基于北斗衛星系統的深遠海GPS波浪浮標數據傳輸研究*

黨超群， 張鎖平， 齊占輝， 李明兵， 孫東波

(國家海洋技術中心，天津300112)

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基于北斗衛星系統的深遠海GPS波浪浮標數據傳輸研究*

黨超群， 張鎖平， 齊占輝， 李明兵， 孫東波

(國家海洋技術中心，天津300112)

摘要:國家海洋技術中心研制的GPS波浪浮標僅需一個GPS接收機，無需其他輔助傳感器，其功耗低、尺寸小、布放方便、測量精度高、適用于大范圍的對波浪進行精細化觀測。為了解決GPS波浪浮標在深遠海應用中的數據傳輸問題，通過對比Argos、銥星、北斗三種衛星系統的特點，該設備優先選用了基于北斗衛星系統的數據傳輸方式。對系統構成、硬件電路設計、測量原理及數據傳輸流程分別進行了詳細闡述。通過實驗室實驗和現場海上試驗，特別是GPS波浪浮標在遭遇臺風等惡劣環境下仍能正常通信，驗證了北斗衛星系統在深遠海數據傳輸上的可行與可靠性。

關鍵詞：北斗衛星系統； 深遠海； GPS波浪浮標； 數據傳輸

0引言

現今，海洋環境要素的獲取多采用無線通信，但由于距離和通信條件的限制，近岸所采用的通信方式幾無可能用于深遠海的數據通信。當前，多種衛星系統逐步組網完成，Argos、銥星、北斗系統逐漸成為深遠海數據通信中的佼佼者，廣泛的應用在深遠海海洋環境觀測領域。

Argos衛星系統是法國和美國聯合建立的一個數據收集和定位的衛星通信系統。它利用極軌衛星傳送各種環境監測數據，并對測量儀器的載體進行定位。由于在高緯度地區不可能利用地球同步衛星通信，Argos系統為這些地區的水文氣象監測儀器提供了一種很好的通信手段[1]。最新的Argos—3的信息收發平臺PMT是專門針對Argos星座設計的PMT，它克服了Argos—2的地面發射平臺PTT的缺點，具有雙向通信、數據容量大、速率高的特點[2]。

銥星系統是由66顆環繞地球的低軌衛星網組成的全球衛星移動通信系統，最顯著的特點是星際鏈路和極地軌道，無論在哪里都能保證通信的信號強度和可靠性，不受天氣、高度、電離層、距離等因素的制約。銥星突發短數據傳輸(SBD)的通信費用相比地面其他的移動通信系統相對來說高一些，但是在特殊地區、特殊行業、特殊環境下利用銥星SBD實現數據傳輸仍然是相當經濟的[3～5]。

北斗衛星系統覆蓋范圍現已擴大到亞太地區，除了導航、授時服務外，還擁有GPS等其它衛星導航系統所不具備的雙向通信功能。雙向通信功能可完成：1)浮標監測數據的上傳：浮標通過GPS傳感器采集波浪數據，之后通過北斗用戶機發往岸站數據接收終端。2)個性信息點對點通信：遇突發情況可以對單個浮標發送指令，浮標在收到指令后可以執行相應的操作。3)共性信息廣播通信：針對共性信息，可以通過廣播的方式將同一信息發送至所有下屬的北斗用戶機[6]。

1GPS波浪浮標

由于Argos和銥星系統的數據傳輸均要先通過國外的數據處理中心，經處理之后再分發給國內用戶，數據的安全性從根本上得不到保證。此外，其中的關鍵技術均由他人掌握，先天存在應用瓶頸。因此，出于對數據安全性、海上實際應用場合以及資費等方面的綜合考慮，本文設計的深遠海GPS波浪浮標[7]的數據傳輸方式優先選擇了北斗衛星系統。

1.1系統構成

GPS波浪浮標主要由GPS傳感器、硬件電路板和北斗通信模塊三部分組成，其系統構成如圖1，其中硬件電路板由電源和控制系統組成。

圖1　GPS波浪浮標的系統構成Fig 1　System constitution of GPS wave buoy

GPS波浪浮標布放后，硬件電路會通過接口按照預定的采樣間隔打開GPS傳感器電源，接收來自GPS傳感器采集的原始數據存儲至硬件電路板外擴SRAM中，待達到既定的采集點數之后，關斷GPS傳感器電源，硬件電路板中的ARM微控制器從SRAM讀取原始數據并計算波浪參數，計算完成后，打開北斗通信模塊電源，將計算結果通過接口發送給北斗通信模塊，最后北斗通信模塊以短消息的方式發送至岸站接收系統。

1.2硬件電路設計

為了滿足GPS波浪浮標信號處理、數據通信以及各模塊電源開關控制的要求，硬件電路板主要由ARM微控制器、系統電源、系統復位、外部時鐘、SRAM、外部傳感器和通信模塊電源控制等模塊構成，設計框圖如圖2。

圖2　硬件電路設計框圖Fig 2　Design block diagram of hardware circuit

其中，ARM微控制器是整個系統的核心，扮演著計算器和控制器的雙重角色，控制著整個系統各模塊的正常運行；系統電源為微控制器、外部傳感器及通信模塊提供電源；外部時鐘為微控制器提供RTC和系統時鐘；SRAM用來存儲GPS原始數據；外部傳感器和通信模塊的電源控制模塊用于微控制器實現對外部傳感器和通信模塊的電源控制；系統復位用于系統工作異常時系統強制產生復位信號；電平轉換、外部傳感器及通信接口實現ARM微控制器與外圍設備的正常通信。

硬件電路板的主芯片和外圍電路元器件均采用工業級器件，并且整機電路板通過了環境實驗，可以在-5～45 ℃正常工作。

1.3測量原理與數據傳輸流程

GPS波浪浮標利用GPS衛星信號的多普勒頻偏原理測量浮標的運動狀態，進而反演出波浪譜，最后由波浪譜計算出波浪的特征值數據并把特征值數據存儲和發射。

為了降低系統的功耗，設計中優化了各模塊的電源控制，增加了電源控制模塊，實現系統各模塊的分時分段工作，其測量與數據傳輸流程如圖3所示。

圖3　測量與數據傳輸流程Fig 3　Process of data measurement and transmission

系統上電，待系統電源電壓穩定之后，ARM微控制器通過開關控制模塊給GPS傳感器供電，2 min后(留給GPS搜星的時間)，開始采集GPS原始數據，待GPS傳感器采集到足夠的數據或者預先設定時間到，ARM微控制器關斷其電源，進行下一步的波浪計算。

ARM微控制器讀取GPS原始數據并計算波浪數據，計算完成之后ARM微控制器打開北斗通信模塊電源，2 min后開始發送波浪數據，交互式發送成功之后ARM微控制器關斷北斗通信模塊的電源。

系統上電之后，GPS波浪浮標由RTC(采用GPS時鐘)控制整點測量的時間。此外，為了避免程序跑飛和死機等情況的出現，系統設計采用了兩種策略[8]：一是在內核代碼中加入軟件看門狗功能；二是硬件設計上增加了系統復位電路。

2實驗測試

2.1實驗室實驗

2013年9月，進行了為期15天的實驗室拷機實驗，其間經歷了陰天雷雨天氣等對衛星數據傳輸影響較大的狀況，期間浮標一共發送了360組整點波浪測量數據(均是靜態情況下測得的噪聲數據)，岸站接收了360組數據，數據傳輸成功率達100 %。

2.2現場海上試驗情況

2013年10月，西太平洋秋季航次中，在臺灣東部海域布放了2套GPS波浪浮標，它們在工作過程中經歷了KROSA(羅莎)和海燕兩次臺風過程。本文以臺風KROSA經過時GPS波浪浮標的通信情況為例做相應的分析。圖4清楚地表示了臺風KROSA前進路徑與GPS波浪浮標漂流軌跡之間的相對位置。

圖4　臺風KROSA前進路徑與GPS波浪浮標漂流軌跡之間的相對位置Fig 4　Relative position between forward track of typhoonKROSA and drifting trajectory of GPS wave buoy

本文選取2013年10月30日18：00～2013年11月5日14：00(共141個整點)臺風KROSA過境期間GPS波浪浮標系統通過北斗衛星系統上傳的波浪數據作分析，如圖5。

圖中,GPS波浪浮標一共接收到140組波浪數據，僅僅在2013年11月1日5：00丟了一組數據，數據傳輸有效率達99.3 %。

3結論

1)通過設置合適的浮標采樣間隔，利用北斗衛星系統雙向通信功能，保證數據傳輸的有效性。

2)浮標內部硬件電路板有電源控制管理模塊，控制各模塊的工作模式，優化電源分配，最大程度的降低系統功耗。

3)浮標具有雙向通信功能，可以遠程設置浮標工作狀態，滿足不同海域的觀測要求。

4)浮標具有隱蔽觀測功能，浮標尺寸小，結構上融入了撞擊緩沖設計，在深遠海中隱蔽、安全性高。

參考文獻:

[1]李文彬,張少永,商紅梅,等.基于新一代Argos衛星系統的表面漂流浮標設計[J].海洋技術,2011,30(1):1-4.

[2]Guigue M.PMT RFM—YTR—3000 user manual[DB/OL].[2010—10—02].http:∥www.cls.fr.

[3]Miguel Martínez Ledesma.Development of an oceanographic drifter with IRIDIUM bi-directional communication capability[D].Palma(Jlles Balears):University of Balearic Islands,2012:1-51.

[4]張曙偉,王秀芬,齊勇.銥星數據通信在海洋資料浮標上的應用[J].山東科學,2006,19(5):16-19.

[5]琚汝強,劉敬彪,于海濱.基于銥星的浮標遠程監測與數據傳輸系統[J].嵌入式技術,2010,26(12):36-39.

[6]李文慶,付曉,王文彥,等.北斗二代衛星導航系統在海洋資料浮標監控與管理中的應用[J].山東科學,2012,25(6):21-26.

[7]JJ de Vries.Designing a GPS-based mini wave buoy[J].International Ocean System,2007(7):21-23.

[8]彭偉,徐俊辰,杜玉杰,等.基于北斗系統的海洋環境監測數據傳輸系統設計[J].海洋技術,2009,28(3):13-15.

黨超群(1987-)，男，安徽碭山人，碩士研究生，助理工程師,研究方向為海洋觀測技術。

Research on data transmission of deep and remote sea GPS wave buoy based on BeiDou satellites system*

DANG Chao-qun, ZHANG Suo-ping, QI Zhan-hui, LI Ming-bing, SUN Dong-bo

(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

Abstract:GPS wave buoy designed by National Ocean Technology Center just requires a GPS receiver without any extra sensors,it has characteristics of low power consumption,small size,easy to deploy,high measurement precision and suitable for wave measurement in large-scale and meticulous ways.In order to solve problem of deep and remote sea GPS wave buoy data transmission,by comparing characteristics of three kinds of satellites system of Argos,Iridium and BeiDou,this device gives priority to adopt BeiDou satellites system to transmit data.System constitution,hardware circuit design,measurement datas and data transmission flow are separately described in detail.Through laboratory and field test,specifically when GPS wave buoy is under the situation of harsh environment,such as typhoon,it is proved that the BeiDou satellites system can be used in deep and remote sea data transmission and its reliability is verifies.

Key words:BeiDou satellites system; deep and remote sea; GPS wave buoy; data transmission

作者簡介:

中圖分類號：TP 391

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)01—0046—03

*基金項目：國家自然科學基金資助項目(41406114)；天津市自然科學基金資助項目(13JCQNJC03800，12JCQNJC02400)

收稿日期：2015—04—09

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0046—03