段国文 马力 李志成

（1.海军装备部装备项目管理中心 北京市 610071 2.天津航海仪器研究所 天津市 300131）

我国领海面积位居世界前列，海洋生物、矿产、石油等资源丰富。进入21 世纪新时期，海洋已成为全球竞争的焦点，在我国经济发展格局中的地位更加突出，促使高科技海洋环境观探测技术手段逐渐呈现多样化，卫星移动通信技术自主研发水平进一步提高，海洋环境集成监测应用前景更加广阔。为实现全天候获取我国领海海洋环境信息，守护“水下国门”，需建设以固定式观测、机动式观测、投弃式观测等多种手段组合的海洋环境立体监测网，其中，以水下滑翔机为代表的机动式观测手段在各海洋强国监测网建设和军事保障应用中的作用日益凸显。

水下滑翔机（AUG）是一种专用于水下环境监测的机器人，可利用自身浮力和姿态角调整获得推进力，根据需要搭载声、光、温、盐等传感器，完成海洋要素剖面数据的自动采集和传输，具有能耗低、续航强、可重复使用和大量投放的特点，适用于对大范围海域的长期监测。水下滑翔机研制始于1957 年美国海军研究办公室与华盛顿大学联合研制的实验性海底飞行器“SPURV”，并于90 年代进入成果爆发阶段，相继诞生了波浪能、太阳能混合驱动的Wave Glider 和Sterne Hybrid Glider 等水下滑翔机产品。经过近40 年的攻关，我国在水下滑翔机及其监测系统建设领域取得了诸多成果，中科院沈自所于2008 年研制出了我国首个具有自主知识产权的、采用铱星通讯和GPS 导航的水下滑翔机，2014 年在南海完成剖面试验，下潜深度首次突破1000 米，2017 年试验了新研的“海翼1000”水下滑翔机，基于北斗短报文通信完成数据传输，连续工作时长达到3 个月；天津大学于2014 年自主研发了“海燕”号水下滑翔机，并在南海完成1500 米海深测试，连续工作30 天，航程突破600 千米；2020 年7 月，由天津大学和青岛海洋试点国家实验室共同研发的“海燕-X”水下滑翔机完成10619 米的潜深观测，获得了大量深渊的温盐、影像、声学调查等资料，标志着我国在万米级水下滑翔机关键技术方面取得重大突破。

海洋环境信息保障工作对数据传输的时效性、保密性和完整性要求较高，水下滑翔机、波浪能滑翔器、长航程AUV 等平台实测数据的岸海传输主要依赖卫星通信，而铱星等国外卫星虽然在传输速率和稳定性方面具有优势，但不符合自主可控的要求，存在信息安全风险。本文对当前国内外水下滑翔机常用的卫星通信方式进行了对比，综合考虑传输速率和数据安全两个维度，选取国产的天通移动卫星通信系统作为岸海数据传输手段，设计了基于天通的水下滑翔机综合监测系统，获取实测的海洋温盐剖面、环境噪声等数据，完成设备和环境的动态监测，并联合相关单位开展了海上试验验证。本文所做研究和试验对于海洋环境监测与应用项目的建设具有一定的参考意义。

1 水下滑翔机常用通信技术分析

水下滑翔机一般用于离岸200 海里以外的中远海海洋环境观测，受通信距离限制，不宜使用岸基移动通信和短波无线通信，国内外水下滑翔机优先选用的卫星通信系统主要有铱星、海事卫星、北斗卫星、天通卫星，配套的定位系统主要为全球卫星定位系统（GPS）、北斗卫星定位系统（BDS）。

铱星移动通信系统是美国摩托罗拉公司设计的全球性卫星通信系统，其卫星网络由66 颗环绕地球的低轨道卫星组成，可提供覆盖全球的通信服务，标准IP 的一般传输速率为128kbps，2019 年推出传输速率达704kbps 的Certus 宽带服务；海事卫星由国际海事卫星组织联合开发，可提供南北纬75°以内的海陆空通信服务，通信速率4.8 kbps-492 kbps；北斗卫星导航系统是我国着眼国家安全和经济社会发展需要，自主建设运行的全球卫星导航系统，融合了导航与通信能力，其北斗二号系统分钟卡短报文单次通信数据量为78.5 字节，在我国浮标通信领域受到广泛应用，北斗三号报文传输能力虽大幅提高，但尚未实现业务化运营；天通一号作为我国自主研发的第一套卫星移动通信系统，首要任务是确保我国遭受严重自然灾害时的应急通信，填补国家军民自主卫星移动通信服务的空白，全网建成将有4 颗卫星，截止2021 年2 月已发射3 颗卫星，覆盖中国本土、中国领海、东南亚、北印度洋、部分西北太平洋等区域，通信速率为9.6kbps-384kbps，支持语音、短信、数据、视频等业务，近年来多次应用于我国海洋环境观测领域。

由表1 可知，铱星、海事卫星、北斗卫星、天通卫星各有优缺点，在通信速率、传输稳定性以及业务化成熟度方面，铱星最优、海事卫星其次，但两者通信费用较高，且由英美等国家控制，存在数据安全风险。北斗二号能够保证安全传输，但单次数据传输量不足80 个字节，难以确保诸如水下滑翔机、潜标、C-Argo 等大剖面数据的实时、完整传输，且北斗二号短报文通信卡目前资源紧缺，北斗三号报文通信业务化过渡尚未完成。天通卫星通信虽投入使用时间较短，但通信速率、通信费用、数据保密性等方面优势明显，在南海、东海等海域，已有多家涉海科研机构使用天通卫星通信开展海上平台观测数据的传输，因此，可以选用天通通信系统搭建水下滑翔机的海洋环境观测数据传输链路。

表1： 水下滑翔机卫星通信方式对比

2 水下滑翔机综合监测系统设计

2.1 系统组成与信息流程

基于天通卫星移动通信的水下滑翔机综合监测系统设计使用场景为中远海海域，最大工作水深1500m，适应6 级以内海况，系统主要由水下滑翔机、天通卫星通信链路和岸基综合处理与应用分系统组成。

本系统的水下滑翔机探测模块配置CTD、矢量水听器等传感器，并搭配天通通信模块。信息流程如图1，各传感器产生的信号，在数据采集与控制模块完成汇集和处理，按照与岸基天通指挥机约定的传输协议，由滑翔机天通卫星通信模块经天线定时发送给天通卫星，天通卫星将信号传送至地面信关站恢复原始监测数据，再将监测数据发送给岸基通信指挥机，指挥机接入岸基综合处理与应用平台的岸基应用分系统完成监测数据的接收、质控、综合管理与可视化等系列工作，此外，岸基应用分系统通过天通指挥机可发送指令信号，经上述通信链路完成对海域水下滑翔机运动航线和观测参数的调整，实现对水下滑翔机的远程控制。

图1： 数据传输流程

2.2 水下滑翔机结构组成

水下滑翔机机体内一般设置有两个类似鱼鳔的囊体，其中灌注了能够实现热能与机械能相互转化的轻于水的介质，通过调节两个囊体内的介质流向，改变滑翔机总体体积，从而利用重力和浮力实现沉浮运动，同时通过机翼和尾翼调整船体姿态，实现螺旋式、锯齿式两种航行轨迹的运动。

基于上述工作原理和使用场景，设计水下滑翔机结构如图2，滑翔机主体舱采用水密性优良的耐压强化材料制造，确保在深海海域的高抗压性和防水渗透能力，天通卫星通信模块配置于机尾，在滑翔机上浮至水面时，完成实时定位、数据传输和指令接收，按需配置BD 和GPS 双定位子模块，2 个导流罩分别装配在舱体头部和尾部，水听器置入舱体头部内获取噪声数据，CTD 置于舱体中后部内获取温盐数据，控制模块和姿态调节装置位于舱体中部，以微处理器为核心，掌控滑翔机全程的运动规划和观测参数。

图2： 水下滑翔机总体结构设计[9]

2.3 水下滑翔机通信协议设计

天通卫星通信虽传输速率较高，但目前使用民用信道的窄带接收机单次接收数据量上限为180 字节，单次发送上限为200 字节，水下滑翔机一个完整剖面的观测数据一般大于5000 字节，需要进行分包传输设计。

在充分考虑观测数据需求与卫星通信能力关系的基础上，为减轻卫星通信资源负担，提高数据传输效率，简化了传输内容，设计了由数据传输协议和远程控制协议组成的水下滑翔机通信协议体系，如图3，数据传输协议规定了本地终端状态查询指令和加密传输数据格式，本地终端状态查询一般满足查看本地终端GPS/BD 的设置参数、设定定位信息发送间隔、查看当前天通信号强度等需要，加密传输数据格式主要满足定位数据和观测要素数据的传输需要，协议中约定开始标识符、日期时间、经度、纬度、经度标识、纬度标识、设备ID、温度、盐度、压强、噪声特征值、系统状态值、结束标识符等，如表2。远程控制指令参考美国国防部无人机航线远程控制水平等级的评估方法进行分级，主要调整航迹规划和剖面观测频次等内容。

表2： 水下滑翔机加密传输数据格式

图3： 水下滑翔机通信协议体系组成

2.4 水下滑翔机天通通信设备端设计

水下滑翔机天通卫星通信设备端主要负责与天通网络建立数据通信链接，向岸基发送海上实测数据和接收远程控制指令，通信设备端由卫星天线和天通通信模块两部分组成，采用一体式结构设计，天线装备在尾翼末端，通信模块安装在机体尾部内，设备端组成及内部结构如图4 所示。

图4： 天通通信设备端组成示意

卫星天线包含天通S 移动天线、BD 天线和GPS 天线，前者实现入网和数据通信，后两者实现双模式定位。天通通信模块由电源管理单元、射频开关、射频前端处理单元、射频收发器芯片、26M 温补晶振、天通基带芯片、应用处理器组成，电源管理单元为天通通信设备端各部分提供电能，晶振选用TG3225CEN 温补晶振，具备高温定性、CMOS 输出等特点。天通通信模块从数据采集单元获取需要向岸基传输的监测数据，并传递到卫星通信链路，同时把从岸基接收到的控制指令传递给运动控制模块。

水下滑翔机天通通信模块的数据接口设计有RS232、RS485 两种可选，模块供电电压为5V，为保证水下滑翔机在大潜深、长航程任务下的正常工作，匹配了低功耗方案，设定每次出水完成数据传输后转换为休眠模式，非必要外围电路减少或停止工作，同时将微处理器的运行频率调至最低，仅维持姿态调整和数据采集功能。

2.5 岸基综合处理与应用分系统设计

岸基综合处理与应用分系统部署在岸基中心站，完成对水下滑翔机监测数据的接收、质控、综合管理、可视化，以及对滑翔机发布远程控制指令等系列工作，系统服务器和多个水下滑翔机之间建立一对多的通信关系，水下滑翔机之间无通信行为。

系统硬件由天通卫星通信指挥机、联想SR850 服务器、台式计算机、98 英寸高清大屏、卫星天线等组成，软件为综合处理与应用软件，软件部署在服务器上。天通天线、BD/GPS 定位天线均通过射频接口接入指挥机，通过RS232、RS485 两种串口通信方式接入联想SR850 服务器完成数据交互。

服务器操作系统按照自主可控原则，选配国产中标麒麟操作系统V8.0 版本，数据库考虑快捷、跨平台、高性能、多编程语言API 接口等需求，选用MySQL8.0 数据库。

综合处理与应用软件在国内自主研发的成熟MapGIS 平台基础上进行开发，由GIS 平台提供空间数据管理、二维和三维可视化、地图标绘等基础服务。系统软件开发贯彻模块化思维，以提高系统可维护性和架构灵活性，系统功能主要为信息接收与处理、设备信息地图可视化、数据分析与可视化、设备监控与远程指控以及数据综合管理：

（1）信息接收与处理：系统具备基于天通卫星通信网络接收水下滑翔机实测数据和设备状态信息的能力，完成数据包的解析和拼接，数据的质量控制和格式转换，质量控制至少包含日期检验、位置检验、着陆检验、要素范围检验、相同剖面检验等典型质控内容，同时具备人工导入数据的接口；

（2）设备信息地图可视化：系统可调用MapGIS 的二维地图（遥感影像数据、矢量地图、DEM 数据、高德地图等），实现各滑翔机图标在地图上的显示，实时展现设备位置、设备名称、设备编号等信息，支持在二维地图上的缩放、平移、截图以及测距，支持对点、线、面等集合对象的添加、删除、编辑、属性设置等操作；

（3）数据分析与可视化：系统能够基于MapGIS 平台对实测数据进行可视化，在二维地图上以时序图、剖面图、断面图等形式展现温度、盐度等要素的时序变化或空间变化，并基于实测数据实现声速、跃层的分析，输出跃层性质、跃层厚度、跃层站位子图等信息或图件；

（4）设备监控与远程指控：系统能够对水下滑翔机电压值、是否进水、通信信号强度等状态信息进行监控和显示，并在通信中断大于12 小时提供报警措施，能够通过天通指挥机远程向水下滑翔机发送航向角度、潜水深度、上浮深度、悬停时间、剖面数量等参数调整指令，实现对滑翔机运动状态和航行规划的修改；

（5）数据综合管理与统计：系统能够对滑翔机实测数据和设备状态信息进行入库、更新、清除、分类、修改等管理，并对每日接收的数据量、通信成功率、质量控制过关量进行统计分析，实现对数据的综合管理。

3 海上试验

2021 年12 月，将配置了天通通信模块的4 台水下滑翔机（2 台水文观测型、2 台声学观测型）部署于南海某海域，在2-6 级海况下进行了为期6 天的海上试验，试验观测剖面深度1200 米，设计观测间隔10 米一层，观测层数约100 层。

在为期6 天的试验期间，水文观测型水下滑翔机实测单剖面数据要素包含时间、位置、温度、盐度、深度、滑翔机与传感器状态参数、滑翔机ID、数据校验参数等，共计约7000 字节，最长传输时间4 分50 秒，最短传输时间1 分56 秒，平均时间2 分35 秒，应接收36 个剖面数据，实际完整接收34 个剖面数据，数据接收率94.4%，天通指挥机与单台滑翔机之间通信共计1659 次，成功率97.3%。

在为期6 天的试验期间，声学观测型水下滑翔机实测单剖面数据要素包含时间、位置、温度、盐度、深度、声学特征参数、滑翔机与传感器状态参数、滑翔机ID、数据校验参数等，共计约10150 字节，最长传输时间6 分35 秒，最短传输时间2 分03 秒，平均时间4 分24 秒，应接收24个剖面数据，实际完整接收22 个剖面数据，数据接收率91.7%，天通指挥机与单台滑翔机之间通信共计2092 次，成功率95.2%。

本次海上试验的数据接收率和双向通信成功率较高，符合试验预期，岸基综合处理与应用分系统基本具备实时展现温盐要素的变化趋势和各水下滑翔机的工作状态，并远程控制滑翔机运动参数的能力。

4 结论

天通卫星移动通信系统填补了国家和地方自主卫星移动通信服务的空白，是自主可控的卫星通信方式，相比于铱星、海事卫星、北斗卫星等通信技术，具有传输速率高、费用低、安全保密性强、终端使用灵活等优势。本文根据水下滑翔机的工作原理，结合天通卫星通信的优势，设计了基于天通通信的水下滑翔机综合监测系统，海上试验表明，本系统可为水下海洋环境要素的监测提供效率更高、数据回传完整性更好的通信方式，具备实测数据分析与可视化、设备状态监控及远程控制等功能，可推广应用到未来中远海域海域的海洋环境监测与应用项目中。