王世明,田園,田卡

(上海海洋大學 工程學院,上海 201306)

0 引 言

隨著海洋裝備技術的發(fā)展,目前人類在海上的活動越來越頻繁,也因此帶來了一些需求問題,如海洋氣候數(shù)據(jù)的監(jiān)測、報告等。一般的海洋監(jiān)測站都建立在沿海或者海島上,因此只能監(jiān)測到沿?；蛘吆u的臨近海域情況,如果需要遠洋的監(jiān)測,那么監(jiān)測站是無法勝任的。目前較為成熟和廣泛使用的遠洋監(jiān)測手段是海洋浮標[1]。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)所具備的精確定位、精密授時和短報文通信功能可以很好地解決海洋浮標定位、授時和海洋氣候監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴},通過北斗系統(tǒng)進行雙向報文通信,不僅可以實現(xiàn)岸站對海洋浮標傳統(tǒng)的信息采集功能,也可以實現(xiàn)岸站終端對浮標的遙控功能[2]。本文基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)設計了一款波浪能自供電的海洋浮標,通過自供電延長浮標壽命與工作穩(wěn)定性的同時,也可以監(jiān)測海洋環(huán)境與浮標自身狀態(tài),為海洋環(huán)境監(jiān)測提供幫助。

1 波浪能自供電浮標結構及運行原理

海洋浮標能夠全天候、全天時、可靠穩(wěn)定地收集海洋環(huán)境信息。海洋浮標分為水上與水下兩個部分,水上部分一般安裝各種收集氣象要素的傳感器,如風速傳感器、風向傳感器、溫度傳感器等,水下部分則一般安裝各種收集水文要素的傳感器,如海溫傳感器、鹽度傳感器、海流傳感器等。海洋浮標目前一般使用蓄電池對傳感器進行供電,為延長工作壽命,一般增加蓄電池的個數(shù)或者體積[3],這樣就導致浮標的自身重量增加,不利于浮標的布放與回收工作,而且海洋浮標一般遠離大陸,對于電池的更換非常麻煩且耗費人力與物力。本文設計的搭載波浪能發(fā)電裝置的自供電浮標,就是為了解決海洋浮標電能供應的問題。波浪能自供電海洋浮標的結構示意圖如圖1所示。

浮標中的波浪能發(fā)電裝置基本結構如圖2所示,其套筒中設有兩組發(fā)電結構組件,每組結構組件一端伸入中空浮子,通過齒輪機構與發(fā)電機相連,另一端連接雙向葉輪。裝置中葉輪、轉軸、齒輪、發(fā)電機順序連接,通過葉輪的轉動把波浪能的重力勢能轉化成動能,葉輪在旋轉的同時,通過旋轉帶動連動軸上的內部齒輪,內部齒輪又帶動發(fā)電機的齒輪,產生的機械能由此轉變?yōu)殡娔?通過發(fā)電機產生的電能經過蓄電池附帶的電能處理電路進行處理后儲存在蓄電池中,再通過蓄電池向浮標上搭載的各類傳感器提供穩(wěn)定持續(xù)的電能。

2 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在海洋浮標上的應用

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS),是由中國自主建設、獨立運行的全球范圍的衛(wèi)星導航系統(tǒng),是繼美國GPS、俄羅斯GLONASS之后,較為成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)[4]。

如圖3所示,北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)主要由三個部分構成,一是太空中的北斗導航衛(wèi)星,二是北斗地面控制端,三是北斗用戶終端設備。北斗系統(tǒng)空間衛(wèi)星端的作用主要是作為中轉站,全天候全天時的中繼并傳播自用戶終端和地面控制端的無線電信號[5];地面控制端是整個北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的控制與管理中樞,所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)計算處理都是在地面控制端完成;用戶終端設備是北斗用戶直接使用的裝置,用于接收地面控制端通過空間衛(wèi)星端轉發(fā)的信號。實現(xiàn)精確定位、精密授時和短報文通信。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)以其可定位,可雙向通信的特點,在國內的海洋浮標中廣泛運用[6]。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)短報文通信服務可實現(xiàn)雙向通信,設備及通信費用低,不僅能傳輸浮標的監(jiān)測數(shù)據(jù),也可對浮標進行個性信息點對點通信或者共性信息廣播通信,以做到對浮標的調整和遙控。每個海洋浮標搭載的北斗終端設備均擁有唯一的標識ID卡號的IC卡,用以作為入網許可與用戶身份認證[7]。一般海洋浮標搭載的北斗終端為民用型北斗終端。

3 基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的通信系統(tǒng)組成及通信過程

3.1 系統(tǒng)組成

基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的浮標通信系統(tǒng)主要包括浮標部分和岸站部分。波浪能自供電海洋浮標部分包括北斗/GPS雙模一體式普通型用戶機(放置于波浪能自供電海洋浮標頂端)以及浮標內部的通信模塊,通信模塊包括指令接收模塊、狀態(tài)報告模塊與控制模塊。北斗用戶終端負責對浮標進行定位和傳遞浮標傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息,指令接收模塊負責解析北斗用戶終端接收到的浮標控制指令信息,狀態(tài)報告模塊負責收集浮標傳感器數(shù)據(jù)[8],控制模塊則根據(jù)岸站接收系統(tǒng)發(fā)送的浮標控制指令對浮標狀態(tài)進行控制。

浮標部分的主要功能是通過浮標搭載的各類傳感器監(jiān)測目標海域的環(huán)境情況,并且將傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳遞給岸站接收系統(tǒng)。

岸站部分由北斗用戶終端、岸站地面控制中心和岸站接收系統(tǒng)構成。北斗用戶終端負責接收北斗衛(wèi)星傳遞的浮標數(shù)據(jù)信息和向北斗衛(wèi)星傳遞岸站發(fā)出的浮標控制指令,岸站地面控制中心負責按照指定的數(shù)據(jù)通信協(xié)議對接收與發(fā)送的數(shù)據(jù)進行解析與加密,岸站接收系統(tǒng)負責數(shù)據(jù)信息的顯示與發(fā)出控制指令。

岸站部分的主要功能是接收浮標發(fā)送的監(jiān)測數(shù)據(jù)并根據(jù)監(jiān)測情況對浮標發(fā)出控制指令。

3.2 數(shù)據(jù)通信過程

本波浪能自供電海洋浮標其通信系統(tǒng)主要采用了北斗系統(tǒng)的精確定位、精密授時與短報文通信功能。該通信系統(tǒng)在控制方式下,用于傳遞岸站系統(tǒng)發(fā)送的浮標狀態(tài)控制信息(包括檢查蓄電池電量,開/閉傳感器等);在監(jiān)測方式下,對浮標進行精確定位、時間校準,同時傳遞海洋浮標上的傳感器(包括溫度傳感器、鹽度傳感器、風速傳感器等)收集的海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)。

浮標上搭載的北斗/GPS雙模一體式用戶機接收來自北斗衛(wèi)星的浮標控制信號,并將接收到的浮標控制信號傳遞給浮標中的指令接收模塊,指令接收模塊根據(jù)制定的數(shù)據(jù)通信協(xié)議提取浮標控制指令,然后將指令發(fā)送給控制模塊,控制模塊依據(jù)指令對浮標進行控制;浮標的實時信息(如蓄電池電量、傳感器狀態(tài),位置信息等)則會通過狀態(tài)報告模塊根據(jù)制定的數(shù)據(jù)通信協(xié)議進行處理,并將處理過后的數(shù)據(jù)通過北斗/GPS雙模一體式用戶機發(fā)送給北斗衛(wèi)星。

岸站部分的北斗用戶終端接收來自北斗衛(wèi)星的信號,并將接收到的數(shù)據(jù)信息傳遞給岸站地面控制中心,岸站地面控制中心根據(jù)制定的數(shù)據(jù)通信協(xié)議解析接收到的數(shù)據(jù)信息,并將解析后的數(shù)據(jù)發(fā)送至岸站接收系統(tǒng),岸站接收系統(tǒng)可以將其中的關鍵數(shù)據(jù)(如蓄電池電量,傳感器狀態(tài),位置信息等)通過配套軟件進行展示與記錄,并可通過目前浮標的實時狀態(tài)對浮標發(fā)出控制指令(如檢查蓄電池電量,開/閉傳感器等),控制指令通過岸站地面控制中心按照制定的數(shù)據(jù)通信協(xié)議進行處理后,通過北斗終端發(fā)送給北斗衛(wèi)星。

圖4所示為海洋浮標與岸站部分雙向通信結構示意圖。

3.3 數(shù)據(jù)通信協(xié)議簡介

1) 北斗用戶終端數(shù)據(jù)通信接口

岸站部分北斗用戶終端通過RS232串口與電腦連接,進行數(shù)據(jù)通信。其波特率默認9600 bps,1 bit開始位,8 bit數(shù)據(jù)位,1 bit停止位,無校驗。岸站部分的北斗用戶終端接口和接收系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸具有命令狀態(tài)、通信狀態(tài)以及北斗協(xié)議狀態(tài),系統(tǒng)通過命令狀態(tài)向北斗終端發(fā)送和接收命令。

浮標部分北斗/GPS雙模一體式用戶機通過RS232串口連接浮標部分的通信模塊,由于RS232信號的電平與基于單片機設計的浮標通信模塊之間電平不一致,因此需要在中間接入MAX232電路進行電平轉化,轉化后的串行信號TXD、RXD可以直接與單片機相連。

2) 數(shù)據(jù)通信協(xié)議簡介

本文中的波浪能自供電海洋浮標通過北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)傳輸各種水文與氣象數(shù)據(jù),而北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)每次的報文通信長度有限,而且兩次通信之間有間隔,因此采用由中國海洋大學黎明、時海勇提出的“位拼接-LZW”雙重壓縮機制[9]對數(shù)據(jù)進行有效壓縮,并根據(jù)不同的實際情況分包發(fā)送數(shù)據(jù)。

一般情況下,每一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)由兩包數(shù)據(jù)包進行傳輸,也就是156字節(jié)的數(shù)據(jù)。為簡化編碼,數(shù)據(jù)通信協(xié)議以字節(jié)為單位使用BCD碼,每包的數(shù)據(jù)信息包括包的個數(shù),包的序號等。

4 基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的浮標通信系統(tǒng)實際應用

波浪能自供電海洋浮標岸站接收系統(tǒng)主界面如圖5所示,它是利用LabVIEW進行開發(fā)的軟件,其功能是對海洋浮標工作狀態(tài)、以及搭載的各種傳感器進行顯示和記錄,內置報警系統(tǒng),當設定某監(jiān)測數(shù)值超出或者低于設定數(shù)值時,系統(tǒng)報警。本次波浪能自供電海洋浮標投放位置為上海蘆潮港附近,通過北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)可以準確地定位浮標所在位置。

基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)短報文通信功能的浮標傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)也可正常接收信息,如風速傳感器數(shù)據(jù)如圖6所示,波浪壓感傳感器數(shù)據(jù)如圖7所示,表明自供電海洋浮標可以正常將監(jiān)測信息與定位信息,成功通過北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行傳輸。

5 結束語

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是由我國獨立自主研發(fā)的具有精確定位、精密授時和短報文通信功能的衛(wèi)星導航系統(tǒng),對于國內用戶來說,北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)可靠性強,保密性優(yōu),性價比高,北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在海洋監(jiān)測浮標上的應用,為我國的海洋監(jiān)測技術提供了新的選擇,為把我國建設成為海洋強國打下了堅實的基礎。本文設計了一種利用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行定位與信息傳輸?shù)牟ɡ四茏怨╇姾Ｑ蟾?為全天時、全天候穩(wěn)定運行的海洋監(jiān)測裝備研制提供了新的思路。