摘要：根據(jù)內(nèi)波及內(nèi)波監(jiān)測技術(shù)的特點，該文面向海上移動平臺研發(fā)了一套硬件系統(tǒng)。該文主要介紹海上移動平臺硬件系統(tǒng)設(shè)計，該硬件系統(tǒng)主要包括大容量的電池供電系統(tǒng)、通信模組、硬件主板、ADCP和傳感器等單元。在系統(tǒng)上搭載了GPS、北斗二合一定位模塊和銥星通信模塊和融合性的天線系統(tǒng)，可實時回傳數(shù)據(jù)和位置信息。經(jīng)過多次連續(xù)的海上試驗及測試，研發(fā)的海上移動平臺硬件系統(tǒng)可在海上連續(xù)且穩(wěn)定工作30天以上，對內(nèi)波測量起到了關(guān)鍵的作用，具有重要應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：內(nèi)波測量；移動平臺；硬件系統(tǒng)；穩(wěn)定性

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）34-0085-03

目前市場上應(yīng)用于測量內(nèi)波的硬件平臺存在以下問題和缺點：

1） 用于測量內(nèi)波的基于海視通、海洋系列衛(wèi)星、軍用衛(wèi)星的實時數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[1]，接收和發(fā)射天線往往比較大，基于此研發(fā)的測量內(nèi)波硬件平臺系統(tǒng)，多為搭載船舶、靜態(tài)海上作業(yè)平臺等上面，此類設(shè)備難以小型化，不適合應(yīng)用在小型設(shè)備上，應(yīng)用范圍大大降低。

2） 測量內(nèi)波的硬件平臺，為了與測量設(shè)備如ADCP或傳感器等實現(xiàn)實時通信，多以長距離線纜為傳輸媒介等傳遞數(shù)據(jù)，需要大型運輸船來配合作業(yè)，成本較高且作業(yè)復(fù)雜[2]。

本文期望研發(fā)一套更適合在海洋、河流、湖泊水系等多種應(yīng)用、復(fù)雜化場景下的測量內(nèi)波的海上移動平臺硬件系統(tǒng)，海上移動平臺能夠搭載測量內(nèi)波的設(shè)備，實現(xiàn)多任務(wù)、實時、穩(wěn)定可靠傳輸數(shù)據(jù)，用于內(nèi)波的測量。

1 測量內(nèi)波硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

經(jīng)過長期對內(nèi)波測量技術(shù)的研究[3]，測量內(nèi)波硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾個方面：

1） 內(nèi)波測量對數(shù)據(jù)時效、真實性要求較高，測量內(nèi)波硬件需要高可靠度的采集及數(shù)據(jù)處理技術(shù)，高置信的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

2） 內(nèi)波到來伴隨巨大的能量，硬件系統(tǒng)配套的設(shè)備需要搭載特殊傳感器設(shè)備，需要高精度的流速校正技術(shù)。

3） 觀測內(nèi)波是一個長期的過程，海上移動平臺硬件系統(tǒng)及搭載設(shè)備需要強大的電池續(xù)航能力[4]。

4） 海上天氣復(fù)雜，對硬件系統(tǒng)通信部分設(shè)計要求較高，硬件通信模塊需要配套的融合性天線系統(tǒng)設(shè)計能力。

以上是面向測量內(nèi)波的海上移動平臺硬件系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，針對各個關(guān)鍵技術(shù)和功能基本要求，我們需要設(shè)計一套針對性強且獨特的硬件系統(tǒng)。

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 硬件系統(tǒng)組成及主要功能

1） 核心平臺：硬件系統(tǒng)的核心單元，從設(shè)備的穩(wěn)定性和低功耗要求出發(fā)，采用基于ST廠商低功耗MCU進行硬件系統(tǒng)的開發(fā)，核心平臺是一個多任務(wù)、實時數(shù)據(jù)硬件系統(tǒng)平臺，核心平臺主要功能是進行數(shù)據(jù)實時處理、計算、分析等。

2） 多傳感器系統(tǒng)（擴展板）和數(shù)據(jù)采集設(shè)備（擴展接口）[5]：主要是應(yīng)用單元，多傳感器系統(tǒng)可以兼容各種類型的傳感器，如壓力傳感器、溫度傳感器、鹽度傳感器、溶解氧傳感器等小型環(huán)境采集單元，數(shù)據(jù)采集設(shè)備兼容大型設(shè)備，如ADCP，ROV，AUV，大型聲學(xué)設(shè)備等，此部分是數(shù)據(jù)采集的入口。

3） 供電單元及存儲系統(tǒng)：此部分主要包括供電系統(tǒng)和存儲系統(tǒng)兩個部分，主要是為硬件平臺提供供電并對數(shù)據(jù)進行本地存儲，供電系統(tǒng)是獨立的電源系統(tǒng)，存儲系統(tǒng)有兩套，保障數(shù)據(jù)存儲完整性。

4） 通信鏈路和融合天線系統(tǒng)：是特殊設(shè)計單元，是硬件系統(tǒng)的重要組成部分。我們主要采用銥星、GPS/北斗等衛(wèi)星通信方法，融合天線系統(tǒng)集成到一套硬件頂蓋上，銥星完成數(shù)據(jù)傳輸，GPS/北斗實現(xiàn)雙模定位等功能。

5） 輔助和外圍擴展接口：主要包括常用的網(wǎng)絡(luò)接口、CAN總線接口、電子羅盤等模塊和接口，主要功能是與外部其他系統(tǒng)做兼容用，起到輔助和擴展作用。

2.2 硬件系統(tǒng)配套單元及功能

海上移動平臺硬件系統(tǒng)需要岸站數(shù)據(jù)接收和處理單元[6]，岸站數(shù)據(jù)接收和處理單元是整個系統(tǒng)的擴展組成部分， 其主要功能是實時、準(zhǔn)確、可靠地接收、分析、處理、存儲采集到的數(shù)據(jù)， 并實現(xiàn)即時報警、數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計及遙控等功能，給用戶研究使用提供方便。硬件系統(tǒng)配套單元能同時接收不同天線系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)， 并對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理、顯示和存儲。

2.3 硬件系統(tǒng)主要配置及參數(shù)

3 實際應(yīng)用研究及海試驗證

3.1 硬件系統(tǒng)關(guān)鍵功能的實現(xiàn)

通過設(shè)計研發(fā)的海上移動平臺硬件系統(tǒng)與搭載的ADCP和CTD等設(shè)備采集了流速、溫度、鹽度等數(shù)據(jù)，ADCP和CTD等設(shè)備采集的流速、溫度、鹽度等數(shù)據(jù)通過RS232擴展接口等物理通道將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶诵钠脚_，核心平臺進行數(shù)據(jù)的處理、計算、分析、存儲，結(jié)合在復(fù)雜環(huán)境下的不同使用場景，智能選擇不同的數(shù)據(jù)通信鏈路。通過融合天線系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到岸站數(shù)據(jù)接收和處理單元進行分析、處理、存儲等操作，通過整套硬件系統(tǒng)可以實現(xiàn)對內(nèi)波有效且穩(wěn)定的測量。

3.2 重點問題解決——融合天線系統(tǒng)性能優(yōu)化

受制于海上復(fù)雜多變環(huán)境和海上移動平臺結(jié)構(gòu)等因素的影響，設(shè)計的融合天線（GPS、北斗、銥星等）通信效果和實際場測差異很大，經(jīng)過三輪優(yōu)化設(shè)計及專業(yè)天線實驗室測試和海試場測驗證，最終設(shè)計的融合一體頂蓋天線測試效果最優(yōu)，融合性天線實驗室測試數(shù)據(jù)如圖3～圖5。

從數(shù)據(jù)上看融合性一體頂蓋天線效率在50%左右，且天線有效帶寬較寬，從圖上看其上半球非常圓潤，方向性非常好，確定使用此款天線（圖6）。

3.3 海試驗證

通過連續(xù)和不連續(xù)近4個多月的海上試驗，驗證了面向測量內(nèi)波的海上移動平臺硬件系統(tǒng)設(shè)計的有效性、穩(wěn)定性、安全性，經(jīng)過不斷優(yōu)化硬件系統(tǒng)，已達到批量生產(chǎn)和可產(chǎn)業(yè)化狀態(tài)（核心硬件主板和電池實物如圖7） 。

4 結(jié)束語

通過內(nèi)波測量技術(shù)的了解及測量內(nèi)波硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究，特別設(shè)計、研發(fā)、訂制了一套面向測量內(nèi)波的海上移動平臺硬件系統(tǒng)。海上移動平臺硬件系統(tǒng)主要包括大容量的電池供電系統(tǒng)、通信模組、硬件主板、ADCP或傳感器等單元。在系統(tǒng)上搭載了GPS、北斗二合一定位模塊和銥星通信模塊和融合性天線系統(tǒng)，可實時回傳海洋科考獲得的觀測數(shù)據(jù)和設(shè)備位置信息。

通過連續(xù)和不連續(xù)近4個多月的近海和遠海海上試驗及測試，研發(fā)的面向測量內(nèi)波的海上移動平臺硬件系統(tǒng)可在海上連續(xù)且穩(wěn)定工作30天以上，對內(nèi)波的測量起到了關(guān)鍵作用，具有重要的科學(xué)研究和應(yīng)用價值。整套海上移動平臺硬件系統(tǒng)具有產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化的廣闊前景，真正實現(xiàn)產(chǎn)、學(xué)、研的統(tǒng)一。

參考文獻：

[1] 陳建軍，吳旌，張云海，等．海洋內(nèi)波現(xiàn)場測量技術(shù)研究.第十三屆中國海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會論文集[C].中國海洋工程學(xué)會編.海洋出版社，2007.

[2] 王火平，陳亮，郭延良，等.海洋內(nèi)孤立波預(yù)警監(jiān)測識別技術(shù)及其在流花16-2油田群開發(fā)中的應(yīng)用[J].海洋工程，2021，39（2）：162-170.

[3] 張曉芳，賈思洋，張曙偉，等.海洋垂直剖面水溫實時監(jiān)測浮標(biāo)系統(tǒng)研制與應(yīng)用[J].海洋科學(xué)，2016，40（5）：109-114.

[4] 熊斯年，王海軍，吳小濤.基于RT-Thread的波浪滑翔器控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].數(shù)字海洋與水下攻防，2020，3（4）：339-344.

[5] 侯斐，朱心科，丁巍偉，等.一種移動式海洋地震儀的硬件電路研究[J].海洋學(xué)研究，2021，39（1）：38-46.

[6] 劉彬華.基于移動式溫度鏈實時監(jiān)測系統(tǒng)測量內(nèi)波方法研究[J].無線互聯(lián)科技，2022，19（15）：131-136.

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