面向測量內波的海上移動平臺硬件系統設計與應用研究

摘要：根據內波及內波監測技術的特點，該文面向海上移動平臺研發了一套硬件系統。該文主要介紹海上移動平臺硬件系統設計，該硬件系統主要包括大容量的電池供電系統、通信模組、硬件主板、ADCP和傳感器等單元。在系統上搭載了GPS、北斗二合一定位模塊和銥星通信模塊和融合性的天線系統，可實時回傳數據和位置信息。經過多次連續的海上試驗及測試，研發的海上移動平臺硬件系統可在海上連續且穩定工作30天以上，對內波測量起到了關鍵的作用，具有重要應用價值。

關鍵詞：內波測量；移動平臺；硬件系統；穩定性

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）34-0085-03

目前市場上應用于測量內波的硬件平臺存在以下問題和缺點：

1） 用于測量內波的基于海視通、海洋系列衛星、軍用衛星的實時數據傳輸系統[1]，接收和發射天線往往比較大，基于此研發的測量內波硬件平臺系統，多為搭載船舶、靜態海上作業平臺等上面，此類設備難以小型化，不適合應用在小型設備上，應用范圍大大降低。

2） 測量內波的硬件平臺，為了與測量設備如ADCP或傳感器等實現實時通信，多以長距離線纜為傳輸媒介等傳遞數據，需要大型運輸船來配合作業，成本較高且作業復雜[2]。

本文期望研發一套更適合在海洋、河流、湖泊水系等多種應用、復雜化場景下的測量內波的海上移動平臺硬件系統，海上移動平臺能夠搭載測量內波的設備，實現多任務、實時、穩定可靠傳輸數據，用于內波的測量。

1 測量內波硬件系統的關鍵技術

經過長期對內波測量技術的研究[3]，測量內波硬件系統的關鍵技術主要有以下幾個方面：

1） 內波測量對數據時效、真實性要求較高，測量內波硬件需要高可靠度的采集及數據處理技術，高置信的穩定數據傳輸技術。

2） 內波到來伴隨巨大的能量，硬件系統配套的設備需要搭載特殊傳感器設備，需要高精度的流速校正技術。

3） 觀測內波是一個長期的過程，海上移動平臺硬件系統及搭載設備需要強大的電池續航能力[4]。

4） 海上天氣復雜，對硬件系統通信部分設計要求較高，硬件通信模塊需要配套的融合性天線系統設計能力。

以上是面向測量內波的海上移動平臺硬件系統設計的關鍵技術，針對各個關鍵技術和功能基本要求，我們需要設計一套針對性強且獨特的硬件系統。

2 硬件系統的設計與實現

2.1 硬件系統組成及主要功能

1） 核心平臺：硬件系統的核心單元，從設備的穩定性和低功耗要求出發，采用基于ST廠商低功耗MCU進行硬件系統的開發，核心平臺是一個多任務、實時數據硬件系統平臺，核心平臺主要功能是進行數據實時處理、計算、分析等。

2） 多傳感器系統（擴展板）和數據采集設備（擴展接口）[5]：主要是應用單元，多傳感器系統可以兼容各種類型的傳感器，如壓力傳感器、溫度傳感器、鹽度傳感器、溶解氧傳感器等小型環境采集單元，數據采集設備兼容大型設備，如ADCP，ROV，AUV，大型聲學設備等，此部分是數據采集的入口。

3） 供電單元及存儲系統：此部分主要包括供電系統和存儲系統兩個部分，主要是為硬件平臺提供供電并對數據進行本地存儲，供電系統是獨立的電源系統，存儲系統有兩套，保障數據存儲完整性。

4） 通信鏈路和融合天線系統：是特殊設計單元，是硬件系統的重要組成部分。我們主要采用銥星、GPS/北斗等衛星通信方法，融合天線系統集成到一套硬件頂蓋上，銥星完成數據傳輸，GPS/北斗實現雙模定位等功能。

5） 輔助和外圍擴展接口：主要包括常用的網絡接口、CAN總線接口、電子羅盤等模塊和接口，主要功能是與外部其他系統做兼容用，起到輔助和擴展作用。

2.2 硬件系統配套單元及功能

海上移動平臺硬件系統需要岸站數據接收和處理單元[6]，岸站數據接收和處理單元是整個系統的擴展組成部分， 其主要功能是實時、準確、可靠地接收、分析、處理、存儲采集到的數據， 并實現即時報警、數據查詢統計及遙控等功能，給用戶研究使用提供方便。硬件系統配套單元能同時接收不同天線系統傳輸的數據， 并對數據進行相應的處理、顯示和存儲。

2.3 硬件系統主要配置及參數

3 實際應用研究及海試驗證

3.1 硬件系統關鍵功能的實現

通過設計研發的海上移動平臺硬件系統與搭載的ADCP和CTD等設備采集了流速、溫度、鹽度等數據，ADCP和CTD等設備采集的流速、溫度、鹽度等數據通過RS232擴展接口等物理通道將數據傳輸到核心平臺，核心平臺進行數據的處理、計算、分析、存儲，結合在復雜環境下的不同使用場景，智能選擇不同的數據通信鏈路。通過融合天線系統將數據發送到岸站數據接收和處理單元進行分析、處理、存儲等操作，通過整套硬件系統可以實現對內波有效且穩定的測量。

3.2 重點問題解決——融合天線系統性能優化

受制于海上復雜多變環境和海上移動平臺結構等因素的影響，設計的融合天線（GPS、北斗、銥星等）通信效果和實際場測差異很大，經過三輪優化設計及專業天線實驗室測試和海試場測驗證，最終設計的融合一體頂蓋天線測試效果最優，融合性天線實驗室測試數據如圖3～圖5。

從數據上看融合性一體頂蓋天線效率在50%左右，且天線有效帶寬較寬，從圖上看其上半球非常圓潤，方向性非常好，確定使用此款天線（圖6）。

3.3 海試驗證

通過連續和不連續近4個多月的海上試驗，驗證了面向測量內波的海上移動平臺硬件系統設計的有效性、穩定性、安全性，經過不斷優化硬件系統，已達到批量生產和可產業化狀態（核心硬件主板和電池實物如圖7） 。

4 結束語

通過內波測量技術的了解及測量內波硬件系統的關鍵技術研究，特別設計、研發、訂制了一套面向測量內波的海上移動平臺硬件系統。海上移動平臺硬件系統主要包括大容量的電池供電系統、通信模組、硬件主板、ADCP或傳感器等單元。在系統上搭載了GPS、北斗二合一定位模塊和銥星通信模塊和融合性天線系統，可實時回傳海洋科考獲得的觀測數據和設備位置信息。

通過連續和不連續近4個多月的近海和遠海海上試驗及測試，研發的面向測量內波的海上移動平臺硬件系統可在海上連續且穩定工作30天以上，對內波的測量起到了關鍵作用，具有重要的科學研究和應用價值。整套海上移動平臺硬件系統具有產業化、商業化的廣闊前景，真正實現產、學、研的統一。

參考文獻：

[1] 陳建軍，吳旌，張云海，等．海洋內波現場測量技術研究.第十三屆中國海洋（岸）工程學術討論會論文集[C].中國海洋工程學會編.海洋出版社，2007.

[2] 王火平，陳亮，郭延良，等.海洋內孤立波預警監測識別技術及其在流花16-2油田群開發中的應用[J].海洋工程，2021，39（2）：162-170.

[3] 張曉芳，賈思洋，張曙偉，等.海洋垂直剖面水溫實時監測浮標系統研制與應用[J].海洋科學，2016，40（5）：109-114.

[4] 熊斯年，王海軍，吳小濤.基于RT-Thread的波浪滑翔器控制系統設計與實現[J].數字海洋與水下攻防，2020，3（4）：339-344.

[5] 侯斐，朱心科，丁巍偉，等.一種移動式海洋地震儀的硬件電路研究[J].海洋學研究，2021，39（1）：38-46.

[6] 劉彬華.基于移動式溫度鏈實時監測系統測量內波方法研究[J].無線互聯科技，2022，19（15）：131-136.

【通聯編輯：代影】