基于北斗通信的多參數(shù)錨碇浮標(biāo)設(shè)計*

孔衛(wèi)奇， 楊志勇， 馬尚昌,3， 龍永良

(1.成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 610225；2.華云升達(北京)氣象科技有限責(zé)任公司，北京 102299；3.中國氣象局 大氣探測重點開放實驗室，四川 成都 610225)

基于北斗通信的多參數(shù)錨碇浮標(biāo)設(shè)計*

孔衛(wèi)奇1， 楊志勇2， 馬尚昌1,3， 龍永良1

(1.成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 610225；2.華云升達(北京)氣象科技有限責(zé)任公司，北京 102299；3.中國氣象局 大氣探測重點開放實驗室，四川 成都 610225)

利用我國自主研發(fā)的北斗通信系統(tǒng)，在參考地面氣象觀測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種集成多種傳感器的海洋氣象水文浮標(biāo)。以錨系浮標(biāo)體為工作平臺，建立海洋氣象、海洋水文及海洋水質(zhì)綜合觀測系統(tǒng)。在北斗衛(wèi)星通信覆蓋的海域范圍內(nèi)，實現(xiàn)定點、長期、連續(xù)、安全、準(zhǔn)確地收集海洋氣象、水文及水質(zhì)數(shù)據(jù)資料，并將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)桨痘鶖?shù)據(jù)處理中心。

北斗通信； 傳感器； 氣象水文； 錨系浮標(biāo)； 數(shù)據(jù)處理

0 引 言

相比于地面氣象觀測，由于海洋環(huán)境較為特殊性原因，海洋觀測發(fā)展相對落后，雖然近幾年來開展了一些海洋觀測項目，但是觀測布網(wǎng)站點少、觀測范圍及觀測要素等遠不及陸地觀測[1]。因此，對浮標(biāo)設(shè)計研究是十分必要的。

在眾多海洋觀測儀器設(shè)備中，海洋浮標(biāo)具有顯著地優(yōu)勢，環(huán)境適應(yīng)性強、 觀測數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確等[2]。本文設(shè)計集成多傳感器的海洋氣象水文浮標(biāo)，該錨系浮標(biāo)搭載各種要素傳感器，采集要素包括海洋氣象、海洋水文等眾多要素，運用我國自主研發(fā)的北斗通信系統(tǒng)， 實現(xiàn)實時通信，提高敏感海域、重要海域的測量數(shù)據(jù)安全性[3]，對于支撐國家海洋發(fā)展戰(zhàn)略和氣象觀測業(yè)務(wù)發(fā)展，建設(shè)海洋強國，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)組成

浮標(biāo)系統(tǒng)是海洋氣象浮標(biāo)觀測系統(tǒng)中的設(shè)備安裝搭載工作平臺，集成為海洋水文氣象浮標(biāo)自動監(jiān)測系統(tǒng)，以10 m海洋錨系浮標(biāo)為基本配置，系統(tǒng)組成如圖1。浮標(biāo)平臺由浮標(biāo)體與錨泊系統(tǒng)組成。浮標(biāo)體是傳感器、數(shù)據(jù)采集及通信等設(shè)備在海上的搭載平臺。浮標(biāo)平臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖2，由浮標(biāo)體和錨泊系統(tǒng)組成，錨泊系統(tǒng)將浮標(biāo)體錨泊與固定在規(guī)定海域。錨泊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式有全鏈?zhǔn)綉益溇€狀錨系(淺水區(qū))、鏈纜混合的半張緊狀錨系(中深水區(qū))和鏈纜混合式倒S狀錨系(深水區(qū))，根據(jù)不同的布放深度和海域可以選用其中一種錨泊結(jié)構(gòu)形式。

圖1 系統(tǒng)組成Fig 1 System composition

圖2 浮標(biāo)平臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2 Schematic diagram of buoy platform structure

1.1 浮標(biāo)體外觀設(shè)計

浮標(biāo)體直徑10 m，采用整體全焊接鋼結(jié)構(gòu)，6個體積同為13.8 m3的浮力艙包圍著儀器艙與電池艙。浮力艙的水密隔壁、甲板和底部骨架呈放射性布置；儀器艙與電池艙內(nèi)外圍的水密隔壁成圓筒狀；桅桿也呈圓筒狀，且從甲板直至底板。全部板材和骨架形成一個封閉的連續(xù)性結(jié)構(gòu)。浮標(biāo)體全部采用優(yōu)質(zhì)船用碳素鋼CCSB建造。在計算浮標(biāo)穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)過程中，為確保在極限條件下生存，穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)K均大于等于1；其設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖3。

圖3 浮標(biāo)平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig 3 Structure design of buoy platform

在浮標(biāo)舷側(cè)設(shè)有2周護舷材，能增加抵抗碰撞的能力。如果浮標(biāo)遭到撞擊，首先撞擊的是浮標(biāo)的護舷材，其次是個別浮力艙。即使某個浮力艙破損進水，仍有水密艙壁阻隔，電池艙內(nèi)的蓄電池及儀器艙內(nèi)的儀器設(shè)備都不會被水浸沒，浮標(biāo)仍安全地浮在水面，不至于傾覆。在浮標(biāo)體上安裝配置錨燈、雷達反射器、避雷針及AIS等必要的安全設(shè)備，以保障浮標(biāo)系統(tǒng)在海上的安全運行[4]。

根據(jù)浮標(biāo)上安裝的水下監(jiān)測設(shè)備，在浮標(biāo)外圍浮力艙內(nèi)開設(shè)3個設(shè)備安裝井，分別安裝海流、水質(zhì)等傳感器。浮標(biāo)艙門開啟新設(shè)計2種難以仿制的特殊的專門工具，以增加非法登標(biāo)人員開啟艙門的難度。浮標(biāo)桅桿、舷側(cè)及甲板部分增加對漁民進行保護資料浮標(biāo)的宣傳內(nèi)容和警告標(biāo)志。在甲板之上設(shè)有3個拖曳、起重眼板以方便拖帶和起吊浮標(biāo)體，設(shè)計3個系纜樁及導(dǎo)纜孔以方便浮標(biāo)的岸邊系纜及拖帶作業(yè)。以上設(shè)計保證了浮標(biāo)的穩(wěn)性、強度和安全要求。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成對傳感器獲取的各種數(shù)據(jù)處理，測量數(shù)據(jù)的綜合分析處理，形成定時觀測數(shù)據(jù)報告；海洋氣象傳感器通過測量通道接入，完成氣象數(shù)據(jù)測量采樣；海洋水文水質(zhì)觀測數(shù)據(jù)通過專門設(shè)置的海洋水文觀測分采集器獲取水文水質(zhì)數(shù)據(jù)；狀態(tài)監(jiān)測實時監(jiān)測整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并存儲運行狀態(tài)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)通信終端設(shè)備通過串口接入采集器，為采集器提供數(shù)據(jù)傳輸通信功能。采集器系統(tǒng)總體電路框圖如圖4。

圖4 采集器電路框圖Fig 4 Block diagram of collector circuit

主采集器和分采集器的微處理器分別采用ARM9與ARM7。

1.3 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)以12 V蓄電池為主電源，以太陽電池能和風(fēng)能為互補方式提供輔助電源，對蓄電池進行浮充，蓄電池的設(shè)計容量滿足觀測系統(tǒng)在脫離輔助電源的條件下連續(xù)工作7天以上。在蓄電池電壓低到不足以維持符合質(zhì)量要求的觀測工作前發(fā)出報警信息。采用雙路供電系統(tǒng)方式，保證電源系統(tǒng)的可靠運行。電源系統(tǒng)工作環(huán)境要求-25～+65 ℃。由于電源系統(tǒng)安裝放置在浮標(biāo)體的設(shè)備艙之內(nèi)，在太陽直接照射在浮標(biāo)甲板上時，儀器場內(nèi)溫度比較高，電源供電系統(tǒng)必須滿足在高溫+65 ℃以上時，保持正常充放電處理的需求。

供電系統(tǒng)設(shè)置有過充、過放、負載短路等保護裝置，設(shè)置有瞬時充擊、干擾(如雷電、瞬間短路等)的消除裝置，設(shè)置有自檢電路。

供電采用雙路太陽能供電方式，每路太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計采用1～2組50～80 W太陽能電池板，配1～2塊65～100 Ah蓄電池，構(gòu)成太陽能電源系統(tǒng)，輸出12 V直流，為系統(tǒng)設(shè)備提供電源。通過自動切換控制電路選擇其中儲存電容量高度一路電源系統(tǒng)輸出供電，另外一路則進入充電狀態(tài)。兩路供電系統(tǒng)交替提供電源供電。如果某一路電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障則完全由一路電源系統(tǒng)進行供電，并將發(fā)出電源故障報警。

1.4 通信系統(tǒng)

海洋浮標(biāo)的投放地點都是海上，包括遠海地區(qū)。為了滿足實時遠距離通信，觀測數(shù)據(jù)實時上傳，選擇以國產(chǎn)北斗衛(wèi)星通信為主通信手段，每個海洋測站端配置北斗通信終端通信單元，將測站數(shù)據(jù)上傳至北斗衛(wèi)星。北斗衛(wèi)星將測站上傳的數(shù)據(jù)分別傳至用戶指定的指揮通信機和地面總站[5]。在岸基數(shù)據(jù)處理中心配置指揮通信機，接收有北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)過來的個測站的觀測數(shù)據(jù)，由中心處理服務(wù)器接收、入庫。在配置的測站數(shù)目不是太多的情況下，也可以才用北斗通信終端代替指揮機。北斗衛(wèi)星通信的通信帶寬限制不大于70字節(jié)/min。除了主通信信道之外，可根據(jù)布設(shè)海域的手機信號狀況，特別是在近海地區(qū)，手機信號可以覆蓋的地方，可以選擇GPRS通信方式作為輔助備份的數(shù)據(jù)通信方式。由于北斗衛(wèi)星通信的帶寬限制為小于等于70字節(jié)/min。所以,海洋檢測站的的數(shù)據(jù)通信頻率選擇為每10 min通信一次。空余時間用于發(fā)送報警數(shù)據(jù)和中心站主動補傳數(shù)據(jù)。

北斗通信終端安裝在浮標(biāo)上支架立桿頂部，通過RS—232傳輸信號線與主采集器系統(tǒng)的RS—232主通信端口連接。部件的安裝設(shè)計采用密封防水方式，電纜及連接器不外露。指揮機數(shù)據(jù)接收單元放置在室內(nèi)，通過RS—232接口方式，與接收服務(wù)器連接。在特殊應(yīng)急應(yīng)用情況下指揮機也可以采用車載方式。指揮機數(shù)據(jù)接收單元的蘑菇形全向天線安置在無遮擋的建筑物外部，通過20～100 m的電纜與指揮機連接。

1.5 地面數(shù)據(jù)處理中心

按照海洋監(jiān)測站布設(shè)投放的地理坐標(biāo)，劃分區(qū)域，并與目前地面氣象觀測業(yè)務(wù)相融合，選擇設(shè)立岸基數(shù)據(jù)區(qū)域數(shù)據(jù)中心[6]。區(qū)域內(nèi)的所設(shè)置的海洋浮標(biāo)監(jiān)測站通過主通信方式，并以輔助通信方式作為備份，將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到區(qū)域數(shù)據(jù)中心，由區(qū)域數(shù)據(jù)中心服務(wù)器接收測站觀測數(shù)據(jù)、直接并入本地地面海洋觀測業(yè)務(wù)系統(tǒng)中。每個數(shù)據(jù)中心配置一臺北斗衛(wèi)星通信指揮機，用于接收區(qū)域內(nèi)個子站傳輸?shù)膶崟r觀測數(shù)據(jù)。在區(qū)域內(nèi)的子站不多的的條件下，亦可選用北斗通信終端機代替北斗指揮機作為主接收單元。如果選擇北斗通信終端機代替北斗通信指揮機，則不能完成向多測站同時發(fā)送控制命令的功能；如果選擇開通備份通信方式，則需要配置輔助通信接收單元設(shè)備。每個數(shù)據(jù)中心配置一臺數(shù)據(jù)接收服務(wù)器，通過配置的數(shù)據(jù)接收終端接收各測站的實時觀測數(shù)據(jù)。

中心站數(shù)據(jù)接收處理軟件是在CAWSAnyWhere區(qū)域站自動站統(tǒng)一版數(shù)據(jù)收集平臺軟件基礎(chǔ)之上，改進增加海洋監(jiān)測站數(shù)據(jù)接收處理。

2 系統(tǒng)測試

浮標(biāo)系統(tǒng)是在海洋環(huán)境下，歷時6個月的測試，滿足觀測需求，實現(xiàn)多參數(shù)氣象水文實時監(jiān)測；岸基數(shù)據(jù)處理中心軟件不僅可以實時觀察浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)，而且運用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，點擊某個站點可以查看任意時段的歷史觀測數(shù)據(jù)。中心站實時數(shù)據(jù)接收處理軟件監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖5所示。中心站實時通過岸基數(shù)據(jù)處理中心可以實時觀測浮標(biāo)狀體，當(dāng)某個站點通信中斷時，其站點圖標(biāo)顯示如圖6中的中山二號，警告狀態(tài)。對于及時遠程重啟維護及現(xiàn)場維修具有實際意義。

圖5 實時數(shù)據(jù)監(jiān)測圖Fig 5 Real-time data monitoring

圖6 運行狀態(tài)監(jiān)測圖Fig 6 Operation condition monitoring

3 結(jié) 論

基于北斗通信的多參數(shù)浮標(biāo)，采用地面氣象業(yè)務(wù)中應(yīng)用的新型自動站所使用的主采集器和分采集器，集成海洋氣象、海洋水文多要素傳感器，實現(xiàn)海洋氣象與海洋水文輸?shù)木C合探測，北斗通信覆蓋范圍廣，實現(xiàn)遠海數(shù)據(jù)探測，供電系統(tǒng)采用太陽能風(fēng)能互補供電，最大限度地延長系統(tǒng)運行時間。同時采集器控制北斗通信終端自動定時發(fā)送觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中心站對接收到的數(shù)據(jù)進行處理分析并存儲，為海洋開發(fā)利用提供寶貴的數(shù)據(jù)資料，特別對填補遠海探測數(shù)據(jù)具有重要意義。

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Design of multi-parameter moored buoy based on Beidou communication*

KONG Wei-qi1, YANG Zhi-yong2, MA Shang-chang1,3, LONG Yong-liang1

(1.College of Electrical Engineering,Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225,China; 2.Hua Yun Sheng Da(Beijing)Meteorological Science and Technology Co Ltd,Beijing 102299,China; 3.Key Laboratory of Atmospheric Sounding,CMA,Chengdu 610225,China)

On the basis of ground meteorological observation system,design a kind of marine meteorological and hydrological buoy integrated with a variety of sensors,which uses the Beidou satellite as communication system. Moored buoy serves as work platform to establish marine meteorological,hydrological and water quality comprehensive observation system.In the Beidou coverage area, complete fixed-point,long-term,continuous,safe,accurate collection of marine meteorological,hydrological and water quality data, the system real-time transmits data to shore base data processing center.

Beidou communication; sensor; meteorology hydrology; moored buoy; data processing

10.13873/J.1000—9787(2016)07—0080—03

2016—05—03

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項項目(2014YQ110787)

TP 715.2

A

1000—9787(2016)07—0080—03

孔衛(wèi)奇(1989-)，男，河南鹿邑人，碩士研究生，研究方向為大氣探測技術(shù)。