一種低功耗海洋定位信標的研制與應用

姜靜波, 劉慶奎, 于 非, 3, 4, 陳永華, 倪佐濤

一種低功耗海洋定位信標的研制與應用

姜靜波1, 2, 劉慶奎1, 2, 于 非1, 2, 3, 4, 陳永華1, 2, 倪佐濤1, 2

(1. 中國科學院 海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院 海洋大科學研究中心, 山東 青島 266071; 3. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋動力過程與氣候功能實驗室, 山東 青島 266237; 4. 中國科學院 海洋環流與波動重點實驗室, 山東 青島 266071)

研制了一種低功耗的定位信標, 用于長期服役于水下的海洋儀器回收出水后的定位搜尋工作。信標基于GPS射頻組件開發, 與儀器固定在一起, 待整體浮出水面后, 會啟動位置信號發送程序, 通過電信網絡, 將該信標的實時位置發送至終端。經測試表明, 信標性能可靠, 可為海洋儀器的安全工作和順利回收提供保障。

低功耗; 定位; 信標

海洋學研究、海洋工程建設、海洋軍事活動和資源調查, 都是基于海洋環境監測, 特別是對海洋動力環境進行長期、定點、實時、立體監測。海床基、潛標觀測系統工作于水下, 具有隱蔽性能好、維護周期長等優點, 用于進行定點海洋環境監測。由于海床基、潛標觀測系統通常集成了很多昂貴的測量儀器, 也存儲了大量寶貴的數據, 因此在其布放前必須考慮的問題之一就是后期如何實現系統可靠回收[1]。為解決上述問題, 科學家將信標機集成于需要布放下水的觀測系統中, 在回收作業時起到定位作用, 同時也能在系統遭受意外破壞浮出水面后, 起到提示和報警作用。

信標機是一種能夠向外界傳送特定標識信號的儀器設備[2], 在符合啟動條件后, 會自動發送無線電或位置信號, 被外界所感知。早期的信標多以無線電信號發射為主[3], 在觀測系統浮出海面后, 信標信號在一定范圍內被終端探測到, 回收人員根據各個方向的信號強弱, 判斷信標的方位, 沿著信號強的方向逐步去搜尋目標, 但無法獲取目標的準確經緯度, 且通信距離有限, 往往局限在10海里范圍內。隨著移動互聯網絡、衛星網絡的發展, 新一代信標產品均集成了定位芯片和衛星發射天線, 在觀測系統浮出海面后, 信標可以通過網絡將準確的位置傳送給接收機或者固定的網絡地址[4-6]。回收人員可以直接前往目標海區, 完成系統的回收工作。市場上比較成熟的信標產品如表1所示。

表1 國際上成熟的信標產品列表

隨著海洋觀測范圍的擴大, 目前世界主流的信標產品全部采用了覆蓋全球的銥星系統作為信號傳輸介質, 可服務于深海大洋和極地的水下觀測。大多數信標均自帶壓力傳感器, 依靠水壓值作為啟動的信號開關[7-9]。下水布放之前, 信標會固定到觀測系統的頂部架體上, 啟動物理開關或電磁開關, 信標處于工作狀態; 下水后, 信標內部壓力傳感器測得水壓值大于信標設定的水壓值(設定值通常小于1dbar)時, 信標停止工作, 并隨觀測系統繼續下潛到一定深度, 完成長時間的定點觀測; 當觀測系統處于回收階段時, 信標機隨著系統上浮, 露出水面后, 測得水壓值小于設定值時, 信標開始工作, 發送位置信號。終端可以在獲取信標機發送的坐標數據后, 快速便捷地搜索到需要回收的觀測系統, 實施回收工作。

上述產品雖然可以在全球海域使用, 但價格昂貴, 且在搜尋衛星以及傳送信號過程中的能耗較高, 因此主要應用于布放于深海大洋中的高成本復雜觀測系統中。在一些近岸或者低成本的觀測載體上, 滿足觀測海區定位和通信需求的低功耗信標產品更具備競爭力, 本文定位于中國近海的水下定點觀測, 設計了一種基于北斗和移動電信網絡的低功耗、低成本、啟動方式特殊的海洋定位信標, 主要服務于海洋牧場建設、海岸工程建設和近海海洋動力過程研究等領域。

1 系統設計方案

有別于目前主流的信標啟動方式, 本文提到的信標依靠電極短路和開路操作完成其工作的轉換。信標系統由信標發射機和信標接收軟件組成。信標發射機包含由控制模塊、電源模塊和天線模塊; 信標接收軟件具備終端顯示功能、目標定位功能和信息提示功能。系統整體組成如圖1 所示。

圖1 信標系統組成

1.1 信標發射機設計

信標機從結構上細分為艙體頂部端蓋、電極、主艙體、信標機主版、電池及艙體底部端蓋。信標機外部殼體包括上下兩個端蓋, 主艙體, 采用聚四氟乙烯材料加工而成。主艙體采用圓筒形結構, 圓筒形結構有助于減小海水對艙體的阻力, 徑向耐壓性能好, 同時也便于加工。頂部端蓋外部有兩個金屬電極, 用于觸發內部的控制電路。

主艙體設計了長度為28 cm的4組串聯電池艙, 單塊電池需滿足D型標準1號電池的外觀標準, 即高度為59.0 mm±0.5 mm, 直徑為 32.3 mm±0.2 mm。信標機設計了9~18V的電壓輸入要求, 故采用 4節FANSO34615型號3.6V鋰電池串聯組成14.4V的電池組作為供電電源。電池艙內部壓力感應彈簧的電阻不能過大, 否則會導致電池輸出電壓達不到系統供電要求。信標機整體結構設計圖和實物圖如圖2所示, 圖2左邊為設計圖, 右邊為實物圖。

圖2 信標機設計示意圖與實物圖

信標機主板, 包含電源插口、微控制器、GSM卡槽、信號天線等, 啟動控制電路版單獨設計, 通過饋線連接主板和上部端蓋的電極。信標機主板設計尺寸小巧, 長和寬分別為5 cm和 2 cm, 遠小于和艙體內徑尺寸, 通過艙體的支架固定在倉體內部, 其電源控制芯片滿足9~18 V范圍內的寬電壓輸入標準。主板的設計示意圖見圖3。

圖3 信標機主板示意圖

控制模塊集成了GPS天線, SIM卡槽, 包含可編程控制器的集成電路, 條件啟動電路, 工作時序可以通過軟件進行讀寫設置。其中可編程控制器采用了市場成熟的GPS導航定位控制組件, 定位天線采用成熟的T102GPS模塊, 定位精度可達2.5 m以內。條件啟動電路的引入是本信標機有別于傳統信標機的創新之處, 其電路設計圖如圖4所示。

圖4 啟動電路設計圖

條件啟動電路利用水中溶解各種電解質產生較多的自由帶電離子, 在外加電場下, 帶電離子發生定向移動從而具有導電性的原理, SW接口分別連接兩個外部導電極, VIN接電池(1接正2接負), VOUT接信標機主板電源(1接正2接負), 電路中R2、R3和R4組成入水導電檢測電路, R2與R3組成限流分壓電路, 驅動三極管Q1導通。入水前連接SW的兩個外部導電極沒有導通, R2和R3接地沒有電流, 三極管關閉; 入水后由于水的導電性從而有電流從R4經過SW的兩個外部導電極流過R2和R3從而產生電壓電流, 驅動三極管導通。三極管Q1、PMOS管Q2和R1組成電源開關電路, 控制VIN到VOUT的電源通斷, 電流方向為VIN到VOUT, 當三極管Q1導通時驅動PMOS管Q2導通, 連接VOUT的信標機主板電源開啟, 當三極管Q1截止時PMOS管Q2截止, 連接VOUT的信標機主板電源關閉。電容C1的作用為當VOUT電源開啟以后對電源的雜波和交流成分產生濾波的作用。最終的效果為, 當電極兩端沒有的導體連接時, 也就是電極兩端在海面上處于空氣中, 信標處于工作啟動狀態; 當電極兩端存在的導體連接時, 也就是電極兩端處于導電的海水中, 信標處于工作停止狀態。

在設計上引入了條件啟動電路, 首先可使信標機不再需要壓力傳感器, 節省了整體的采購制作成本; 其次信標機也不需要一直開啟內部電源和時鐘, 不斷讀取壓力傳感器的實時信號值, 節省了電源供應成本; 最后信標機的工作狀態依靠外部電極的導通狀態來切換, 可避免繼電器的使用, 減少了一個中間環節, 節省了時序電路的控制成本。條件啟動電路的引入, 從整體上降低了系統的功耗, 降低了系統的成本。與傳統信標機功能對比如表2所示。

表2 與傳統信標機功能對比表

1.2 接收終端

接收單元由云端服務器和瀏覽器組成, GSM信號可直接發送至云端, 并開發B/S系統架構的終端接收系統, 實現云端存儲, 而且可以根據需求進行批量信標位置的查詢和管理。建立云端接收系統的意義在于可以使用戶能夠方便地在具備互聯網的任何地方登陸界面查詢信標機的狀態, 且同步實現其位置軌跡的追蹤管理。接收單元主要由終端顯示、目標定位和信息提示功能模塊組成, 各模塊的功能詳細解釋如下。

(1) 終端顯示模塊負責信標機編號、固件版本信息和實時經緯度位置信息的展示予更新。Web程序界面集成嵌入地圖組件, 選擇需要查詢的信標機編號, 可以在地圖上呈現信標最近時刻的位置信息, 并可選擇展示該信標一段時間內的運動軌跡, 方便設備回收人員對其位置的追蹤。

(2) 目標定位模塊負責目標信標機與接收終端的實時相對位置展示。通過此功能模塊, 設備回收人員可以清晰的獲取信標機相對于本人方向和距離信息, 指導目標搜尋工作的快速實施。

(3) 信息提示功能模塊負責目標信標機狀態的警示展示。通過對比預先設置的電壓閾值和位置范圍, 一旦信標機的電壓低于閾值, 終端會提示能源報警; 一旦信標機的實時的回傳位置距離布放位置預先設置的值。

接收端的總體架構分為客戶端和Web服務端。客戶端瀏覽器或者移動APP, Web 服務端使用 Express 框架, 采用SQL Server 數據庫來存儲網絡傳送的信標數據和用戶數據。接收端總體架構如圖5所示。

圖5 接收端總體架構

2 實驗與討論

為測試信標機的實際定位性能以及在不同地點的通信情況, 2020年1月3日在山東威海海域, 測試人員攜帶研制信標搭乘船只從威海遠遙碼頭出海, 進行了12個站位的信標功能測試實驗, 當日氣象狀況良好天氣晴、微風, 海況二級。信標固定在觀測潛標系統的上部, 每次潛標主體出水后, 信標機均位于空氣中, 可順利實現位置信息的發送。

12個測試站位中, 最近的站點在岸邊, 最遠的站點離岸邊36.7km, 整個測試海區、測試路線和站位清楚的呈現在接收端軟件上。從出發到返回一共用時500 min, 其中每個站位將信標置于水下測試5 min, 12個測試站位累計60 min, 水下測試過程均無接收信號; 海面測試(含行駛時長)共計400 min, 其中在12個站位累計海面測試216 min, 均接收到位置信號。站位測試信息如表3所示。

表3 各站位測試信息表

由圖6可見, 信標在各個實驗站位獲取的定位衛星數量以及信號強度有明顯差異, 離岸邊較近的站點, 搜星數量較多, 最大數量為14, 信號強度總體較強, 最大可達31 dBm; 離岸邊較遠的站點, 搜星數量較多, 最小數量為7, 信號強度總體較弱, 最小僅為可達19 dBm。上述情況主要和基站的架設位置有關, 由于大部分基站都建在陸上, 因此在遠離海岸的區域, 信標的定位能力會有所減弱。

3 小結與展望

本文所提到的低功耗的定位信標, 經過長時間的測試表明, 在有網絡信號覆蓋的地區, 工作穩定, 以15 s的工作間隔連續發送信號的時長可達60 d。但受置于移動互聯基站的限制, 在遠海區域特別是手機無信號區域, 該信標無法正常工作。因此, 本產品適用范圍明確為離岸20海里以內的區域。在此區域內布放水下觀測系統, 本信標作為輔助儀器, 具備極高的性價比。此外, 由于其通過電極開路、短路操作觸發啟動的方式, 在組件上省掉了壓力傳感器和繼電器, 節省了研制成本, 減少了中間控制環節, 降低了硬件程序設計的復雜性, 同時降低了功耗, 相對傳統信標, 在性能上進行了優化。

信標機依靠電極控制工作狀態, 而電極會長期工作于水下, 對電極的材料要求嚴苛。信標機目前電極嘗試過的材料類型為316L型不銹鋼和鈦金屬。不銹鋼電極成本低, 但受原料和加工工藝的差異, 有個別廠家的不銹鋼材料電極在水下工作數月后出現腐蝕現象; 鈦金屬電極的成本高, 但性能穩定, 水下長時間工作后未出現腐蝕現象。在實際的開發應用中, 設計了上述兩種材料的電極, 可方便的進行替換, 使用者可根據實際的工作要求對信標機電極進行合理選擇, 完成針對性的訂制。

圖6 各站位搜星數量、GSM信號強度與離岸距離關系

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Research and development of integrated acoustic monitoring system for marine instrument test field

JIANG Jing-bo1, 2, LIU Qing-kui1, 2, YU Fei1, 2, 3, 4, CHEN Yong-hua1, 2, NI Zuo-tao1, 2

(1. Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 3. Laboratory for Ocean Dynamic and Climate, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266237, China; 4. CAS Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

An acoustic release is an oceanographic device for the deployment and subsequent recovery of instrumentation from the sea floor in which recovery is triggered remotely by an acoustic command signal. In this literature, a low-power locator beacon was proposed for searching, locating, and recovering long-range underwater marine instruments. Beacon signals help synchronize, coordinate, and manage electronic resources using miniscule bandwidth. The proposed beacon was designed and developed based on a GPS system and usually fixed with a marine instrument for offshore operation. When the instrument emerges from underwater to the surface, the program for sending the position signal gets activated through the telecommunication network, and the signal of real-time position of the beacon sent to terminals is synchronized with the receiver. The experiment results showed that the beacon had a reliable performance and can guarantee the safe operation and smooth recovery of marine instruments.

low power consumption; positioning; beacon

Mar. 3, 2020

TP212.9

A

1000-3096(2020)11-0072-06

10.11759/hykx20200303002

2020-03-03;

2020-07-06

國家重點研發計劃(2017YFC1403603)；中國科學院科技網絡服務計劃(KFJ-STS-ZDTP-055)

[The National Key Research and DevelopmentProgram of China, No. 2017YFC1403603；Science and technology network service program of the Chinese Academy of Sciences, No. KFJ-STS-ZDTP-055]

姜靜波(1979－)，男，山東青島人，副研究員，主要從事海洋環境監測儀器的研究，電話：0532-82898736，E-mail：jiangjingbo@ qdio.ac.cn；于非,通信作者, 研究員, 主要從事海洋調查與區域海洋學研究工作, 電話:0532-82898187, E-mail: yuf@qdio.ac.cn

(本文編輯: 康亦兼)