè)備.

本文設(shè)計(jì)的海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)回收搜尋信標(biāo)機(jī)可提升海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自主性、安全性和作業(yè)效率，因此可以廣泛應(yīng)用于陸源入海排污區(qū)、海水養(yǎng)殖區(qū)、典型海洋生態(tài)脆弱區(qū)等場(chǎng)合，實(shí)現(xiàn)我省海洋水文、生態(tài)信息的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，從而為海洋環(huán)境研究提供真實(shí)寶貴的數(shù)據(jù)，為環(huán)境資源保護(hù)與開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐.

1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究

國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了一些信標(biāo)機(jī)系列產(chǎn)品.加拿大Xeostech公司[5]的Sable 5000產(chǎn)品具有銥星通訊和GPS定位功能，特制鋁合金的外殼使得信標(biāo)機(jī)能在5 000 m水深正常工作，而且信標(biāo)機(jī)配備了大容量電池可支持長(zhǎng)期工作.XMB-7500是Xeostech的另一款產(chǎn)品，該產(chǎn)品特制鋁合金外殼使得設(shè)備工作深度達(dá)7500m.XMF-7500產(chǎn)品是一款LED光信標(biāo)機(jī)，采用特制鈦合金外殼，設(shè)備小巧，使用深度達(dá)7 500 m.加拿大的MetOcean公司也研發(fā)了上述幾種類(lèi)型的設(shè)備[6]，而且在設(shè)備參數(shù)等方面也比較相似(見(jiàn)圖1).

圖1 國(guó)外MetOcean產(chǎn)品

我國(guó)在該項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域尚處于起步階段，目前國(guó)內(nèi)幾乎沒(méi)有可用于水下環(huán)境特別是深海環(huán)境的信標(biāo)機(jī)產(chǎn)品.目前報(bào)道和文獻(xiàn)中只出現(xiàn)了一些船載使用的定位終端，因此無(wú)法滿足在數(shù)千米水深工作條件下的使用需求.目前在需要用到信標(biāo)機(jī)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，都采用了國(guó)外的昂貴產(chǎn)品，或者根本沒(méi)有配置回收信標(biāo)機(jī)，這樣給設(shè)備回收搜尋帶來(lái)了很大的困難.國(guó)外信標(biāo)機(jī)產(chǎn)品廣泛采用了由美國(guó)控制的銥星衛(wèi)星系統(tǒng)，因此在使用的安全性和便捷性方面存在著較大問(wèn)題.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)全天候?yàn)楦黝?lèi)用戶提供高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并具短報(bào)文通信能力，已經(jīng)具備了區(qū)域?qū)Ш?、定位和授時(shí)能力，隨著北斗衛(wèi)星數(shù)量的增多，定位精度將進(jìn)一步提高，覆蓋范圍將擴(kuò)展到全球[7-8].北斗衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)以其特有的短報(bào)文通信和精確定位能力，在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的作用已經(jīng)慢慢凸顯出來(lái).考慮到我國(guó)當(dāng)前海域環(huán)境要素監(jiān)測(cè)的迫切需求，為了在質(zhì)量和參數(shù)上獲得與國(guó)外同功能的產(chǎn)品可比性，突破國(guó)外技術(shù)壟斷，本文研制了一種新型的基于北斗衛(wèi)星通信與定位的海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)回收搜尋信標(biāo)機(jī).目前國(guó)內(nèi)北斗衛(wèi)星相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈出現(xiàn)了百花爭(zhēng)鳴的局面，也有很多自主研制的國(guó)產(chǎn)化北斗芯片.因此，本文研制的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)回收搜尋信標(biāo)機(jī)具有完全國(guó)產(chǎn)化意義.

2 基于北斗通信的深海信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)構(gòu)架

基于北斗通信的深海信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)工作方式(見(jiàn)圖2).當(dāng)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)備投放部署之前，將信標(biāo)機(jī)捆扎在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備并下潛至一定的水深，此時(shí)機(jī)械開(kāi)關(guān)處于閉合位置，壓力開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)位置，故信標(biāo)機(jī)處于斷電狀態(tài).當(dāng)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處于回收階段時(shí)，信標(biāo)機(jī)隨著海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備上浮，至距水面較近時(shí)，壓力傳感器觸發(fā)信標(biāo)機(jī)壓力開(kāi)關(guān)閉合，信標(biāo)機(jī)開(kāi)始接收北斗衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，然后通過(guò)北斗通信方式將當(dāng)前的經(jīng)緯度位置數(shù)據(jù)發(fā)送出去，同時(shí)高亮LED開(kāi)啟閃爍提醒.信標(biāo)機(jī)通過(guò)北斗衛(wèi)星服務(wù)將實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)端，用戶終端實(shí)時(shí)獲取信標(biāo)機(jī)的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行解析顯示，從而快速便捷地搜索到海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)順利回收.

2.1 北斗通信與定位電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

北斗通信與定位電路是整個(gè)信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分，其信號(hào)流(見(jiàn)圖3).基帶處理芯片通過(guò)UART串口接收到定位申請(qǐng)或通信申請(qǐng)數(shù)據(jù)時(shí)，將串口數(shù)據(jù)調(diào)制為BPSK基帶信號(hào)發(fā)射給射頻芯片，射頻芯片上變頻基帶信號(hào)為中心頻率為1 615.68 MHz的射頻信號(hào)，然后通過(guò)功放芯片將射頻功率放大，最后通過(guò)天線發(fā)射給北斗衛(wèi)星.當(dāng)系統(tǒng)接收到北斗電文信號(hào)時(shí)，通過(guò)低噪聲放大器(LNA)[9]，將微弱的電波信息濾波、放大到一定增益的射頻信號(hào)，然后射頻芯片將中心頻率為2 491.75 MHz的北斗一代報(bào)文信息解調(diào)為12.24 MHz的基帶模擬信號(hào)，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，包括符號(hào)位和幅度位，最后基帶芯片解析數(shù)字信號(hào).

圖2 基于北斗通信的深海信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)

圖3 北斗通信定位信號(hào)流框圖

2.2 水下嵌入式低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

水下嵌入式電路系統(tǒng)的框架如圖4所示：鋰電池組、機(jī)械控制開(kāi)關(guān)、水壓感知開(kāi)關(guān)、微功耗管理電路負(fù)責(zé)信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)的供電與管理，鋰電池組的電能通過(guò)級(jí)聯(lián)的機(jī)械控制開(kāi)關(guān)和水壓感知開(kāi)關(guān)才能傳遞給信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)供電，微功耗管理電路負(fù)責(zé)信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)的功率測(cè)量及系統(tǒng)保護(hù)工作；北斗通信定位模塊、微功耗處理器、LED驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與控制，北斗通信定位模塊完全采用芯片搭建，體積和功耗都根據(jù)信標(biāo)機(jī)整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，微功耗處理器負(fù)責(zé)定位數(shù)據(jù)的獲取與傳輸，同時(shí)對(duì)北斗通信定位模塊實(shí)施休眠控制以降低功耗.在實(shí)際設(shè)計(jì)中，采用了STM8L系統(tǒng)微功耗單片機(jī)作為處理器，最低功耗可以達(dá)到0.35 μA，同時(shí)對(duì)各個(gè)模塊加入MOS管控制功能，實(shí)現(xiàn)水下系統(tǒng)的微功耗，最大限度延長(zhǎng)工作周期.信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)采用單節(jié)容量為3 400 mAH的松下18650電池組供電，9節(jié)并聯(lián)后可以達(dá)到3 AH以上的容量，按照平均電流10 mA計(jì)算，可以連續(xù)工作15 d.

圖4 水下嵌入式系統(tǒng)框圖

2.3 信標(biāo)機(jī)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)與組裝工藝設(shè)計(jì)

信標(biāo)機(jī)的大部分使用時(shí)間都是協(xié)作海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作的，因此長(zhǎng)期處于高壓、黑暗、低溫等特殊的水下環(huán)境.由于海水的腐蝕性及破壞性，故信標(biāo)機(jī)的設(shè)計(jì)要求很高，特別是耐壓倉(cāng).本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)水下防腐蝕、耐壓密封、減振抗沖擊等關(guān)鍵技術(shù)研究，從而保證密封倉(cāng)的電子系統(tǒng)在海水環(huán)境中正常工作.為滿足不同水深的耐壓密封要求，本項(xiàng)目合理選取倉(cāng)體材料、密封圈類(lèi)型，采用先進(jìn)加工工藝，多次打壓測(cè)試，保障耐壓密封質(zhì)量；為了電子系統(tǒng)能在具有腐蝕性的海水中長(zhǎng)期工作，耐壓密封倉(cāng)必須具備良好防腐蝕能力，本項(xiàng)目引入陰極保護(hù)、表面氧化處理技術(shù)來(lái)保證耐壓密封倉(cāng)的防腐蝕能力；同時(shí)，電子系統(tǒng)與倉(cāng)蓋一體化，使得電子系統(tǒng)具有良好的減振抗沖擊性能.

信標(biāo)機(jī)耐壓倉(cāng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與機(jī)械開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖5)，主體結(jié)構(gòu)主要包括三個(gè)部分：頂部端蓋、主倉(cāng)體以及底部開(kāi)關(guān)，頂部端蓋用于放置北斗天線和高亮LED燈，主倉(cāng)體用于放置電路系統(tǒng)和鋰電池組，底部開(kāi)關(guān)用于進(jìn)行手動(dòng)斷電控制與自動(dòng)壓力感知控制.其中底部開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)尤為復(fù)雜，包括如下5部分：(1)螺紋結(jié)構(gòu)，連接柱形倉(cāng)體，采用與端蓋相同的密封圈密封工藝；(2)O型圈及柱形栓，中心位置有一根可移動(dòng)的柱形栓用于傳遞水壓，O型圈用于密封，防止水從柱形栓周?chē)目p隙滲進(jìn)去；(3)凹槽型橡膠結(jié)構(gòu)，底面是一層薄膜，用來(lái)感應(yīng)水壓，并擠壓柱形栓移動(dòng)；(4)手動(dòng)開(kāi)關(guān)，通過(guò)旋動(dòng)旋鈕，可控制系統(tǒng)電源的連接；(5)金屬鋅，作用是陽(yáng)極保護(hù)，保護(hù)整個(gè)信標(biāo)機(jī)倉(cāng)體不易被腐蝕.

圖5 機(jī)構(gòu)裝置與機(jī)械開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)圖

3 基于北斗通信的深海信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

本文對(duì)信標(biāo)機(jī)的關(guān)鍵部件——北斗通信和定位電路，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行了功能和指標(biāo)測(cè)試，圖6是北斗一代導(dǎo)航通信模塊實(shí)物圖，圖7為北斗通信與定位測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明收發(fā)端能實(shí)現(xiàn)可靠通信，同時(shí)接收端能準(zhǔn)確定位并顯示發(fā)送端位置信息，實(shí)現(xiàn)精確定位.北斗通信速率采用115 200波特率/秒，數(shù)據(jù)發(fā)送間隔為每分鐘一次，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為64字節(jié)，實(shí)際測(cè)試性能一定程度上受天氣影響，天氣狀況良好時(shí)，完成定位或者通信申請(qǐng)所需時(shí)間較短，通常為10～20 s，系統(tǒng)性能比較理想，通信定位成功率超過(guò)90%，定位精度小于5 m；當(dāng)陰雨天時(shí)，由于北斗一代電報(bào)文信息衰減較大，導(dǎo)致完成定位或通信申請(qǐng)的時(shí)間延長(zhǎng)，通常60 s時(shí)間都沒(méi)法完成定位或通信過(guò)程，多次試驗(yàn)取平均值，可計(jì)算出通信定位成功率低于50%，定位精度達(dá)10 m左右，大大影響了系統(tǒng)性能.另外，信標(biāo)機(jī)被裝載在海底環(huán)境原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了海試，并通過(guò)順利回收海底環(huán)境原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，驗(yàn)證了信標(biāo)機(jī)的功能.圖8為深?；厥招艠?biāo)機(jī)近海海試場(chǎng)景，海洋環(huán)境下信號(hào)質(zhì)量較高，使用效果良好.

圖6 北斗一代導(dǎo)航通信模塊實(shí)物圖

圖7 北斗通信與定位測(cè)試

圖8 深?；厥招艠?biāo)機(jī)近海海試場(chǎng)景

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用北斗通信和定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)信標(biāo)位置數(shù)據(jù)的無(wú)線衛(wèi)星方式傳輸，通過(guò)綁定在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)調(diào)查系統(tǒng)上的回收信標(biāo)機(jī)獲取實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)，進(jìn)而導(dǎo)引用戶搜尋設(shè)備完成回收.本文研究了北斗通信與定位模塊設(shè)計(jì)、水下嵌入式處理電路、機(jī)電聯(lián)合微功耗控制、整機(jī)密封耐壓工藝設(shè)計(jì)等關(guān)鍵部分，最終研制成功了一套支持深海和近海環(huán)境的海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)回收搜尋信標(biāo)機(jī)，為海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和調(diào)查設(shè)備的可靠回收提供技術(shù)保證，為海洋環(huán)境狀況評(píng)級(jí)和依法監(jiān)管的科學(xué)決策提供詳實(shí)、可靠、及時(shí)的數(shù)據(jù).

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Deep Sea Recovery Beacon System Based on Beidou Satellite Communication and Positioning

HANG Mei-yan, ZHOU Li-ping, PENG Xue-hu

(College of Electrical Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

In this paper, one kind of beacon assistant for the marine environment and ecological monitoring system was proposed. The coordinate position of the marine environmental monitoring system is transmitted to the user with Beidou communication, so as to guide users to search for equipment to complete recovery. This paper mainly studied the beidou communication and positioning module design, underwater embedded processing circuit, electrical and mechanical joint micro power consumption control, whole sealing pressure process design, finally developed a set of recycling search beacon machine of deep sea and offshore environmental monitoring systems, which provides technical guarantee for reliable recycling of marine environmental monitoring and survey equipment.

satellite communication and positioning; marine environmental monitoring; deep sea recovery; beacon

2016-02-03

浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目(2016C33091)

張美燕(1983-)，女，臺(tái)州三門(mén)人，碩士研究生，講師，從事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、新型能源技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等研究.

P742

B

1008-536X(2016)08-0071-05