北斗衛星導航系統在波浪能自供電海洋浮標中的應用

王世明,田園,田卡

(上海海洋大學 工程學院,上海 201306)

0 引 言

隨著海洋裝備技術的發展,目前人類在海上的活動越來越頻繁,也因此帶來了一些需求問題,如海洋氣候數據的監測、報告等。一般的海洋監測站都建立在沿海或者海島上,因此只能監測到沿海或者海島的臨近海域情況,如果需要遠洋的監測,那么監測站是無法勝任的。目前較為成熟和廣泛使用的遠洋監測手段是海洋浮標[1]。北斗衛星導航系統所具備的精確定位、精密授時和短報文通信功能可以很好地解決海洋浮標定位、授時和海洋氣候監測數據傳輸的問題,通過北斗系統進行雙向報文通信,不僅可以實現岸站對海洋浮標傳統的信息采集功能,也可以實現岸站終端對浮標的遙控功能[2]。本文基于北斗衛星導航系統設計了一款波浪能自供電的海洋浮標,通過自供電延長浮標壽命與工作穩定性的同時,也可以監測海洋環境與浮標自身狀態,為海洋環境監測提供幫助。

1 波浪能自供電浮標結構及運行原理

海洋浮標能夠全天候、全天時、可靠穩定地收集海洋環境信息。海洋浮標分為水上與水下兩個部分,水上部分一般安裝各種收集氣象要素的傳感器,如風速傳感器、風向傳感器、溫度傳感器等,水下部分則一般安裝各種收集水文要素的傳感器,如海溫傳感器、鹽度傳感器、海流傳感器等。海洋浮標目前一般使用蓄電池對傳感器進行供電,為延長工作壽命,一般增加蓄電池的個數或者體積[3],這樣就導致浮標的自身重量增加,不利于浮標的布放與回收工作,而且海洋浮標一般遠離大陸,對于電池的更換非常麻煩且耗費人力與物力。本文設計的搭載波浪能發電裝置的自供電浮標,就是為了解決海洋浮標電能供應的問題。波浪能自供電海洋浮標的結構示意圖如圖1所示。

浮標中的波浪能發電裝置基本結構如圖2所示,其套筒中設有兩組發電結構組件,每組結構組件一端伸入中空浮子,通過齒輪機構與發電機相連,另一端連接雙向葉輪。裝置中葉輪、轉軸、齒輪、發電機順序連接,通過葉輪的轉動把波浪能的重力勢能轉化成動能,葉輪在旋轉的同時,通過旋轉帶動連動軸上的內部齒輪,內部齒輪又帶動發電機的齒輪,產生的機械能由此轉變為電能,通過發電機產生的電能經過蓄電池附帶的電能處理電路進行處理后儲存在蓄電池中,再通過蓄電池向浮標上搭載的各類傳感器提供穩定持續的電能。

2 北斗衛星導航系統在海洋浮標上的應用

北斗衛星導航系統(BDS),是由中國自主建設、獨立運行的全球范圍的衛星導航系統,是繼美國GPS、俄羅斯GLONASS之后,較為成熟的衛星導航系統[4]。

如圖3所示,北斗衛星導航系統主要由三個部分構成,一是太空中的北斗導航衛星,二是北斗地面控制端,三是北斗用戶終端設備。北斗系統空間衛星端的作用主要是作為中轉站,全天候全天時的中繼并傳播自用戶終端和地面控制端的無線電信號[5];地面控制端是整個北斗衛星導航系統的控制與管理中樞,所有傳輸的數據計算處理都是在地面控制端完成;用戶終端設備是北斗用戶直接使用的裝置,用于接收地面控制端通過空間衛星端轉發的信號。實現精確定位、精密授時和短報文通信。

北斗衛星導航系統以其可定位,可雙向通信的特點,在國內的海洋浮標中廣泛運用[6]。北斗衛星導航系統短報文通信服務可實現雙向通信,設備及通信費用低,不僅能傳輸浮標的監測數據,也可對浮標進行個性信息點對點通信或者共性信息廣播通信,以做到對浮標的調整和遙控。每個海洋浮標搭載的北斗終端設備均擁有唯一的標識ID卡號的IC卡,用以作為入網許可與用戶身份認證[7]。一般海洋浮標搭載的北斗終端為民用型北斗終端。

3 基于北斗衛星導航系統的通信系統組成及通信過程

3.1 系統組成

基于北斗衛星導航系統的浮標通信系統主要包括浮標部分和岸站部分。波浪能自供電海洋浮標部分包括北斗/GPS雙模一體式普通型用戶機(放置于波浪能自供電海洋浮標頂端)以及浮標內部的通信模塊,通信模塊包括指令接收模塊、狀態報告模塊與控制模塊。北斗用戶終端負責對浮標進行定位和傳遞浮標傳感器的監測數據信息,指令接收模塊負責解析北斗用戶終端接收到的浮標控制指令信息,狀態報告模塊負責收集浮標傳感器數據[8],控制模塊則根據岸站接收系統發送的浮標控制指令對浮標狀態進行控制。

浮標部分的主要功能是通過浮標搭載的各類傳感器監測目標海域的環境情況,并且將傳感器的監測數據傳遞給岸站接收系統。

岸站部分由北斗用戶終端、岸站地面控制中心和岸站接收系統構成。北斗用戶終端負責接收北斗衛星傳遞的浮標數據信息和向北斗衛星傳遞岸站發出的浮標控制指令,岸站地面控制中心負責按照指定的數據通信協議對接收與發送的數據進行解析與加密,岸站接收系統負責數據信息的顯示與發出控制指令。

岸站部分的主要功能是接收浮標發送的監測數據并根據監測情況對浮標發出控制指令。

3.2 數據通信過程

本波浪能自供電海洋浮標其通信系統主要采用了北斗系統的精確定位、精密授時與短報文通信功能。該通信系統在控制方式下,用于傳遞岸站系統發送的浮標狀態控制信息(包括檢查蓄電池電量,開/閉傳感器等);在監測方式下,對浮標進行精確定位、時間校準,同時傳遞海洋浮標上的傳感器(包括溫度傳感器、鹽度傳感器、風速傳感器等)收集的海洋監測數據。

浮標上搭載的北斗/GPS雙模一體式用戶機接收來自北斗衛星的浮標控制信號,并將接收到的浮標控制信號傳遞給浮標中的指令接收模塊,指令接收模塊根據制定的數據通信協議提取浮標控制指令,然后將指令發送給控制模塊,控制模塊依據指令對浮標進行控制;浮標的實時信息(如蓄電池電量、傳感器狀態,位置信息等)則會通過狀態報告模塊根據制定的數據通信協議進行處理,并將處理過后的數據通過北斗/GPS雙模一體式用戶機發送給北斗衛星。

岸站部分的北斗用戶終端接收來自北斗衛星的信號,并將接收到的數據信息傳遞給岸站地面控制中心,岸站地面控制中心根據制定的數據通信協議解析接收到的數據信息,并將解析后的數據發送至岸站接收系統,岸站接收系統可以將其中的關鍵數據(如蓄電池電量,傳感器狀態,位置信息等)通過配套軟件進行展示與記錄,并可通過目前浮標的實時狀態對浮標發出控制指令(如檢查蓄電池電量,開/閉傳感器等),控制指令通過岸站地面控制中心按照制定的數據通信協議進行處理后,通過北斗終端發送給北斗衛星。

圖4所示為海洋浮標與岸站部分雙向通信結構示意圖。

3.3 數據通信協議簡介

1) 北斗用戶終端數據通信接口

岸站部分北斗用戶終端通過RS232串口與電腦連接,進行數據通信。其波特率默認9600 bps,1 bit開始位,8 bit數據位,1 bit停止位,無校驗。岸站部分的北斗用戶終端接口和接收系統之間的數據傳輸具有命令狀態、通信狀態以及北斗協議狀態,系統通過命令狀態向北斗終端發送和接收命令。

浮標部分北斗/GPS雙模一體式用戶機通過RS232串口連接浮標部分的通信模塊,由于RS232信號的電平與基于單片機設計的浮標通信模塊之間電平不一致,因此需要在中間接入MAX232電路進行電平轉化,轉化后的串行信號TXD、RXD可以直接與單片機相連。

2) 數據通信協議簡介

本文中的波浪能自供電海洋浮標通過北斗衛星導航系統傳輸各種水文與氣象數據,而北斗衛星導航系統每次的報文通信長度有限,而且兩次通信之間有間隔,因此采用由中國海洋大學黎明、時海勇提出的“位拼接-LZW”雙重壓縮機制[9]對數據進行有效壓縮,并根據不同的實際情況分包發送數據。

一般情況下,每一次傳輸的數據由兩包數據包進行傳輸,也就是156字節的數據。為簡化編碼,數據通信協議以字節為單位使用BCD碼,每包的數據信息包括包的個數,包的序號等。

4 基于北斗衛星導航系統的浮標通信系統實際應用

波浪能自供電海洋浮標岸站接收系統主界面如圖5所示,它是利用LabVIEW進行開發的軟件,其功能是對海洋浮標工作狀態、以及搭載的各種傳感器進行顯示和記錄,內置報警系統,當設定某監測數值超出或者低于設定數值時,系統報警。本次波浪能自供電海洋浮標投放位置為上海蘆潮港附近,通過北斗衛星導航系統可以準確地定位浮標所在位置。

基于北斗衛星導航系統短報文通信功能的浮標傳感器監測數據也可正常接收信息,如風速傳感器數據如圖6所示,波浪壓感傳感器數據如圖7所示,表明自供電海洋浮標可以正常將監測信息與定位信息,成功通過北斗衛星導航系統進行傳輸。

5 結束語

北斗衛星導航系統是由我國獨立自主研發的具有精確定位、精密授時和短報文通信功能的衛星導航系統,對于國內用戶來說,北斗衛星導航系統可靠性強,保密性優,性價比高,北斗衛星導航系統在海洋監測浮標上的應用,為我國的海洋監測技術提供了新的選擇,為把我國建設成為海洋強國打下了堅實的基礎。本文設計了一種利用北斗衛星導航系統進行定位與信息傳輸的波浪能自供電海洋浮標,為全天時、全天候穩定運行的海洋監測裝備研制提供了新的思路。