杨会金;王嘉鑫;姚武军
【摘 要】海洋环境参数的实时获取及统计分析,对于决策海上试验时机与开展训练任务具有重要意义.本项研究针对海流区域监测系统数据实时传输任务及传输距离的要求,采用水声通讯技术、无线电通讯技术、GPS定位技术,研制了1套全天候工作的锚定式海洋中继通讯浮标,解决了远离岸基布放的坐底式海流区域监测系统对岸基的数据传送,及岸基发射指令对水下系统的远程遥控,给出了海上应用结果.%Real time achieve and analyse the ocean environment characteristic, has a great significance to decide sea experiment opportunity and develop training task. This research aims at the request of ocean current area measure system real time transmit data task and transmit distance, adopts underwater acoustic communication technique,wireless communication technique and GPS fixed position technique to carry out an all-weather working ocean relay communication buoy. It solves transmitting data from the bottom type ocean current area measure system laies far from shore base to shore base and sending command from shore base to long-distance remote underwater system, and gives out the results to sea application. 【期刊名称】《舰船科学技术》
【年(卷),期】2011(033)005
【总页数】4页(P78-81)
【关键词】中继浮标;水下声学通讯;实时获取
【作 者】杨会金;王嘉鑫;姚武军
【作者单位】大连测控技术研究所,辽宁大连116013;大连测控技术研究所,辽宁大连116013;大连测控技术研究所,辽宁大连116013
【正文语种】中 文
【中图分类】TN925
0 引言
海流区域监测系统属无缆水下测量设备，可在无人值守及海况恶劣条件下长时间工作。如
何实现无缆式水下测量装置测量数据的实时传送，接收岸基的指令遥控及状态反馈，是海洋测量技术中的一个关键环节。
本文主要针对海流区域监测系统数据传输及控制的需要，论证了中继浮标技术方案，进行了系统研制，给出海上试验与应用结果。
1 系统方案
1.1 系统组成
中继浮标主要由无线数传电台、GPS单元、声学Modem、控制器、电池组、天线、锚灯、浮标罐体、锚和系缆等部分组成。主要完成水下测量装置与水面舰船平台或岸基平台之间的数据传输和指令中继，本体具有定位功能。中继浮标组成如图1所示。 中继浮标具备长期值守、可靠工作的特点，它替代了舰船作为搭载平台完成数传及双向通讯的功能。具有可靠、成本低、作用距离可延伸的特点。
1.2 主要技术指标
通讯浮标技术指标如表1所示。
1.3 工作原理
中继浮标布放前，打开电源开关，浮标进入初始化和自检状态，并经指示灯确认。常态下浮标水声Modem和无线数传模块均处于接收状态，为保证海洋环境特性数据的可靠上传，控制器置水声Modem接受中断优先，对接收到的水声Modem数据，采用记忆重发的方式，传送至甲板单元或岸站平台。中继浮标电气原理如图2所示。
图2 中继浮标原理图Fig.2The electronic construction of communication relay buoy
2 系统研制
系统研制采用成熟技术进行系统集成，优化系统性能，保证系统满足总体技术指标要求。
2.1 无线数传模块
无线数传模块实现岸基与中继浮标的双向通讯。
无线通信性能由发射机的射频输出功率、接收机的接收灵敏度、系统的抗干扰能力及发射/接收天线的类型和增益等因素决定。
海洋浮标
根据路径损耗公式:
其中:L os为传播损耗，dBm;d为距离，km;f为工作频率，MHz。
中继浮标选择日精ND889A数传电台［1］，ND889A数传电台工作频率范围为220～240 MHz，频率稳定度为±2 ppm，发射功率为2W/5W/10W/ 15W/25W五级功率编程设置，浮标端天线采用全向中增益（6.5 dB）天线，岸站端采用8木定向（11 dB）天线。
浮标端发射功率设定为10W（40 dBm），接收机灵敏度0.2 μV（－121 dBm），如大气、遮挡等造成的损耗为25 dB，由式（1）可得:
实际上，空气及海面等介质对电磁波吸收、衰减的影响很大;其次是考虑发射天线和接收天线的效率，接收机的抗干扰能力，以及各种电磁干扰的影响。实际传输距离按理论的10%计，传输距离大于50 km，满足系统设计要求。
2.2 GPS定位单元
中继浮标长期锚定在任务海区，无人值守，在风浪等恶劣条件影响下，可能出现走标现象，或受渔船拖拉，恶意打捞等安全因素影响而改变锚位。因此，对浮标的定位就显得十分必要。
中继浮标采用Trimble公司的Lassen-IQ OEM模块处理单元实现，该处理单元技术成熟，接口简单，体积小，功耗低，单点定位精度＜5 m CEP，数据更新率为1 Hz，数据协议为NMEA0183标准协议。
GPS定位信息（NMEA 0183输出语句）数据格式如表2所示。
算例:
$GPRMC，051552.00，A，3852.0213，N，12139.8838，E，000.0，075.7，170407，06.8，W，A*10。
（北京时间（+8）:2007年4月17日13:15:52，北纬38°52.0213'，东经121°39.8838'）。
2.3 声学Modem
本系统设计传输距离要求大于3 000 m，锚定海域水深约70 m，属于浅水区域。因此，声学通讯应选择具有抗多途干扰强的产品。LinkQuest公司UWM3000H型声学调制解调器［2］采用了先进的高速数字调制解调器技术、宽带换能器技术、宽带扩频技术，信道均衡技术抗多途干扰。该型产品在高发射功率状态下作用距离可达6 000 m，实际作用距离与水深和背景噪声有关。净荷载数据速率320 bit/s，接收模式功耗小于1 W，休眠状态0.9 mW。
2.4 控制器与外部接口
控制器实现中继浮标时序和指令控制，是中继浮标的核心。
控制器连接的4个功能模块均为串行接口方式，并应达到长期值守过程中功耗低的要求。因此控制器选择TI公司超低功耗处理器MSP430F5438，该处理器外部有4个独立串行接口，值班模式下功耗小于1 mA，适合用于各种自持式系统。
声学Modem通过8芯水密连接器与浮标舱体连接，数据传输方式有RS-232和RS-422两种。考虑其布放深度的不确定性，选用适合长缆传输的RS-422接口方式。
数传天台和GPS模块均采用同轴电缆与天线连接，连接器选用BNC高频接插件，并进行防水处理。
2.5 结构设计
浮标结构设计原则为“对称、低重心、小惯性”［3］，浮标组件便于安装维护。
根据测量对浮标稳定性的要求，浮标体成圆柱体型，浮体材质为标准304不锈钢，从而达到较强的抗冲击和耐海水腐蚀能力。
电子舱电池组安装于浮标下部，起到配重压舱的作用。支架固定在浮体上，采用小截面耐腐蚀材料焊接，支架上端架设天线，支架要求牢固可靠，在强风和波浪摇摆情况下不变形。
中继浮标标体表面静电喷涂，参照《GB 4696－1999－中国海区水上助航标志》黄涂装。浮标结构组装图如图3所示。
图3 中继浮标结构组装图示Fig.3The mechanical construction of communication relay buoy
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