魏兆強(qiáng)， 張 浩， 王 巖， 劉煥斌

(中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

1 深海智能浮標(biāo)觀測(cè)平臺(tái)

深海大洋是地球氣候系統(tǒng)的重要調(diào)節(jié)器，但也是目前認(rèn)知極為有限的氣候系統(tǒng)組分[1]。開(kāi)展對(duì)深海大洋長(zhǎng)期連續(xù)，并具有高時(shí)空覆蓋率的多學(xué)科綜合觀測(cè)，對(duì)于揭示深海大洋物理、生物、地質(zhì)化學(xué)及生態(tài)環(huán)境變化以及對(duì)氣候影響過(guò)程與機(jī)理，提高對(duì)其預(yù)測(cè)能力，實(shí)現(xiàn)“透明”深海大洋具有重要的科學(xué)意義[2-3]。深海智能浮標(biāo)觀測(cè)平臺(tái)(Smart Float)緊緊圍繞“深海大洋變化及其在全球氣候系統(tǒng)中的作用”這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，發(fā)展一種新型智能浮標(biāo)觀測(cè)平臺(tái)技術(shù)，采用快速動(dòng)力與可持續(xù)海洋能供電技術(shù)，使海洋綜合觀測(cè)延拓至4 000 m以下深層海洋，形成對(duì)全球深層大洋的觀測(cè)能力，實(shí)現(xiàn)我國(guó)深海大洋觀測(cè)研究跨越式發(fā)展，躋身國(guó)際最前沿，為防災(zāi)減災(zāi)、深海生物資源開(kāi)發(fā)、關(guān)鍵海區(qū)的水下環(huán)境安全保障提供支撐[4]。

Smart Float突破現(xiàn)有的海洋觀測(cè)技術(shù)的局限性，實(shí)現(xiàn)對(duì)下層海洋的觀測(cè)，拓展海洋觀測(cè)的時(shí)空覆蓋范圍及檢測(cè)尺度，實(shí)現(xiàn)海洋立體探測(cè)，它搭載高精度傳感器，大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理、實(shí)時(shí)通信，海洋環(huán)境能源獲取與高效利用和基于自主衛(wèi)星的數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，并結(jié)合了海洋探測(cè)深潛技術(shù)的最新發(fā)展成果，實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋的高時(shí)空覆蓋、立體實(shí)時(shí)觀測(cè)，特別是實(shí)現(xiàn)對(duì)2 000 m以下的深層海洋的觀測(cè)，以滿足海洋科學(xué)研究長(zhǎng)期、連續(xù)、實(shí)時(shí)、多學(xué)科同步的綜合性觀測(cè)要求，對(duì)于海洋科學(xué)的發(fā)展和國(guó)防建設(shè)至關(guān)重要。

深海智能浮標(biāo)集剖面探測(cè)漂流 Argo浮標(biāo)和水下滑翔器功能于一身，結(jié)合現(xiàn)有Argo及滑翔機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)和發(fā)展趨勢(shì)[5]，將整個(gè)體系結(jié)構(gòu)分為如圖1所示的七大子系統(tǒng)/模塊。具體包括：智能總控制模塊、傳感器模塊、狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、衛(wèi)星通信與定位模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、應(yīng)急管理模塊、能源模塊。

2 衛(wèi)星通信及定位模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

衛(wèi)星通信及定位模塊在整個(gè)系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用，精準(zhǔn)的衛(wèi)星定位以及高速率、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)通信傳輸是按照要求形態(tài)調(diào)整、組網(wǎng)及動(dòng)態(tài)演示的重要基礎(chǔ)[6]。因此研制數(shù)據(jù)傳輸速度快、定位精度高的多種模式可選擇的衛(wèi)星通信與定位模塊，可以實(shí)現(xiàn)剖面浮標(biāo)的海上定位以及剖面浮標(biāo)與岸基控制中心之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。衛(wèi)星通信及組網(wǎng)觀測(cè)主要包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)和智能浮標(biāo)組網(wǎng)控制系統(tǒng)。衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要開(kāi)展低功耗的定位通信一體化的終端設(shè)備研究，面向深海的衛(wèi)星天線研制，高性能通信與數(shù)據(jù)處理能力的地面站開(kāi)發(fā)，以及面向海洋復(fù)雜環(huán)境的衛(wèi)星通信協(xié)議研究。通信與定位模塊的技術(shù)路線圖見(jiàn)圖2。

圖1 系統(tǒng)總體體系結(jié)構(gòu)圖

圖2 通信與定位模塊的技術(shù)路線圖

2.1 面向深海的通信專用天線研制

相對(duì)于陸地或海面上的衛(wèi)星定位通信，系統(tǒng)中搭載衛(wèi)星通信模塊的Smart Float將下潛至4 000 m的深海執(zhí)行任務(wù)。因此必須要求衛(wèi)星定位模塊的天線在體積、形狀、密封性和耐壓性等方面都能滿足系統(tǒng)的要求。由于北斗系統(tǒng)落地信號(hào)功率較小，因此在傳統(tǒng)的地面或海面上進(jìn)行定位和通信時(shí)，多采用碟形天線、微帶天線和四臂螺旋天線。但考慮到Smart Float本身的形狀、其內(nèi)部的空間以及執(zhí)行任務(wù)所處的環(huán)境，無(wú)法為不同的模塊分別布置多根天線，需要將通信模塊和導(dǎo)航定位模塊的不同天線進(jìn)行集成。

針對(duì)深海環(huán)境的復(fù)雜性以及對(duì)通信天線通信質(zhì)量的要求，設(shè)計(jì)如圖3所示的圓柱形回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的天線罩。該結(jié)構(gòu)具有很好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐波性，不僅能夠耐高壓，同時(shí)不會(huì)增加智能浮標(biāo)水下航行時(shí)的阻力，夠很好的保證在完成良好的通信質(zhì)量的同時(shí)不會(huì)給智能浮標(biāo)帶來(lái)額外的負(fù)擔(dān)。對(duì)于天線罩與密封器件的連接和密封，也是必須要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題之一，為了能夠保證良好的密封性，搭配天線轉(zhuǎn)接組件、固定底座、連接管等與天線罩同軸、密封連接，將同軸信號(hào)線通過(guò)同軸連接器與水密電纜同心相連，提高水密性。

圖3 系統(tǒng)專用天線結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 通信定位一體機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

通信導(dǎo)航定位一體機(jī)采用BDS/GPS聯(lián)合定位作為定位手段，北斗和銥星系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)傳輸手段[7-8]。GPS/北斗雙定位模塊，實(shí)時(shí)接收BDS和GPS定位衛(wèi)星信號(hào)，提取原始觀測(cè)量并解調(diào)數(shù)據(jù)，通過(guò)衛(wèi)星電文分析及數(shù)據(jù)處理，完成要求的各項(xiàng)功能。主要包括射頻前端、基帶信號(hào)處理和應(yīng)用處理3個(gè)功能單元。北斗和銥星的數(shù)據(jù)傳輸功能模塊，通過(guò)低噪聲放大、功率放大、上下變頻和基帶處理，實(shí)現(xiàn)北斗、銥星系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。模塊集成北斗和銥星射頻收發(fā)芯片，基帶電路，功放芯片等，完整實(shí)現(xiàn)北斗及銥星收發(fā)信號(hào)，調(diào)制解調(diào)全部功能。其數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程見(jiàn)圖4。

由于智能浮標(biāo)的空間尺寸和供電能力有限，因此要在保證智能浮標(biāo)能夠完成正常的工作的前提下，盡可能使定位通信一體化終端的小型化和低功耗化，滿足智能浮標(biāo)海上定位與雙向通信的需求。因此采取兩方面的工作來(lái)盡可能降低其功耗，方法示意圖見(jiàn)圖5。一方面，控制通信定位模塊的工作時(shí)間，通過(guò)控制通信定位模塊的工作時(shí)間是最有效的降低功耗的方法，智能浮標(biāo)在使用過(guò)程中通信定位模塊不是時(shí)時(shí)刻刻都需要處在工作狀態(tài)下，只需要在特定的環(huán)境下開(kāi)啟工作，因此通過(guò)采集水下壓強(qiáng)數(shù)據(jù)來(lái)判斷浮標(biāo)是否上浮，若浮標(biāo)上浮，則北斗模塊啟動(dòng)，開(kāi)啟正常工作。若通過(guò)水下壓強(qiáng)數(shù)據(jù)判斷出浮標(biāo)沒(méi)有浮至海面附近，則此時(shí)不需要開(kāi)啟工作；另一方面衛(wèi)星通過(guò)交叉工作的方式，例如銥星+北斗進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，如果銥星完成數(shù)據(jù)傳輸，則不啟動(dòng)北斗，減少設(shè)備工作量,降低設(shè)備功耗。通過(guò)上述兩種方法大大降低了通信一體化終端的功耗，從而延長(zhǎng)了整個(gè)系統(tǒng)的工作時(shí)間。

圖4 一體機(jī)的通信定位模塊示意圖

圖5 通信定位一體機(jī)降低功耗設(shè)計(jì)工作流程圖

2.3 面向海洋復(fù)雜環(huán)境的通信協(xié)議研究

針對(duì)北斗主傳輸、銥星輔助傳輸?shù)男l(wèi)星通信系統(tǒng)，設(shè)計(jì)終端傳輸選擇機(jī)制，在向北斗系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)求無(wú)應(yīng)答或通信效果較差時(shí)轉(zhuǎn)為銥星系統(tǒng)傳輸。面向海洋復(fù)雜環(huán)境，開(kāi)展針對(duì)不可靠鏈路的衛(wèi)星通信協(xié)議研究，對(duì)SmartFloat系統(tǒng)發(fā)送來(lái)的指令信息進(jìn)行校驗(yàn)、解析、分發(fā)；向SmartFloat按通信協(xié)議格式發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息。

(1)一代北斗/銥星衛(wèi)星大數(shù)據(jù)量聯(lián)合通信協(xié)議研究。 在利用北斗/銥星衛(wèi)星進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的聯(lián)合通信過(guò)程中，遇到兩方面的難題。首先是數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的限制，SBD業(yè)務(wù)提供的是短數(shù)據(jù)的傳輸服務(wù)[9]，而由于海洋復(fù)雜的監(jiān)測(cè)環(huán)境，需要進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸；其次是數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，數(shù)據(jù)丟失的原因是多種多樣的，通信終端的性能、復(fù)雜的天氣情況等都會(huì)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的傳輸有較大的影響。針對(duì)上述問(wèn)題，制定了基于數(shù)據(jù)拆包的大數(shù)據(jù)量通信協(xié)議。對(duì)大的數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆包并加相應(yīng)的包頭，接收端對(duì)接收的數(shù)據(jù)包拆除包頭，并對(duì)數(shù)據(jù)合并，完成大數(shù)據(jù)包的傳輸。

(2)面向海洋復(fù)雜環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)擁塞問(wèn)題的研究。在海洋中多個(gè)smart float同時(shí)通過(guò)一代北斗和銥星衛(wèi)星通信系統(tǒng)向用戶中心傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)的超時(shí)丟失意味著網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞，影響衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。針對(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，增加可用帶寬估計(jì)機(jī)制和丟包檢測(cè)機(jī)制以得到擁塞的控制方法。

通過(guò)增加可用帶寬估計(jì)功能解決擁塞窗口增長(zhǎng)緩慢、帶寬利用率受限問(wèn)題?？捎脦捲酱?，交換節(jié)點(diǎn)的緩存隊(duì)列越長(zhǎng)，因此增加可用帶寬估計(jì)功能，可以預(yù)先計(jì)算出交換節(jié)點(diǎn)處緩存隊(duì)列的大小，使窗口增長(zhǎng)速度更快，提高衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和帶寬利用率。

增加丟包檢測(cè)機(jī)制來(lái)區(qū)分丟包原因，從而采取不同的擁塞控制策略以解決丟包后檢測(cè)恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)。在發(fā)生報(bào)文段丟失時(shí)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況判斷報(bào)文段丟失的原因，若處于擁塞狀態(tài)，則執(zhí)行該包的重傳并進(jìn)入窗口恢復(fù)；若不處于，則認(rèn)為丟包原因是誤碼造成的，執(zhí)行該包重傳并繼續(xù)窗口增長(zhǎng)，窗口值及門限值均保持不變，從而減小誤碼對(duì)通信性能的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)深海智能浮標(biāo)觀測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)中衛(wèi)星通信及定位模塊使用需求，設(shè)計(jì)出一體化、低功耗的衛(wèi)星通信方案，為保證Smart Float的正常運(yùn)行打下堅(jiān)定地基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)本文所研發(fā)設(shè)計(jì)的衛(wèi)星通信及定位模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該模塊能夠很好的實(shí)現(xiàn)Smart Float與水面監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信和自身水面定位的功能，達(dá)到預(yù)期的效果。今后將對(duì)通信定位一體機(jī)的低功耗化和面向海洋復(fù)雜環(huán)境的通信協(xié)議進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化處理，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信更加精準(zhǔn)的定位及更加高速、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸。

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