基于聲學(xué)和無(wú)線電通訊的海洋中繼浮標(biāo)技術(shù)

楊會(huì)金，王嘉鑫，姚武軍

（大連測(cè)控技術(shù)研究所，遼寧大連 116013）

0 引言

海流區(qū)域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)屬無(wú)纜水下測(cè)量設(shè)備，可在無(wú)人值守及海況惡劣條件下長(zhǎng)時(shí)間工作。如何實(shí)現(xiàn)無(wú)纜式水下測(cè)量裝置測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送，接收岸基的指令遙控及狀態(tài)反饋，是海洋測(cè)量技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本文主要針對(duì)海流區(qū)域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸及控制的需要，論證了中繼浮標(biāo)技術(shù)方案，進(jìn)行了系統(tǒng)研制，給出海上試驗(yàn)與應(yīng)用結(jié)果。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)組成

中繼浮標(biāo)主要由無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)、GPS單元、聲學(xué)Modem、控制器、電池組、天線、錨燈、浮標(biāo)罐體、錨和系纜等部分組成。主要完成水下測(cè)量裝置與水面艦船平臺(tái)或岸基平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸和指令中繼，本體具有定位功能。中繼浮標(biāo)組成如圖1所示。

中繼浮標(biāo)具備長(zhǎng)期值守、可靠工作的特點(diǎn)，它替代了艦船作為搭載平臺(tái)完成數(shù)傳及雙向通訊的功能。具有可靠、成本低、作用距離可延伸的特點(diǎn)。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

通訊浮標(biāo)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.3 工作原理

中繼浮標(biāo)布放前，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，浮標(biāo)進(jìn)入初始化和自檢狀態(tài)，并經(jīng)指示燈確認(rèn)。常態(tài)下浮標(biāo)水聲Modem和無(wú)線數(shù)傳模塊均處于接收狀態(tài)，為保證海洋環(huán)境特性數(shù)據(jù)的可靠上傳，控制器置水聲Modem接受中斷優(yōu)先，對(duì)接收到的水聲Modem數(shù)據(jù)，采用記憶重發(fā)的方式，傳送至甲板單元或岸站平臺(tái)。中繼浮標(biāo)電氣原理如圖2所示。

圖2 中繼浮標(biāo)原理圖Fig.2The electronic construction of communication relay buoy

2 系統(tǒng)研制

系統(tǒng)研制采用成熟技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)集成，優(yōu)化系統(tǒng)性能，保證系統(tǒng)滿足總體技術(shù)指標(biāo)要求。

2.1 無(wú)線數(shù)傳模塊

無(wú)線數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)岸基與中繼浮標(biāo)的雙向通訊。

無(wú)線通信性能由發(fā)射機(jī)的射頻輸出功率、接收機(jī)的接收靈敏度、系統(tǒng)的抗干擾能力及發(fā)射/接收天線的類型和增益等因素決定。

根據(jù)路徑損耗公式:

其中:L os為傳播損耗，dBm;d為距離，km;f為工作頻率，MHz。

中繼浮標(biāo)選擇日精ND889A數(shù)傳電臺(tái)［1］，ND889A數(shù)傳電臺(tái)工作頻率范圍為220～240 MHz，頻率穩(wěn)定度為±2 ppm，發(fā)射功率為2W/5W/10W/ 15W/25W五級(jí)功率編程設(shè)置，浮標(biāo)端天線采用全向中增益（6.5 dB）天線，岸站端采用8木定向（11 dB）天線。

浮標(biāo)端發(fā)射功率設(shè)定為10W（40 dBm），接收機(jī)靈敏度0.2 μV（－121 dBm），如大氣、遮擋等造成的損耗為25 dB，由式（1）可得:

實(shí)際上，空氣及海面等介質(zhì)對(duì)電磁波吸收、衰減的影響很大;其次是考慮發(fā)射天線和接收天線的效率，接收機(jī)的抗干擾能力，以及各種電磁干擾的影響。實(shí)際傳輸距離按理論的10%計(jì)，傳輸距離大于50 km，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.2 GPS定位單元

中繼浮標(biāo)長(zhǎng)期錨定在任務(wù)海區(qū)，無(wú)人值守，在風(fēng)浪等惡劣條件影響下，可能出現(xiàn)走標(biāo)現(xiàn)象，或受漁船拖拉，惡意打撈等安全因素影響而改變錨位。因此，對(duì)浮標(biāo)的定位就顯得十分必要。

中繼浮標(biāo)采用Trimble公司的Lassen-IQ OEM模塊處理單元實(shí)現(xiàn)，該處理單元技術(shù)成熟，接口簡(jiǎn)單，體積小，功耗低，單點(diǎn)定位精度＜5 m CEP，數(shù)據(jù)更新率為1 Hz，數(shù)據(jù)協(xié)議為NMEA0183標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

GPS定位信息（NMEA 0183輸出語(yǔ)句）數(shù)據(jù)格式如表2所示。

算例:

$GPRMC，051552.00，A，3852.0213，N，12139.8838，E，000.0，075.7，170407，06.8，W，A*10。

（北京時(shí)間（+8）:2007年4月17日13:15:52，北緯38°52.0213'，東經(jīng)121°39.8838'）。

2.3 聲學(xué)Modem

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)傳輸距離要求大于3 000 m，錨定海域水深約70 m，屬于淺水區(qū)域。因此，聲學(xué)通訊應(yīng)選擇具有抗多途干擾強(qiáng)的產(chǎn)品。LinkQuest公司UWM3000H型聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器［2］采用了先進(jìn)的高速數(shù)字調(diào)制解調(diào)器技術(shù)、寬帶換能器技術(shù)、寬帶擴(kuò)頻技術(shù)，信道均衡技術(shù)抗多途干擾。該型產(chǎn)品在高發(fā)射功率狀態(tài)下作用距離可達(dá)6 000 m，實(shí)際作用距離與水深和背景噪聲有關(guān)。凈荷載數(shù)據(jù)速率320 bit/s，接收模式功耗小于1 W，休眠狀態(tài)0.9 mW。

2.4 控制器與外部接口

控制器實(shí)現(xiàn)中繼浮標(biāo)時(shí)序和指令控制，是中繼浮標(biāo)的核心。

控制器連接的4個(gè)功能模塊均為串行接口方式，并應(yīng)達(dá)到長(zhǎng)期值守過(guò)程中功耗低的要求。因此控制器選擇TI公司超低功耗處理器MSP430F5438，該處理器外部有4個(gè)獨(dú)立串行接口，值班模式下功耗小于1 mA，適合用于各種自持式系統(tǒng)。

兒童及青少年甲狀腺癌手術(shù)治療上首選甲狀腺全切除術(shù)。這是由于其雙側(cè)及多灶性病變的發(fā)生率高，并且，通過(guò)長(zhǎng)期隨訪觀察顯示，甲狀腺全切除術(shù)與單側(cè)葉切除術(shù)相比，局部復(fù)發(fā)率從35%降低到6%[27]，同時(shí)，甲狀腺全切術(shù)優(yōu)化放射性核素的顯像及治療，也優(yōu)化Tg水平對(duì)持續(xù)或復(fù)發(fā)病灶的術(shù)后監(jiān)測(cè)。對(duì)于是否進(jìn)行中央?yún)^(qū)或頸側(cè)方的淋巴結(jié)清掃取決于腫瘤大小、數(shù)量、細(xì)胞學(xué)結(jié)果、浸潤(rùn)程度及淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移等情況，對(duì)于細(xì)胞學(xué)提示惡性、臨床提示甲狀腺外較大浸潤(rùn)和/或術(shù)前或術(shù)中發(fā)現(xiàn)存在局部轉(zhuǎn)移患者，推薦行中央?yún)^(qū)淋巴結(jié)清掃術(shù)，可降低二次手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)并提高無(wú)病生存率。

聲學(xué)Modem通過(guò)8芯水密連接器與浮標(biāo)艙體連接，數(shù)據(jù)傳輸方式有RS-232和RS-422兩種。考慮其布放深度的不確定性，選用適合長(zhǎng)纜傳輸?shù)腞S-422接口方式。

數(shù)傳天臺(tái)和GPS模塊均采用同軸電纜與天線連接，連接器選用BNC高頻接插件，并進(jìn)行防水處理。

2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

浮標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則為“對(duì)稱、低重心、小慣性”［3］，浮標(biāo)組件便于安裝維護(hù)。

根據(jù)測(cè)量對(duì)浮標(biāo)穩(wěn)定性的要求，浮標(biāo)體成圓柱體型，浮體材質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)304不銹鋼，從而達(dá)到較強(qiáng)的抗沖擊和耐海水腐蝕能力。

電子艙電池組安裝于浮標(biāo)下部，起到配重壓艙的作用。支架固定在浮體上，采用小截面耐腐蝕材料焊接，支架上端架設(shè)天線，支架要求牢固可靠，在強(qiáng)風(fēng)和波浪搖擺情況下不變形。

中繼浮標(biāo)標(biāo)體表面靜電噴涂，參照《GB 4696－1999－中國(guó)海區(qū)水上助航標(biāo)志》黃色涂裝。浮標(biāo)結(jié)構(gòu)組裝圖如圖3所示。

圖3 中繼浮標(biāo)結(jié)構(gòu)組裝圖示Fig.3The mechanical construction of communication relay buoy

2.6 中繼浮標(biāo)參數(shù)計(jì)算

1）浮標(biāo)基本數(shù)據(jù)

浮力艙尺寸:φ750 mmD×700 mm H;

浮力艙可提供的最大浮力（浮力艙體積）:309 kg;

浮標(biāo)體重量（不含電池、控制板、錨系纜繩）:約160 kg;

電池重量:約40 kg;

浮標(biāo)體重心:中軸線，艙體底面以下127 mm。

2）海流推力對(duì)浮標(biāo)的影響

①浮標(biāo)體受橫向海流推力計(jì)算

其中:FD為海流推力;CD為標(biāo)體水阻系數(shù)，流速在3 m/s以下時(shí)，根據(jù)標(biāo)體尺寸和形狀，取0.7;ρ為海水密度;V為流速;A為標(biāo)體迎水面截面積。

在3 m/s流速下，標(biāo)體浮力艙全部沒(méi)入水中時(shí)所受水阻力為:

②浮標(biāo)受力分析

當(dāng)浮標(biāo)體剛好完全浸入水面以下時(shí)，浮標(biāo)受力情況如圖4所示。

圖4 通訊浮標(biāo)受力圖Fig.4The hydromechanical analyse of communication relay buoy

在平衡狀態(tài)下，有:

其中，F(xiàn)為標(biāo)體凈浮力;h為海水深度;h1為浮筒高度;L1為浮標(biāo)與錨橫距。

纜繩水中重量按20 kg計(jì)算（約150 m），當(dāng)電池等艙內(nèi)負(fù)載重量為60 kg時(shí)，標(biāo)體凈浮力

3 海上試驗(yàn)結(jié)果

2010年4月，在大連海域進(jìn)行了中繼浮標(biāo)海上試驗(yàn)驗(yàn)證，浮標(biāo)海上布放圖示如圖5所示。

試驗(yàn)期間，中繼浮標(biāo)完成了多日、多組全天候測(cè)量數(shù)據(jù)的傳送和岸基指令的轉(zhuǎn)發(fā)，可靠地實(shí)現(xiàn)了岸基與水下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息交換和數(shù)據(jù)傳輸。

試驗(yàn)結(jié)果表明，浮標(biāo)無(wú)線通訊和水聲通訊效果良好，海流區(qū)域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)定時(shí)或在岸基遙控下向岸基發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)，通訊距離達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，在5級(jí)以下海況工作穩(wěn)定、可靠。

圖5 中繼浮標(biāo)海上布放圖Fig.5Maritime screen of communication relay buoy

4 結(jié)語(yǔ)

中繼通訊浮標(biāo)解決了水聲通訊和無(wú)線通訊轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)，建立了遠(yuǎn)岸水下系統(tǒng)和岸基聯(lián)系的手段，實(shí)現(xiàn)了水下測(cè)量系統(tǒng)與岸基系統(tǒng)之間指令、數(shù)據(jù)的雙向、實(shí)時(shí)傳輸，可廣泛應(yīng)用于海上試驗(yàn)研究及長(zhǎng)時(shí)間水下環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和控制的場(chǎng)合。

［1］NISSEI DENKI．230 MHz BandDataTransceiver ND886A/ND889A OPERATING MANUAL［M］．2008．

［2］LinkQuset Inc．Underwater Acoustic Modem Momel No UWM3000H User's Guide Version 3000.3.0 h，2009．

［3］唐原廣．多功能波浪浮標(biāo)研制［J］．海洋科學(xué)．1998，（3）．12－13．