［李聽聽 劉銘 陳劉偉］

1 引言

中國是海洋大國，擁有漫長的海岸線、廣袤的管轄海域和豐富的海洋資源。當前，以海洋為載體和紐帶的市場、技術(shù)、信息、文化等合作日益緊密，中國提出共建21 世紀海上絲綢之路倡議，希望促進海上互聯(lián)互通和各領(lǐng)域務(wù)實合作，推動藍色經(jīng)濟發(fā)展，推動海洋文化交融，共同增進海洋福祉。海洋水文氣象觀測是認識、研究、保護、開發(fā)海洋的基礎(chǔ)[1]。然而，當前海洋水文監(jiān)測終端主要以美國銥星、歐星、海事衛(wèi)星等為主，存在衛(wèi)星覆蓋范圍有限、數(shù)據(jù)安全得不到保證等問題。針對當前海洋水文監(jiān)測終端主要以美國銥星、歐星、海事衛(wèi)星等為主[2]，本文提出基于天通、北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)的海洋水文監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸終端，可滿足我國海洋數(shù)據(jù)傳輸需要，擺脫數(shù)據(jù)傳輸依賴國外并保證數(shù)據(jù)傳輸過程的安全。

2020 年7 月31 日，習近平總書記在人民大會堂莊嚴宣布：北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，這標志著北斗事業(yè)進入到全球服務(wù)新時代。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自行研制、自行建設(shè)、自行管理，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有雙向短報文通訊能力，以北斗衛(wèi)星作為中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，實現(xiàn)北斗終端接收機之間的通信[3]。

除北斗外，天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)也是我國自主研制建設(shè)的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，由空間段、地面段和用戶終端組成。在技術(shù)層面，它標志著我國打破了國外技術(shù)封鎖，進入了地球同步軌道移動通信衛(wèi)星俱樂部，在海事衛(wèi)星系統(tǒng)和銥星系統(tǒng)之外，有了中國人具有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)；標志著我國在新載荷、大平臺的研制與應(yīng)用等領(lǐng)域進入了國際領(lǐng)先行列。同時，也表明我國在衛(wèi)星的設(shè)計制造能力、平臺技術(shù)、載荷技術(shù)、基礎(chǔ)元器件、原材料和地面仿真實驗驗證技術(shù)領(lǐng)域，達到了較高的技術(shù)水準。該系統(tǒng)已于2017 年上半年投入使用，具備話音、短信、數(shù)據(jù)、傳真等衛(wèi)星業(yè)務(wù)，目前實際場景應(yīng)用的最高數(shù)據(jù)速率可達384 kbit/s。

海洋水文監(jiān)測終端例如浮標等，放置地點遠離陸地，通常采用衛(wèi)星通信的方式。海洋水文監(jiān)測終端常用通信方式主要包括銥星、海事衛(wèi)星、北斗、天通，這些衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)成熟，可以在全球范圍內(nèi)（除南北極區(qū)外）為海洋水文監(jiān)測終端提供全時、穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)通信渠道。這幾種衛(wèi)星通信方式各有優(yōu)缺點對，如表1 所示。

表1 為常用衛(wèi)星通信方式對比[4][5]

依據(jù)表1 可以看出，銥星、海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)自主可控性差、設(shè)備和通信資費高[6，7]，同時采用天通、北斗兩種衛(wèi)星通訊模式的終端，利用天通、北斗各自的優(yōu)勢，可以有效支撐當前海洋水文監(jiān)測終端可靠通信。

借助天通、北斗各自的優(yōu)勢，根據(jù)業(yè)務(wù)需求和衛(wèi)星信號質(zhì)量，自適應(yīng)選擇信道，實現(xiàn)業(yè)務(wù)互補、互為備份，增加衛(wèi)星通信的可靠性。天通、北斗可以很好地解決海洋水文監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸問題，用戶不僅可以獲得海洋水文監(jiān)測數(shù)據(jù)，而且可以對海洋浮標等多種類型的終端進行狀態(tài)監(jiān)視和控制。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

如圖1 所示，基于天通、北斗的雙模衛(wèi)星通信海洋水文監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)測終端、天通衛(wèi)星、信關(guān)站、北斗衛(wèi)星、指揮機、海洋水文數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[8，9]。其中監(jiān)測終端通過判定天通衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)信號強度、北斗衛(wèi)星的波束信號功率來選擇數(shù)據(jù)通信鏈路，大大增加了通信的可靠性。終端集成雙衛(wèi)星通信模式，可以通過北斗短報文、天通短信、天通數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將傳感器數(shù)據(jù)、終端自身狀態(tài)信息發(fā)送到后臺數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)上。其中北斗短報文首先發(fā)送到指揮機上，然后指揮機將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；天通業(yè)務(wù)都需要經(jīng)過地面信關(guān)站再轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以通過指令查詢、控制終端參數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互、狀態(tài)監(jiān)控。

圖1 基于天通、北斗的監(jiān)測終端系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 終端硬件設(shè)計

電路系統(tǒng)主要由微處理器、自主觀測傳感器、高精度數(shù)字姿態(tài)補償儀、調(diào)試接口、天通通信模塊、北斗通信模塊、多模天線、電源供電系統(tǒng)等組成。電路系統(tǒng)組成框圖如圖2 所示，微處理器按照設(shè)定時序，對各個海洋水文觀測傳感器喚醒、數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)處理、存儲、衛(wèi)星傳輸、休眠等流程操作。為集成自主觀測傳感器設(shè)備，并能在高海況條件下開展海氣通量觀測，設(shè)計高穩(wěn)定性抗擾動觀測平臺，使用基于運動姿態(tài)方位傳感器的高頻高精度數(shù)字姿態(tài)補償儀，提供晃動平臺三維脈動風速測量準確度，同時開發(fā)智能化、模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)高海況下通量測量的穩(wěn)定可靠。

圖2 電路系統(tǒng)框圖

傳感器是海洋水文監(jiān)測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，傳感器的質(zhì)量和性能直接影響到海洋水位監(jiān)測的準確度?；诟髯藨B(tài)傳感器的互補特性進行組合設(shè)計，數(shù)字式姿態(tài)儀以更高的測量精度獲取終端平臺的實時姿態(tài)。為了測量浮游植物光合作用消耗的二氧化碳，激光誘導(dǎo)葉綠素熒光傳感器調(diào)制激發(fā)光驅(qū)動信號，濾波解調(diào)探測信號，采用深度濾光技術(shù)，消除外界光影響，提高熒光收集效率及檢測靈敏度。

多頻段天線通過分枝、倍頻、寄生添加等幾種設(shè)計方法，實現(xiàn)多個工作頻段接收信號和發(fā)射信號，它包含的工作頻段有北斗RDSS 收頻點、北斗RDSS 發(fā)頻點、北斗GNSS 頻點、天通頻點。

2.2 終端軟件設(shè)計

終端的軟件設(shè)計采用RT-Thread 系統(tǒng)。RT-Thread 是一個國產(chǎn)集實時操作系統(tǒng)（RTOS）內(nèi)核、中間件組件和開發(fā)者社區(qū)于一體的技術(shù)平臺。RT-Thread 也是一個組件完整豐富、高度可伸縮、簡易開發(fā)、超低功耗、高安全性的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)[10]。

系統(tǒng)創(chuàng)建多個線程來監(jiān)控各個模塊的狀態(tài)。系統(tǒng)的主要處理流程是：監(jiān)測到傳感器數(shù)據(jù)，啟動數(shù)據(jù)處理、存儲線程完成數(shù)據(jù)的拆包存儲，隨后啟動天通、北斗通信模塊，通過查詢天通衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)信號強度、北斗衛(wèi)星的波束信號功率，選擇最優(yōu)的衛(wèi)星通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸，完成數(shù)據(jù)傳輸后設(shè)置所有模塊進入低功耗狀態(tài)。所有模塊進入低功耗狀態(tài)，等待下次使用時被喚醒。系統(tǒng)可以通過傳感器設(shè)定的IO 電平變化喚醒，也可以通過接收傳感器的串口數(shù)據(jù)喚醒。主線程的處理流程如圖3 所示。

圖3 主線程處理流程

3 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)分包

由于北斗、天通衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸單次通信容量有限，而部署在監(jiān)測終端各種傳感器全天候的獲取數(shù)據(jù)，會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，一次傳輸這些數(shù)據(jù)是無法實現(xiàn)的[11]。因此在傳輸大量海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)時需要進行分包傳輸，在接收端需要對數(shù)據(jù)進行分包重組，從而獲取完整的傳感器數(shù)據(jù)。

3.2 傳輸協(xié)議

北斗短報文單次通信只能傳輸77 個字節(jié)內(nèi)容，監(jiān)測終端使用的是北斗民用卡，用戶屬于三類用戶機，服務(wù)頻度60 秒鐘；天通短信單次短信傳輸?shù)淖畲笞止?jié)為144。假設(shè)衛(wèi)星通信每次通信傳輸?shù)淖止?jié)為長度最大為L。設(shè)計傳輸協(xié)議格式如表2 所示數(shù)據(jù)分包傳輸協(xié)議。

表2 傳輸協(xié)議格式

接收端首先通過傳感器類型確定當前傳輸數(shù)據(jù)類型，然后通過總幀數(shù)、幀計數(shù)兩個字段來完成整包傳感器數(shù)據(jù)的重組。

如果傳輸通道采用天通數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，最大長度L 就可以設(shè)置為大于1 024，每包可以傳輸更多數(shù)據(jù)，傳輸速率明顯優(yōu)于天通短信、北斗短報文。

3.3 重傳機制

由于空間環(huán)境、星載設(shè)備和海況等因素的影響，北斗短報文或者天通短信單次通訊成功率實際約為σ。假設(shè)需要傳輸?shù)拇笕萘總鞲衅鲾?shù)據(jù)共計N字節(jié)，則傳輸完所有數(shù)據(jù)的最大幀數(shù)tf

本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β蕄os 如下公式所示,

由公式可見隨著幀數(shù)tf 的增加，數(shù)據(jù)傳輸成功率將隨之呈指數(shù)趨勢下降。使用天通數(shù)據(jù)傳輸時L可以足夠大，傳輸?shù)某晒β蕦Ρ忍焱ǘ绦?、北斗短報文有很大的?yōu)勢，但是也有一定的丟包概率。因此，引入重傳機制保證大數(shù)據(jù)的成功率是非常有必要的。

這里引入應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸重傳機制，保證大容量傳感器數(shù)據(jù)成功率為100%。重傳機制的幀格式按照表2 中格式傳輸，在傳感器數(shù)據(jù)傳輸完成后，接收端對數(shù)據(jù)的完整性進行檢驗。當接收端檢測到傳感器數(shù)據(jù)有丟失，會向監(jiān)測終端發(fā)送丟失幀的幀計數(shù)。監(jiān)測終端接收到對應(yīng)的幀計數(shù)，將對應(yīng)幀計數(shù)的數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端。重傳機制的概述圖如圖4 所示。

圖4 重傳機制的概述圖

4 結(jié)語

基于自主可控的天通、北斗雙模衛(wèi)星通信用于海洋水文的監(jiān)測終端，在傳輸數(shù)據(jù)應(yīng)用層高效實現(xiàn)數(shù)據(jù)分包、重傳機制，保證大容量傳感器數(shù)據(jù)的傳輸成功率。該技術(shù)的應(yīng)用為認識、研究、保護、開發(fā)海洋資源提供了一種更安全、高效數(shù)據(jù)傳輸方式，為中國21 世紀建設(shè)海洋強國添磚加瓦。使用完全自主的衛(wèi)星系統(tǒng)，促進海洋水文觀測以自主可控技術(shù)為先導(dǎo)的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，同時，對國民社會經(jīng)濟發(fā)展具有重大促進作用。