王世明,田园,田卡

(上海海洋大学 工程学院,上海 201306)

0 引 言

随着海洋装备技术的发展,目前人类在海上的活动越来越频繁,也因此带来了一些需求问题,如海洋气候数据的监测、报告等。一般的海洋监测站都建立在沿海或者海岛上,因此只能监测到沿海或者海岛的临近海域情况,如果需要远洋的监测,那么监测站是无法胜任的。目前较为成熟和广泛使用的远洋监测手段是海洋浮标[1]。北斗卫星导航系统所具备的精确定位、精密授时和短报文通信功能可以很好地解决海洋浮标定位、授时和海洋气候监测数据传输的问题,通过北斗系统进行双向报文通信,不仅可以实现岸站对海洋浮标传统的信息采集功能,也可以实现岸站终端对浮标的遥控功能[2]。本文基于北斗卫星导航系统设计了一款波浪能自供电的海洋浮标,通过自供电延长浮标寿命与工作稳定性的同时,也可以监测海洋环境与浮标自身状态,为海洋环境监测提供帮助。

1 波浪能自供电浮标结构及运行原理

海洋浮标能够全天候、全天时、可靠稳定地收集海洋环境信息。海洋浮标分为水上与水下两个部分,水上部分一般安装各种收集气象要素的传感器,如风速传感器、风向传感器、温度传感器等,水下部分则一般安装各种收集水文要素的传感器,如海温传感器、盐度传感器、海流传感器等。海洋浮标目前一般使用蓄电池对传感器进行供电,为延长工作寿命,一般增加蓄电池的个数或者体积[3],这样就导致浮标的自身重量增加,不利于浮标的布放与回收工作,而且海洋浮标一般远离大陆,对于电池的更换非常麻烦且耗费人力与物力。本文设计的搭载波浪能发电装置的自供电浮标,就是为了解决海洋浮标电能供应的问题。波浪能自供电海洋浮标的结构示意图如图1所示。

浮标中的波浪能发电装置基本结构如图2所示,其套筒中设有两组发电结构组件,每组结构组件一端伸入中空浮子,通过齿轮机构与发电机相连,另一端连接双向叶轮。装置中叶轮、转轴、齿轮、发电机顺序连接,通过叶轮的转动把波浪能的重力势能转化成动能,叶轮在旋转的同时,通过旋转带动连动轴上的内部齿轮,内部齿轮又带动发电机的齿轮,产生的机械能由此转变为电能,通过发电机产生的电能经过蓄电池附带的电能处理电路进行处理后储存在蓄电池中,再通过蓄电池向浮标上搭载的各类传感器提供稳定持续的电能。

2 北斗卫星导航系统在海洋浮标上的应用

北斗卫星导航系统(BDS),是由中国自主建设、独立运行的全球范围的卫星导航系统,是继美国GPS、俄罗斯GLONASS之后,较为成熟的卫星导航系统[4]。

如图3所示,北斗卫星导航系统主要由三个部分构成,一是太空中的北斗导航卫星,二是北斗地面控制端,三是北斗用户终端设备。北斗系统空间卫星端的作用主要是作为中转站,全天候全天时的中继并传播自用户终端和地面控制端的无线电信号[5];地面控制端是整个北斗卫星导航系统的控制与管理中枢,所有传输的数据计算处理都是在地面控制端完成;用户终端设备是北斗用户直接使用的装置,用于接收地面控制端通过空间卫星端转发的信号。实现精确定位、精密授时和短报文通信。

北斗卫星导航系统以其可定位,可双向通信的特点,在国内的海洋浮标中广泛运用[6]。北斗卫星导航系统短报文通信服务可实现双向通信,设备及通信费用低,不仅能传输浮标的监测数据,也可对浮标进行个性信息点对点通信或者共性信息广播通信,以做到对浮标的调整和遥控。每个海洋浮标搭载的北斗终端设备均拥有唯一的标识ID卡号的IC卡,用以作为入网许可与用户身份认证[7]。一般海洋浮标搭载的北斗终端为民用型北斗终端。

3 基于北斗卫星导航系统的通信系统组成及通信过程

3.1 系统组成

基于北斗卫星导航系统的浮标通信系统主要包括浮标部分和岸站部分。波浪能自供电海洋浮标部分包括北斗/GPS双模一体式普通型用户机(放置于波浪能自供电海洋浮标顶端)以及浮标内部的通信模块,通信模块包括指令接收模块、状态报告模块与控制模块。北斗用户终端负责对浮标进行定位和传递浮标传感器的监测数据信息,指令接收模块负责解析北斗用户终端接收到的浮标控制指令信息,状态报告模块负责收集浮标传感器数据[8],控制模块则根据岸站接收系统发送的浮标控制指令对浮标状态进行控制。

浮标部分的主要功能是通过浮标搭载的各类传感器监测目标海域的环境情况,并且将传感器的监测数据传递给岸站接收系统。

岸站部分由北斗用户终端、岸站地面控制中心和岸站接收系统构成。北斗用户终端负责接收北斗卫星传递的浮标数据信息和向北斗卫星传递岸站发出的浮标控制指令,岸站地面控制中心负责按照指定的数据通信协议对接收与发送的数据进行解析与加密,岸站接收系统负责数据信息的显示与发出控制指令。

岸站部分的主要功能是接收浮标发送的监测数据并根据监测情况对浮标发出控制指令。

3.2 数据通信过程

本波浪能自供电海洋浮标其通信系统主要采用了北斗系统的精确定位、精密授时与短报文通信功能。该通信系统在控制方式下,用于传递岸站系统发送的浮标状态控制信息(包括检查蓄电池电量,开/闭传感器等);在监测方式下,对浮标进行精确定位、时间校准,同时传递海洋浮标上的传感器(包括温度传感器、盐度传感器、风速传感器等)收集的海洋监测数据。

浮标上搭载的北斗/GPS双模一体式用户机接收来自北斗卫星的浮标控制信号,并将接收到的浮标控制信号传递给浮标中的指令接收模块,指令接收模块根据制定的数据通信协议提取浮标控制指令,然后将指令发送给控制模块,控制模块依据指令对浮标进行控制;浮标的实时信息(如蓄电池电量、传感器状态,位置信息等)则会通过状态报告模块根据制定的数据通信协议进行处理,并将处理过后的数据通过北斗/GPS双模一体式用户机发送给北斗卫星。

岸站部分的北斗用户终端接收来自北斗卫星的信号,并将接收到的数据信息传递给岸站地面控制中心,岸站地面控制中心根据制定的数据通信协议解析接收到的数据信息,并将解析后的数据发送至岸站接收系统,岸站接收系统可以将其中的关键数据(如蓄电池电量,传感器状态,位置信息等)通过配套软件进行展示与记录,并可通过目前浮标的实时状态对浮标发出控制指令(如检查蓄电池电量,开/闭传感器等),控制指令通过岸站地面控制中心按照制定的数据通信协议进行处理后,通过北斗终端发送给北斗卫星。

图4所示为海洋浮标与岸站部分双向通信结构示意图。

3.3 数据通信协议简介

1) 北斗用户终端数据通信接口

岸站部分北斗用户终端通过RS232串口与电脑连接,进行数据通信。其波特率默认9600 bps,1 bit开始位,8 bit数据位,1 bit停止位,无校验。岸站部分的北斗用户终端接口和接收系统之间的数据传输具有命令状态、通信状态以及北斗协议状态,系统通过命令状态向北斗终端发送和接收命令。

浮标部分北斗/GPS双模一体式用户机通过RS232串口连接浮标部分的通信模块,由于RS232信号的电平与基于单片机设计的浮标通信模块之间电平不一致,因此需要在中间接入MAX232电路进行电平转化,转化后的串行信号TXD、RXD可以直接与单片机相连。

2) 数据通信协议简介

本文中的波浪能自供电海洋浮标通过北斗卫星导航系统传输各种水文与气象数据,而北斗卫星导航系统每次的报文通信长度有限,而且两次通信之间有间隔,因此采用由中国海洋大学黎明、时海勇提出的“位拼接-LZW”双重压缩机制[9]对数据进行有效压缩,并根据不同的实际情况分包发送数据。

一般情况下,每一次传输的数据由两包数据包进行传输,也就是156字节的数据。为简化编码,数据通信协议以字节为单位使用BCD码,每包的数据信息包括包的个数,包的序号等。

4 基于北斗卫星导航系统的浮标通信系统实际应用

波浪能自供电海洋浮标岸站接收系统主界面如图5所示,它是利用LabVIEW进行开发的软件,其功能是对海洋浮标工作状态、以及搭载的各种传感器进行显示和记录,内置报警系统,当设定某监测数值超出或者低于设定数值时,系统报警。本次波浪能自供电海洋浮标投放位置为上海芦潮港附近,通过北斗卫星导航系统可以准确地定位浮标所在位置。

基于北斗卫星导航系统短报文通信功能的浮标传感器监测数据也可正常接收信息,如风速传感器数据如图6所示,波浪压感传感器数据如图7所示,表明自供电海洋浮标可以正常将监测信息与定位信息,成功通过北斗卫星导航系统进行传输。

5 结束语

北斗卫星导航系统是由我国独立自主研发的具有精确定位、精密授时和短报文通信功能的卫星导航系统,对于国内用户来说,北斗卫星导航系统可靠性强,保密性优,性价比高,北斗卫星导航系统在海洋监测浮标上的应用,为我国的海洋监测技术提供了新的选择,为把我国建设成为海洋强国打下了坚实的基础。本文设计了一种利用北斗卫星导航系统进行定位与信息传输的波浪能自供电海洋浮标,为全天时、全天候稳定运行的海洋监测装备研制提供了新的思路。