面向智慧漁船的多功能北斗示位標

張錚，劉昭輝，曹守啟

(1.上海海洋大學 工程學院,上海 201306；2.上海海洋可再生能源工程技術研究中心,上海 201306)

0 引言

我國是海洋漁業大國，海洋捕撈業、海洋養殖業發達，但也正面臨著傳統漁業向智慧漁業轉型的巨大挑戰[1].示位標是船運中廣泛應用的應急無線電定位設備，在漁船發生故障時扮演重要角色.傳統示位標定位精度差，功能單一，僅能在沉船事故時發送求救短報文信息.2020 年北斗三號衛星導航系統(BDS-3)全球組網完成之后，北斗衛星導航系統(BDS)可以為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的短報文通信、定位、導航和授時(PNT)服務[2].根據我國海洋漁業企業建設智慧漁業的需求，新型示位標在位置服務功能的基礎上，還應具備船-岸的信息交互功能，提高漁船的信息化和智能化水平.

本文基于北斗定位和短報文通信技術，設計了一種新型多功能示位標.此示位標的工作模式有兩種：一是正常模式，當漁船正常航行時，利用北斗短報文上傳船位、航速、航向以及漁獲物信息到岸上管理平臺，提供漁業信息服務；二是遇險模式，漁船遇險下沉后，示位標通過靜水壓力釋放器脫離船體上浮至水面，按照預設的周期向岸上管理平臺發送報警信息.

1 示位標工作原理和硬件設計

1.1 工作原理和系統組成

示位標求救北斗短報文傳輸過程如圖1 所示.正常模式下傳輸過程為：船載漁業信息通過船載無線局域網發送至示位標，示位標通過北斗模塊將漁業短報文信息發送至北斗衛星，網關負責漁業數據信息的接收和轉換，并與企業云平臺對接，供用戶訪問和查看；遇險模式下傳輸過程為：示位標終端將求救短報文發送至衛星，衛星接收到短報文信息后，立即根據接收端的地址進行廣播，應急搜救控制中心收到此信息后，將求救信息轉發應急搜救中心由其確認并發送救援命令[3-4].

圖1 短報文傳輸過程示意圖

1.2 硬件設計

示位標硬件主要有控制單元、北斗模塊、電源管理模塊、Wi-Fi 模塊等組成，其系統組成原理圖如圖2所示.

圖2 示位標系統原理框圖

控制芯片采用低功耗微控制器STM32L151[5]，外設豐富，可滿足低功耗設計需求.北斗模塊FHM6868集成了衛星無線電導航系統(RNSS)的B1 和L1 頻點、北斗衛星無線電定位系統(RDSS)收發射頻芯片、基帶芯片、PA、LNA 和天線，接口通信協議兼容北斗2.1 協議，發射功率為10 W，提高通信成功率.ESP8266 Wi-Fi 模塊用于在正常工作模式下采集各種船載漁業信息，然后利用北斗短報文上傳船位、航速、航向以及漁獲物信息到云服務平臺，以實現對漁船航行、漁業信息的遠程監測和管理.六軸姿態角度傳感器ICM42605，測量精度誤差僅為0.1°，通過串口與MCU 連接.根據漁用多功能示位標連續工作5 a的企業需求，采用12 V 可充電鋰電池實現對示位標的在正常工作模式下的供電，并通過無線充電的方式保證電池滿電.電源管理芯片選用TPS51397，最大輸出電流為10 A，關斷電流小于1 μA，滿足供電需求；各功能模塊均通過電子開關控制開啟和關閉，滿足低功耗設計需要.系統硬件實物圖如圖3 所示.

圖3 示位標硬件實物圖

2 示位標在波浪下的穩定性仿真

示位標在波浪作用下會發生角度偏轉甚至傾覆，這與海域環境、示位標質量和外形等屬性有關.三維勢流理論將流體假設為無黏、無旋和不可壓縮的[6]，適合示位標的頻域仿真.三維勢流理論指出，勢流速度場是由速度勢的梯度，流場的邊界由物面邊界、流體自由面、海底邊界面和無窮遠處柱面構成[7-9]，滿足的邊界條件如下[10]：

1) 拉普拉斯方程

2) 海底邊界條件

3) 自由表面條件

4) 浸沒物體表面條件

5) 輻射條件

輻射波無窮遠處的速度勢趨近于0，即

在以上需滿足的邊界條件內，? 為速度勢函數，坐標軸分別設置為x、y、z，n為模型表面法向量，h代表水深，j取1～6 的數值分別代表了六個自由度的運動狀態，六個自由度分別為橫搖、縱搖、艏搖、橫蕩、縱蕩、垂蕩，vj為模型運動時的表面流速矢量，fj(x,y,z)為第j個運動狀態時的模型表面的流線函數，R為流場與模型間的表面距離.

通過建立示位標仿真模型、選取合適的海域環境參數，基于三維勢流理論進行仿真分析，以觀察示位標在此環境下的角度偏轉情況.

首先，用三維制圖軟件SolidWorks 設計示位標的殼體、內部結構及安裝結構件，并進行裝配，示位標的設計參數如表1 所示.利用AQWA 軟件建立示位標簡化模型，并進行水線切割和設置相關參數.

表1 示位標主要參數

其次，選取海域實驗環境模擬參數.為了分析示位標在遇險模式下的運動特性，選取極端惡劣天氣條件下的海況參數，所選取的海域實驗環境模擬參數如表2 所示.

表2 示位標模擬海況數據實驗參數

最后，設置仿真過程中所使用的波浪譜.波浪譜選取AQWA 內置的JONSWAP 譜，該波浪譜最能反應真實的海況條件.通過設置波浪頻率的上下限、波浪方向及其入射方向間隔完成波浪譜的配置，X軸為波浪正方向.

運動幅值響應算子(RAO)是指模型對應自由度運動幅值與波幅的比，用以表示在波浪作用下的模型的運動響應.不同波浪入射方向的示位標RAO 如圖4～5 所示.由圖4 可知，在橫搖方向，示位標RAO 隨波浪頻率的增大先增大后減逐漸趨緩，在波頻較小時偏擺較為劇烈.由圖5 可知，示位標在縱搖方向上有突變，可能會導致示位標翻轉.

圖4 示位標橫搖方向RAO 值

圖5 示位標縱搖方向RAO 值

綜上可知，在極端海況下，示位標隨不規則波偏擺的角度變動幅度較大.由于北斗短報文實質為電磁波，而電磁波在水中會發生衰減[11-12]，因此需考慮示位標隨波浪的偏擺特性對短報文投遞率的影響.

3 基于示位標姿態的短報文通信機制

3.1 基于示位標姿態的短報文通信機制原理

為了驗證示位標姿態對短報文投遞率的影響，分別在晴天無云和陰天兩種天氣狀況下進行測試.以示位標中軸線為0°，水平放置，偏轉角度分別為：25°、45°、75°、90°，在全天時間內進行短報文收發測試，統計不同偏轉角度下的短報文投遞率.測試結果如圖6所示，在兩種天氣狀況下，投遞率隨著偏轉角度的減小而增大，在0°時達到最高，故在合適的示位標姿態下發送短報文是有助于提高投遞率的.

圖6 兩種天氣狀況下的短報文投遞率比較

利用示位標內置的六軸姿態角度傳感器測量示位標偏轉角，以保證在合適的示位標姿態下發送短報文.設置其在偏轉角小于或等于10°時發送短報文.基于示位標姿態的短報文發送流程如圖7 所示：當示位標入水上浮后，隨波浪運動發生角度偏轉，當檢測到偏轉角度小于或等于10°時，北斗模塊即發送短報文；北斗模塊在60 s 內僅可發送一次短報文，在發送后進入間隔等待.偏轉角度大于10°時，北斗模塊則等待發送時機.

圖7 短報文發送流程圖

3.2 短報文收發實驗測試

為保證示位標能夠滿足遇險模式下的續航需求，對其在該模式下的工作進行續航實驗.示位標采用的12 V 鋰電池總容量為6.4 A·h，RDSS 模塊發射功耗為10 W，每間隔60 s 發送一次短報文，發送后即由電子開關關斷各功能部件以節省電量，通過24 h的續航測試可估算出續航時間為12 天，滿足示位標遇險模式下的連續工作需求.

通過短報文收發實驗檢驗上述通信機制對短報文投遞率的改進效果.如圖8 所示，實驗分別在晴天無云和陰天兩種天氣下進行，共分為兩組，第一組將示位標安裝至高處對空(模擬船體桅桿)，上方無遮擋，進行正常模式下的工作；第二組將示位標放置在距造波機15 m 處的水池中，進行遇險模式下的工作測試.

圖8 現場實驗圖

兩組實驗結果如圖9 所示，示位標在晴天無云條件下的短報文投遞率較高，而在陰天條件下的投遞率略有下降，這是由于陰天有較多烏云，信號接收不暢，對短報文投遞率略有影響.與第一組實驗相比，第二組實驗中短報文投遞率總體上略有下降，這是由于隨波浪偏擺導致短報文信號受到干擾.在高處實驗環境下晴天與陰天的短報文投遞率差值與在水面環境下晴天與陰天的短報文投遞率差值幾乎相等，說明第二組實驗中陰天較晴天短報文投遞率的下降主要是由天氣差異引起的，而在水面環境下示位標的較大偏擺對于短報文投遞率的影響不大，故驗證了基于示位標姿態的通信機制能夠提高短報文的投遞率.

圖9 兩組實驗短報文投遞率比較

4 結束語

本文設計了一種基于北斗定位和短報文通信技術的新型多功能示位標，并進行了示位標在極端惡劣海況下的偏轉角仿真實驗和不同姿態下的短報文收發測試，在此基礎上提出了基于示位標姿態的短報文發送機制，并進行實驗驗證.實驗結果表明：在水面環境下，基于示位標姿態的短報文通信機制能夠降低偏轉對示位標的影響，有效提高短報文投遞率，在智慧漁船應用中具有良好的推廣前景.