劉 楷 王宜志,2 劉 丹,2 黃信鋒 吳越楚 楊迪帆 楊 挺,3,4*

1(南方科技大學海底地震儀設(shè)備與技術(shù)工程實驗室 深圳 518055)2(哈爾濱工業(yè)大學 哈爾濱 150001)3(上海佘山地球物理國家野外科學觀測研究站 上海 201600)4(南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州) 廣州 510301)

1 引 言

海洋儀器普遍具有精密度高、價格昂貴和高集成化等特點，需要投入大量的人力、物力進行研發(fā)，并且可能涉及到我國海域的重要保密信息，因此回收系統(tǒng)的可靠性對于海洋儀器進行有效觀測和獲取數(shù)據(jù)至關(guān)重要。以用來記錄天然地震信號的被動源海底地震儀(Ocean Bottom Seismograph，OBS)為例[1]，在海底長期布放后(一般為 12 個月)，需要對 OBS 進行回收以獲取數(shù)據(jù)。一般地，聲學釋放器在海底釋放 OBS 的沉藕架，OBS 通過浮力材料獲得的浮力上升至海面，之后回收信標開始工作，工作人員獲取到信標廣播的信息后，再由人工進行海上打撈。

與陸地不同，海洋環(huán)境復雜多變，海浪會造成儀器上下起伏與漂移，再加上海面對光線的反射作用嚴重影響視線，如果沒有一種專門用于海洋儀器定位的電子設(shè)備，而僅僅使用望遠鏡等原始工具，然后依靠人類的基本感官進行搜索的話，那么搜索人員的搜索難度可想而知[2]。此時海洋儀器的回收會耗費大量的船時，找尋成本高、搜索時間長，并且還存在儀器丟失的風險[3]。因此，海洋儀器快速、高效、安全的回收成為海洋儀器研發(fā)過程中一個亟待解決的關(guān)鍵問題。在海面上，儀器與科考船之間的通信信標是海洋儀器回收系統(tǒng)中的重要輔助設(shè)備。目前我國海洋儀器使用的通信信標，主要是從國外進口，存在價格高、技術(shù)不可控等問題，所以自主研發(fā)一套可靠的海洋儀器回收通信信標的需求越來越高。

本文設(shè)計的低功耗海上儀器回收通信信標，具有高可靠性、實用性、低成本等特點。同時考慮到信標的使用成本和適用性，本文設(shè)備還采用了低功耗、輕重量、小體積的設(shè)計方案。該設(shè)備使用時無需連接到整機系統(tǒng)，擁有獨立供電系統(tǒng)，單獨防水封裝外殼，可以有效減少系統(tǒng)負擔，提高系統(tǒng)可靠性。使用本文設(shè)備時，通過將設(shè)備和遙控無人潛水器(Remote Operated Vehicle，ROV)、自主式水下潛器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)或其他海洋設(shè)備固定在一起，當海洋設(shè)備返回水面時，無線電信標將會自動打開，獲取當前全球定位系統(tǒng)(Global Position System，GPS)定位信息，隨后通過 Lora 無線通信模塊將定位信息發(fā)射出去，此時打撈人員可以接收 GPS 位置信號，得到儀器的精確位置，對儀器進行高效回收[4]。本文設(shè)備已經(jīng)通過海試驗證了其功能的可靠性，并在短周期 OBS 的回收應用中，實現(xiàn)了 100% 回收率。

2 儀器回收通信系統(tǒng)研制現(xiàn)狀

信標機(Beacon)是一種通過特定信號形式提供自身方向或位置信息的設(shè)備，其發(fā)射的信號可以是電信號、光信號，也可以是聲信號。信標在航天、航海及航空中的應用非常廣泛。目前國外用于船舶航海的指向信標、定向信標等已經(jīng)非常成熟，但它們往往不具備輕型化、低功耗和耐海底高壓的特性，不能直接用于海洋儀器的回收中。與之相對地，新型小體積信標雖然可以耐受海底高壓環(huán)境，但它們的功能并不強大，只有簡單的閃光功能，回收時具有許多不確定性。當前主要有 JOTRON 公司和 MetOcean 公司進行信標的研發(fā)設(shè)計，國內(nèi)尚無市場化自主研制的產(chǎn)品。

2.1 船載緊急無線電示位信標

在海洋環(huán)境中，應用最廣泛的是船載緊急無線電示位信標(Emergency Position Indicating Radio Beacon，EPIRB)。EPIRB 是一個可以獨立工作的衛(wèi)星定位信標機，因其配置了 GPS 定位模塊，故可以快速精準地獲取船只或設(shè)備位置。當船只因各種原因遇險時，安裝在船只上的 EPIRB 可以漂浮在海面，并且自動發(fā)送 GPS 位置信息給全球海上遇險安全系統(tǒng)(Global Maritime Distress and Safety System，GMDSS)，之后 GMDSS 獲得搜救指令后進行營救安排[5]。

國外先進成熟的 EPIRB 制造商有很多，其中最具代表性的有挪威 JOTRON 公司的 Tron 60GPS EPIRB，如圖 1 所示。為了保證安全性和穩(wěn)定性，Tron 60GPS 具有高度集成、可防篡改的功能，同時還配備了位于天線頂部的高強度 LED，可以用于夜間指示。電氣參數(shù)方面，Tron 60GPS 配備 12 V/2 900 mAH 的電池，擁有 5 年的使用壽命。Tron 60GPS 配備設(shè)有手動開啟和自動開啟兩種開啟方式。工作時，可以向全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)(COSPAS-SARSAT)發(fā)射電磁波頻率為 406.037 MHz、功率為 5 W 的報警信號。

圖1 Tron 60GPS EPIRBFig. 1 Tron 60GPS EPIRB

2.2 閃光信號燈

另一種是用于海洋裝備回收的高亮度閃光信標。該信標配備有高亮度的 LED 閃光燈，和高強度、抗腐蝕的耐壓外殼，可以在深海環(huán)境中使用。當閃光信標到達海面時，閃光信標會自主打開閃光工作電源，輻射出一定頻率、亮度可調(diào)的可見光，從而幫助儀器打撈人員進行打撈[6]。

較具代表性的產(chǎn)品是 MetOcean 公司的 NOVATECH MMF-7500，如圖 2 所示。它是一款適合深海、重量輕、外形小巧、獨自供電的設(shè)備回收頻閃燈。采用純白色 LED 技術(shù)，可為用戶提供一系列的閃爍速度和強度配置選項，可視距離高達 5 海里。電氣參數(shù)方面，MMF-7500 由鋰電池驅(qū)動，最長待機時間可達 5 年，一旦浮出海面，可持續(xù)閃爍 5 天，在低強度模式下最多可以工作 75 天。MMF-7500 外殼配備一個集成的電導率傳感器，該傳感器可在浸入水中時隔離設(shè)備的電源，在浮出海面時開啟設(shè)備并閃光，從而實現(xiàn)浮出海面檢測的功能。

圖2 MMF-7500Fig. 2 MMF-7500

進一步地，MetOcean 公司對 MMF-7500 產(chǎn)品進行升級，即 MMB-7500。MMB-7500 在保留前一代產(chǎn)品全部功能的同時，還會發(fā)射頻率為 160 MHz 的無線電信號，接收人員通過不同方向的信號強度來判斷信標的方位[7]。

2.3 低功耗海上儀器回收通信信標

圖3 低功耗海上儀器回收通信信標Fig. 3 Low-consumption marine instrument recovery beacon

本文研制的低功耗海上儀器回收通信信標如圖 3 所示，信標外形由高強度的鈦合金耐壓圓柱外殼構(gòu)成，可承受 9 000 m 深海壓強；頂部集成了兩顆高亮度 LED 閃光燈，在海底時信標閃光燈保持關(guān)閉，浮出海面時閃光燈會自動開啟閃爍；配備了 GPS 定位系統(tǒng)來獲取儀器的位置信息，之后通過 Lora 通信模塊發(fā)射頻率為 433 MHz、功率為 1 W 的電磁信號給甲板客戶端，最大通信距離 7 km，輔助儀器打撈人員；配備單獨的供電系統(tǒng)，使用 15 V/2 400 mAH 的電池組，待機時間為 5 年，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 儀器回收通信信標工作原理與關(guān)鍵技術(shù)

3.1 系統(tǒng)組成與工作流程

本文設(shè)計的無線信標機系統(tǒng)由電源模塊、浮出海面檢測模塊、GPS 接收模塊、微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)信號處理模塊、高亮度 LED 燈和 Lora 通信模塊[8]構(gòu)成，具體如圖 4 所示。將各模塊集成在一個圓柱形鈦合金外殼中，該外殼具備耐高壓、耐腐蝕的特性，使得信標機工作深度達到 9 000 m，可在全球絕大多數(shù)的海域使用[9]。甲板接收機由 Lora 通信模塊和計算機組成，計算機配備有 C# 語言編寫的上位機軟件，可以解析水下信標機傳輸回來的位置信息并加以顯示。

圖4 無線信標機電路組成Fig. 4 Circuits of wireless beacon machine

無線信標系統(tǒng)工作流程如圖 5 所示：

①將本文無線信標機與海洋儀器固定在一起，隨海洋儀器一同投放至海底。其中，入水前分別對通信系統(tǒng)、LED 燈進行測試與參數(shù)設(shè)定，此時信標機處于低功耗待機狀態(tài)，產(chǎn)生小于 3 μA 的待機電流。

②海洋設(shè)備回收時，信標機隨海洋儀器上浮，其檢測電路判斷儀器是否已浮上水面，若是則閉合電源開關(guān)，各個模塊上電，同時初始化模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter，ADC)和輸入輸出接口(Input/Output，I/O)等。

③GPS 接收模塊開始工作，通過天線接收衛(wèi)星發(fā)送的 GPS 原始數(shù)據(jù)信息；同時，MCU 通過光敏電阻的阻值來判斷白天黑夜——在夜晚時高亮度 LED 燈閃爍，白天關(guān)閉。

④接收到 GPS 原始信息后，MCU 進行信號處理，解析出經(jīng)度、緯度、時間信息，編碼后由 Lora 無線通信模塊在特定的頻段通過射頻天線廣播信息，打撈人員在上位機軟件接收到信息后進行精準打撈。

圖5 信標機工作流程Fig. 5 Workflow of low-consumption beacon

3.2 浮出海面檢測電路設(shè)計

由于海洋設(shè)備布放在海底幾個月到幾年不等，回收設(shè)備時才需要開啟本文回收信標，而且考慮到系統(tǒng)續(xù)航的需求，需要對系統(tǒng)的硬件進行設(shè)計，達到自動開啟和關(guān)閉設(shè)備的目的。本文回收信標設(shè)計了一個單獨的浮出海面檢測電路，該電路由限流電阻 R1、電壓支撐電阻 R2、分壓電阻 R3、海水電阻 R4、和電源負載開關(guān) TPS22810 組成，主要實現(xiàn)對裝置是否完全浮上水面的狀態(tài)進行檢測，電路如圖 6 所示。其工作流程為：

①當儀器沉入水下，海水電阻 R4短路，R3串聯(lián) R4，然后整體與 R2并聯(lián)，此時得到一個很小的電阻與 R1進行分壓，所以 A 點分到較小的電壓，電源負載開關(guān)斷開，系統(tǒng)處于低功耗待機模式。

②當儀器浮出海面，電阻 R4斷路，只剩下電阻 R2與 R1分壓，A 點分到較高的電壓，開關(guān)閉合 MCU 上電系統(tǒng)開始工作，整個系統(tǒng)開始工作。

③當風浪較大時，儀器隨著海面起伏，時而浮出海面，時而被海水淹沒，處理不當將會導致儀器一直進行重啟。本文裝置加入自動識別系統(tǒng)，在儀器浮出海面系統(tǒng)上電后，MCU 通過引腳 WTC 輸出高電平至 A 點，維持開關(guān)一直處于閉合，保證系統(tǒng)持續(xù)上電 15 min。

3.3 低功耗待機技術(shù)

圖6 浮出海面檢測電路設(shè)計Fig. 6 Design of environment detection circuit

本文設(shè)計的低功耗待機技術(shù)主要由以下電路實現(xiàn)。當系統(tǒng)沉入海水里進入低功耗待機模式時，海水電阻 R4的阻值由海水電導率確定。海水的電導率通常是與頻率無關(guān)的比例常數(shù) σ[10]，電導率單位為 S/m，可以通過化學方法測得。電導率為電阻率的倒數(shù)，常溫下均質(zhì)海水的電阻率約為 0.3 Ωm[11]，所以可以認為 R4相當于導線，電阻值為 0。

由于 A 點的分壓較小，MCU 尚未開啟，故整個系統(tǒng)的待機電流由檢測電路和 TPS22810 組成。對于該檢測電路，R2和 R3的并聯(lián)阻值為 Rp：

整個檢測電路的總阻值為 R1＋Rp，則總的待機電流 Ic為：

可見，系統(tǒng)實現(xiàn)了 3 μA 級的待機功耗，滿足了水下長時間待機的需求。

3.4 遠距離通信技術(shù)

Lora 是一種 LPWAN 通信技術(shù)，是美國 Semtech 公司采用和推廣的一種基于擴頻技術(shù)的超遠距離無線傳輸方案。該方案改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，為用戶提供一種簡單且能實現(xiàn)遠距離、長電池壽命、大容量的通信。Lora 采用自適應數(shù)據(jù)速率策略，最大網(wǎng)絡優(yōu)化每一個終端節(jié)點的通信數(shù)據(jù)速率、輸出功率、帶寬、擴頻因子等，使其接收電流低至 10 mA，休眠電流小于 200 nA，低功耗設(shè)計使電池壽命有效延長。Lora 網(wǎng)絡工作在非授權(quán)的頻段，前期的基礎(chǔ)建設(shè)和運營成本很低，終端模塊成本約為 5 美元[12]。

3.4.1 擴頻通信原理

擴頻通信的基本理論根據(jù)是信息論中的 Shannon 公式：

其中，C 為系統(tǒng)信道容量(bits/s)；B 為系統(tǒng)信道帶寬；N 為噪聲功率；S 為信號功率[13]。Shannon 公式表明了一個系統(tǒng)信道無誤差地傳輸信息的能力與存在于信道中的信噪比(S/N)以及用于傳輸信息的系統(tǒng)信道帶寬 B 之間的關(guān)系。該公式表明：在一定的信道容量條件下，可以用增加信道帶寬或增加信號功率的辦法達到提高信道容量的要求。實際工程中，信道的噪聲功率譜密度 N 是不能隨意選定的，可用改變 B 值或提供 S 值的辦法來實現(xiàn)增大信道容量 C。但是，如果傳輸信號的帶寬 B 變窄，將導致信號功率 S 大幅度地提高，需要消耗很大的功率能源；而如果采用增加信號帶寬 B 來換取信號功率 S 減小時，可以節(jié)省很多的信號功率能源。因此，為了提高信道容量，Lora 采用增加信號帶寬 B 的擴頻調(diào)制，能夠有效地提高信號的抗干擾能力，增加通信距離。

3.4.2 通信距離測算

Lora 使用擴頻技術(shù)在一個較寬的帶寬下發(fā)射信號，從而使信道噪聲和由于使用低成本晶振而引起頻率偏移對通信系統(tǒng)造成的影響顯著降低，提高了通信系統(tǒng)的魯棒性。系統(tǒng)的最高接收靈敏度 Pr可以達到－136 dBm，最大發(fā)射功率 Pt只有 30 dBm(1 W)，實現(xiàn)了低功耗狀態(tài)下遠距離的穩(wěn)定傳輸[14]。

Lora 通信的通信距離與發(fā)射功率、接收靈敏度、工作頻率有關(guān)，如公式(4)所示：

傳播損失：

其中，Los 為傳播損失，單位為 dB；d 為通信距離，單位是 km；f 為工作頻率，單位是 MHz。本文討論的 Lora 通信模塊，工作頻率處于 433 MHz 的公共頻段，大氣損耗 Losair約為 57 dB，由此可以得到理論通信距離 d 為 15.54 km。

4 測試及分析

4.1 低功耗測試

本文設(shè)計的通信信標，往往需要 6～18 個月的回收周期，這也對系統(tǒng)的供電系統(tǒng)和低功耗設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。下面通過理論計算和實際測量的方法分別給出了信標機不同模塊的功耗，計算出系統(tǒng)的工作時間和待機時間。

在工作模式下，信標機系統(tǒng)的單個工作周期為 2 s。在單個周期中，GPS 與 MCU 需要始終保持工作狀態(tài)；Lora 通信模塊在實測下的發(fā)射峰值電流可以達到 75 mA，其信號發(fā)射時間只持續(xù) 50 ms；兩個 LED 信號燈閃爍的時間間隔為 1 s (表 1)。

電池使用 5 顆 C217450 串聯(lián)而成，額定電壓為 3 V，電池組的額定電壓為 15 V，容量為2 400 mAH，電池的轉(zhuǎn)換效率為 90%。

表1 單個工作周期各模塊耗電量Table 1 Power consumption of each module in one working period

通過計算，系統(tǒng)單個周期(2s)的整體功耗 PC為：

單個工作周期的整體功耗 PC為 0.022 mAH，在電源轉(zhuǎn)換效率為 90% 時，系統(tǒng)可以進行定位工作的周期數(shù) N 為：

每個周期持續(xù) 2 s，則整個系統(tǒng)工作時間為 196 364 s，即在電源充滿的情況下，系統(tǒng)的工作時間為 54.55 h。

在低功耗水下待機模式中，待機電流為2.63 μA，5 年待機時間所需電量為 115.19 mAH，剩余電量仍可以供系統(tǒng)在工作模式下正常工作 51.64 h。

4.2 壓力測試

信標外殼主要分為上端蓋、下端蓋、主腔體、透光柱 4 個部分。其中，上端蓋、下端蓋、主腔體選擇耐腐蝕性鈦合金 TC4 材質(zhì)，相對于常見抗腐蝕材料 316 不銹鋼、雙相不銹鋼等，鈦合金擁有更高的強重比，性能更加穩(wěn)定。信標整體采用圓筒形設(shè)計，在徑向上受力更為均勻，耐壓性能更好，并且圓筒形設(shè)計可以減小上浮過程中的阻力。與上端蓋配合的透光柱配備 LED 頻閃窗口，采用高強度聚碳酸材料制成，為抵抗超過 90 MPa 的壓力，內(nèi)部采用增強結(jié)構(gòu)。上下端蓋與主腔體之間采用 O 型密封圈密封手段，有效工作水深為 9 000 m。外殼整體通過打壓測試，可以在 99 MPa 的環(huán)境下保證結(jié)構(gòu)正常，適用于 9 000 m 水深(圖 7)。

圖7 壓力測試Fig. 7 Pressure test

4.3 通信距離測試

為了盡量模擬實際海洋界面情況，信標機選擇在廣東省深圳市深圳灣海域進行了實地通信距離測試(圖 8 和圖 9)。將接收機固定在深圳灣公園岸邊，信標發(fā)射機從距離接收機 3 km 處每隔1 km 進行一次收發(fā)。接收機和發(fā)射機使用發(fā)射功率分別為 22 dBm 和 30 dBm 兩個通信模塊進行測試，結(jié)果表明兩臺通信信標機都通過了 7 km 的收發(fā)測試，高于 MMB-7500 的最大通信距離5 km。這得益于擴頻通信的穩(wěn)定性，同時還表現(xiàn)出了一定的抗干擾能力。經(jīng)過分析，在海洋環(huán)境中受天氣、海洋界面、儀器起伏的影響，電磁波的傳播路徑和衰減強度可能會與陸地不同，受條件限制本文此次并沒有在海洋進行通信信號強度測試。在發(fā)射功率為 30 dBm 時，實際通信距離小于理論通信距離，而根據(jù)經(jīng)驗，將信標最大通信距離的指標定為 7 km，已經(jīng)優(yōu)于同類產(chǎn)品，同時安全系數(shù)更高。衛(wèi)星定位方面，在大洋中單獨測試 GPS 模塊，晴朗天氣狀況下搜索到有效衛(wèi)星個數(shù)穩(wěn)定在 12～13 顆，可保證定位準確。需要說明的是，信標使用環(huán)境應盡量避開雷雨天氣，使用時環(huán)境不得大于 4 級海況，否則會影響 GPS 信號接收，造成通信信號不穩(wěn)定。

圖8 通信距離測試Fig. 8 Communication distance test

圖9 上位機界面Fig. 9 UI for upper computer

5 討論與分析

由于在海上儀器回收信標的研制技術(shù)上，國外對國內(nèi)有不同程度的技術(shù)封鎖，使用“海上儀器回收信標”、“Communication beacons for marine instrument”關(guān)鍵詞，在“中國知網(wǎng)”、“萬方”等多個數(shù)據(jù)庫進行檢索，沒有查到較新的非商業(yè)化產(chǎn)品，故選擇上文中提到的主流產(chǎn)品級設(shè)備對比，具體如表 2 所示。Tron 60GPS EPIRB 的優(yōu)點是采用衛(wèi)星定位和衛(wèi)星通信的回收方式，通信距離不受限制，定位精度可以達到幾十米[15]，但這也造成了通信系統(tǒng)復雜，需要通過衛(wèi)星進行通信，需要儀器-衛(wèi)星-陸地中心-打撈船舶一系列復雜的調(diào)度，不適合海洋儀器回收的使用；MMF-7500 和 MMB-7500 的優(yōu)勢在于其深海的適用性，且結(jié)構(gòu)簡單，缺點是其并沒有衛(wèi)星定位來輔助回收，回收精度不高。

本文設(shè)計的儀器回收信標具備 MMF-7500 和 MMB-7500 低成本、小尺寸、高深度范圍的特性，同時又具備 Tron 60GPS 高可靠性的優(yōu)點。與 MMF-7500 對比，本文信標使用深度達 9 000 m，這也就使得其耐壓外殼壁厚變厚，重量略高；與 Tron 60GPS 相比，兩者均采用衛(wèi)星定位的方式進行定位，而通信方式略有不同，本文信標的優(yōu)勢在于沒有采用復雜的衛(wèi)星通信，而是使用基于擴頻通信的 Lora 無線通信，其通信系統(tǒng)簡單、收發(fā)設(shè)備技術(shù)成熟、成本低。通過測試與分析，本文信標的通信距離達 7 km，能夠滿足海洋儀器回收的需要，且優(yōu)于 MMB-7500。這些優(yōu)點為大規(guī)模應用到海洋設(shè)備回收提供了保證，應用前景廣泛。

表2 國內(nèi)外信標參數(shù)Table 2 Parameters of domestic and foreign beacon

6 總 結(jié)

本文介紹了自主設(shè)計的低功耗海上儀器回收通信信標，并對其系統(tǒng)組成和工作原理進行了討論。參考多種信標機的功能特性，針對海洋儀器回收過程中視線受到干擾以及海洋環(huán)境惡劣的特點，創(chuàng)新性地采用了 GPS 定位和 Lora 無線通信結(jié)合的設(shè)計方案，快速精準定位儀器所處位置。同時，為了保證信標與海洋儀器的適配性，本文信標采用了小體積的機械設(shè)計和高強度的鈦合金耐壓外殼，適用水深可達 9 000 m。低功耗測試、通信距離測試和實際海試表明，該通信信標供電系統(tǒng)可保證低功耗待機 5 年，連續(xù)工作不少于 48 h，海上通信距離測試 7 km，通信穩(wěn)定性和定位準確性完全滿足海洋儀器回收需求，為我國海洋科學儀器的回收提供了新的保障。