孫子奇

（哈爾濱工業(yè)大學（威海）信息科學與工程學院，山東威海 264200）

0 引言

中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）簡稱北斗衛(wèi)星，是由用戶區(qū)段、地面區(qū)段、空間區(qū)段所組成的，在能源持續(xù)性的支撐下，可在全球空間內進行高精度的數(shù)據服務，為交通、航運、水文、氣象等提供實時化的數(shù)據支撐。傳統(tǒng)海洋浮標的水文監(jiān)測機制，是在不同地點防止浮標裝置，然后通過同一時間節(jié)點下的數(shù)據采集，分析出水文變動趨勢。在北斗衛(wèi)星的支撐下，可將海洋浮標作為一個數(shù)據通信點，在“用戶—地面—空間”的通信結構下，實現(xiàn)多點位的信息同步傳輸，且整個數(shù)據傳輸精度遠高于傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)，滿足水文數(shù)據的多類別監(jiān)測需求。

1 大型海洋浮標系統(tǒng)架構

大型海洋浮標系統(tǒng)運行驅動可以分為北斗終端、地面中心站以及海洋浮標3 個主體模塊（圖1）：首先，電力控制模塊的支撐下，依托于太陽能、潮汐發(fā)電以及風力發(fā)電等，對終端海洋浮標進行持續(xù)性的電力支撐；其次，在動力系統(tǒng)、告警系統(tǒng)以及水文監(jiān)測系統(tǒng)的應用下，對整個數(shù)據采集信息進行模塊化支撐，確保數(shù)據信息采集的時效性，由北斗衛(wèi)星地面中心站進行信息存儲，將此類信息通過北斗衛(wèi)星進行數(shù)據采集監(jiān)測；最后，將信息整合并傳遞到岸站接收中心，通過多維度的數(shù)據處理，保證每一類模塊在信息采集過程中可以完成對當前海洋信息的綜合化監(jiān)控與處理，令海洋浮標所監(jiān)控的信息真實反映出當前水面環(huán)境信息，為后續(xù)管理工作的開展提供數(shù)據支撐。

圖1 大型海洋浮標系統(tǒng)架構

2 大型海洋浮標系統(tǒng)功能

海洋浮標裝置的設定可以通過不同維度的信息采集，為當前海運及水面監(jiān)測提供數(shù)據支撐。大型海洋浮標系統(tǒng)有如下3個功能。

（1）參照物功能。在海上進行水面施工時，由于外界風力的影響，造成施工目標會產生一定的偏差性，海洋浮標的設定，則可以為整個施工提供一個參照點。整體空間位于是按照海上浮標本身所具備的空間點進行數(shù)據建設的，這樣一來在海上浮標本身的定位功能之上，可以為海面施工提供一個持續(xù)性的參照支撐點，進而降低施工誤差。

（2）警告功能。在海上施工中，如果施工區(qū)處于航道之上，則來往的船只將對整體施工進度造成影響。特別是在能見度較低的惡劣天氣時，將對航運船只造成視線影響，高速行駛狀態(tài)下極易引發(fā)碰撞事故。海上浮標裝置的應用則可以利用雷達進行空間化檢測，其可以穿透煙塵、迷霧等，確定出浮標監(jiān)測范圍內的各類障礙信息，由此界定出當前區(qū)域感之內是否存在航行的裝置，如果識別到障礙信息則可以通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)進行報文預警處理，令航運船只了解到當前區(qū)域內的障礙情況，并進行減速或規(guī)避處理，保證航運的安全性。

（3）水文監(jiān)測功能。海上環(huán)境信息具有多變性特點，例如，海面洋流以及潮差等，惡劣的水文條件將降低整個海洋工程的運行效率。通過水文監(jiān)測系統(tǒng)的應用，其可以搭載5G 網絡，實現(xiàn)大范圍的區(qū)域監(jiān)測，結合北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的全域化信息識別，及時針對外界所產生的各類水文信息進行處理，依據自身工程施工現(xiàn)狀，制定出更為完整的管理措施，規(guī)避各類風險問題。

3 基于北斗衛(wèi)星的大型海洋浮標通信機制

位拼接作為大型海洋浮標通信系統(tǒng)的關鍵技術，通過多方位的算法呈現(xiàn)，確保數(shù)據信息在運算過程中起到精準識別的作用。

3.1 位拼接算法

傳統(tǒng)數(shù)據壓縮技術的應用是保障信息在固定存儲空間下的傳輸及存儲可以得到大容量的壓縮，以提高實際運作效率。位拼接算法的應用與實現(xiàn)則是針對當前數(shù)據層中的信息進行拼接處理，通過降低資源的耗損量實現(xiàn)對既有空間的有效擴充。當然此類信息空間是在原有空間結構下的數(shù)據運行區(qū)域內進行數(shù)據壓縮處理的，提高整體空間容量。從海洋監(jiān)測角度，大部分數(shù)據信息參數(shù)只是在固定的范疇內進行數(shù)據監(jiān)測，如風速、水溫等，一旦數(shù)據值超出基準正常指標時則將此類數(shù)值界定為野值，這樣便可在固有數(shù)據量中對實際范圍進行縮減處理。例如，在小數(shù)點后的3 位作為表達數(shù)據位，在發(fā)送過程中可以通過對數(shù)據最小位數(shù)的縮減與拼接進行截斷處理，減小數(shù)據傳輸總量，然后在接收端中利用位拼接算法對數(shù)據進行處理，便可以得到原有數(shù)據傳輸單的基準信息。位拼接算法所節(jié)約的數(shù)據空間效果較高，經實際測證，372 個字節(jié)的數(shù)據信息經處理過后，僅需要傳輸222個字節(jié)，可節(jié)約150 個字節(jié)的數(shù)據空間。

3.2 LZW 算法

LZW 算法則是針對原有LZ78 算法進行完善的一類壓縮型算法，在實際編解碼過程中無需將原有的字典進行任何驅動處理便可以實現(xiàn)無損壓縮。從運作原理來看，其可以看成是將帶壓縮的字節(jié)設定為一個具有流動特征的字典，通過字符映射出整個字節(jié)及碼字的輸出長度，這樣再通過壓縮算法實現(xiàn)相應的處理，提高整體壓縮質量且不會對原有的字節(jié)進行任何改變。

LZW 算法如下：先對字典進行初始化處理，令整個字典所具備的前綴根為空，輸入過程中將字符進行值量賦予，在后續(xù)字典識別過程中則可以進行更新處理，依據碼字進行輸出限流。此過程中將判定出數(shù)據壓縮的存有量，如果存在則繼續(xù)進行數(shù)字限流處理，否則進行編碼結束，并將整個解壓縮與壓縮中的數(shù)字進行二次比對，生成一個具有字符串輸出效果的碼字。解壓過程按照字典中的前綴根進行符值處理，在原有的詞典中查證出與字符串相對應的字符流并進行編碼，如果在字典中存在當前編碼，則進行數(shù)據讀取，否則返回到數(shù)據流中進行依次比對處理、直至解壓完畢。

3.3 壓縮效果

經過兩種算法的實際應用比較，位拼接算法的壓縮率與數(shù)據源所占據的空間及傳輸性能具有一定關聯(lián)在一定范疇內，如果數(shù)據本身產生浮動效果的話，則統(tǒng)計層面則需要對不同類別的數(shù)據進行持續(xù)性亞索，此時LZW 壓縮分布則可以看成是基于浮標通訊性能的基準化拼接處理，且整個拼接率高達28%以上，這時可以視作在通信延時期間，幀數(shù)損失效果較低，大大提高通訊性能。

4 大型海洋浮標通信協(xié)議

大型海洋浮標通信機制是在不同設備之間進行數(shù)據傳輸時的一種規(guī)約形式，其中通信協(xié)議設計的需要針對信息在流通過程中的效率性及安全性進行分析。從上文可以看出，位拼接LZW 在進行數(shù)據壓縮與處理時期，可以針對不同范疇內的數(shù)據進行等位處理，此時在變幀過程中則可以依據不同協(xié)議層進行分化解析（圖2）。

圖2 通信協(xié)議

（1）在幀元結構中，可以整個通信協(xié)議的最小單元數(shù)進行發(fā)送段與接收端的數(shù)據壓縮處理，然后將此類幀元結構進行填充與完善，確保在通信區(qū)域內數(shù)據提取，是符合幀數(shù)對接需求的，這樣可以有效規(guī)避因為通信時延所產生的掉幀問題。其中，幀長度代表幀元區(qū)段內的字節(jié)長度、浮標號代表單一幀數(shù)據的浮標對稱點、命令碼代表幀類型、通信數(shù)據代表對應在位拼接之后的壓縮數(shù)據。

（2）在包元結構中其可以看成是幀元結構的一種存儲場所，每一個包元結構在解析時，必須含有一個或多個幀元結構才可以確保在數(shù)據壓縮過程中按照字節(jié)填充量進行數(shù)據壓縮與解析處理。例如在包元結構中，如果字數(shù)限制為84 個字節(jié)，則不滿字節(jié)存儲容量下進行數(shù)據填充處理，如果滿足數(shù)據存儲需求，則將真元結構填充到下一個包元結構中，實現(xiàn)持續(xù)性的數(shù)據壓縮，保證信息傳輸?shù)耐暾?。其中，包長度代表包元所有區(qū)段字節(jié)長度總和、包序號代表位列值、通信數(shù)據代表存放壓縮后的幀元數(shù)據。

5 “主—從”狀態(tài)機控制

對于北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)而言，數(shù)據壓縮是針對整個傳輸效率提供一個運行載體，并且可以有效提高信息傳輸?shù)陌踩裕苊鈹?shù)據傳輸誤差的問題。基于通信機制而實現(xiàn)的兩重狀態(tài)控制，則是從主動與從動狀態(tài)對北斗通信中的數(shù)據丟失問題進行解決，保證整個通信過程的持續(xù)性與可靠性。

（1）主動與從動狀態(tài)機可以有效規(guī)避信號弱控制問題，提高整個狀態(tài)期的統(tǒng)籌性能，保證在不同區(qū)位下實現(xiàn)時間節(jié)點的多位處理，確保浮標裝置在信號采集與傳輸過程中的完整性。

（2）主動與從動狀態(tài)機可以對幀數(shù)進行重發(fā)處理，規(guī)避因為漏幀、失幀所引發(fā)的數(shù)據對接不流暢問題。此類數(shù)據失幀處理可以針對丟失的數(shù)據進行單獨補發(fā)處理。

（3）主動與從動狀態(tài)機可對當前數(shù)據運行進行糾錯處理，其中主狀態(tài)可識別數(shù)據傳輸過程中的各類風險問題，從狀態(tài)機則可對帶有風險的數(shù)據進行排錯處理，避免產生數(shù)據誤傳遞問題。

對于浮標通信機制而言，可以有效將數(shù)據進行識別與歸類處理，例如命令信號與浮標機器進行對接，在數(shù)據傳輸時，利用主狀態(tài)機的檢測功能，查找出不同信息類別中存在的問題，從狀態(tài)機則是對后續(xù)浮標裝置通信進行輔助檢測的作用，確保主體線程通信的完整性，提高信號信息的傳輸質量。

6 結束語

北斗衛(wèi)星支撐下的大型海洋浮標通信系統(tǒng)，可實時化、精準化地闡釋當前操控環(huán)境的數(shù)據羅列屬性，增強數(shù)據識別度，令地面接收器了解海洋上的環(huán)境信息，為后續(xù)管理工作的開展提供基礎保障。在后續(xù)發(fā)展過程中必須進一步加強對通信技術的應用及檢測設備的維護，提高信息監(jiān)測質量，為海洋監(jiān)管工作的開展提供數(shù)據支撐。