北斗卫星导航系统在海洋浮标中的应用

2014-07-17洪常委

声学与电子工程 2014年2期

洪常委

(第七一五研究所，杭州，310023)

北斗卫星导航系统是我国自行研制、自行建设、自行管理，具有完全自主知识产权的区域性卫星导航系统。该系统主要由空间卫星、地面中心站和用户终端三部分组成，具有双向通信、快速定位（北斗二代）和精密授时三大功能。该系统于2000年底完成卫星发射和地面系统建设，2003年4月对民用市场开放，现在已经在国民经济各个领域得到了快速的应用。

海洋浮标监测过程中很多项目需要远海、长时间数据监测，需要耗费大量的人力、物力。北斗卫星导航系统所具备的数据通信功能可以很好的解决海洋监测数据通信的问题，通过地面站不仅可以轻松获得监测数据，而且可以利用双向通信功能对远在万里之外的设备进行遥控。北斗卫星通信在海洋监测中具有良好的应用前景。

1 北斗卫星通信特点

根据北斗卫星导航系统建设总体规划，2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统[1]。现阶段大量使用的为北斗卫星导航试验系统即北斗一代，具有以下特点：

a）使用安全：北斗卫星导航系统是我国自主知识产权的卫星导航系统，使用不受国外技术所影响。

b）适用于保密产品：系统通讯、控制均在国内通过地面站完成，完全满足军用数据卫星通信保密要求。

c）数据通信实时性强：数据传输快捷，一次发送时间大约为1 s，接收终端在几秒钟之内就可以接收到发送端传输的数据，实时性较强。如果采用国际海事卫星进行数据传输，从发送到接收一般需要几分钟甚至更长时间，ARGOS卫星需要在一定的时次才能经过，通信的实时性就更难保证。

d）与国际海事卫星相比具有体积小、设备价格低、使用成本低等特点。

e）可以与GPS等其他常用导航系统配合使用。

目前使用的北斗一代具有以下技术参数：a）覆盖区域，东经70º～140º、北纬 5º～55º；b）通讯类型，报文通信；c）通信频度取决于SIM卡类型，目前民用卡的通信频度为60 s；d）报文长度，目前民用为100 byte。

2 海洋浮标简介

随着海洋监测技术的发展，各种适用的测试设备应运而生。海洋浮标技术含量高且经济适用，是海洋环境监测的重要技术装备。如海面浮标能够长期、隐蔽地在水中工作，搜集各种海况下的环境噪声信息，可以完成远距离海洋环境监测、水文勘察等，是调查船在空间和时间上的延伸扩展；固定式监测浮标因其体积较大，可以搭载大量传感器，适合布防在近海、港口，能够对海水温度、盐度、酸碱度、溶解氧、风力等各类参数进行监测，是海洋环境离岸监测的重要手段；走行式潜标可以根据需要完成地貌探测、水文测量等功能。

以上各类浮标对远距离无线通信均有迫切的需求，海面浮标、固定式监测浮标需要通过无线通信完成试验数据传输；走行式潜标需要通过无线通信掌握本体状态，并根据需要进行控制。本文以某型浮标为例，探索北斗卫星通信在海洋浮标中的应用。

3 北斗卫星导航系统的应用

随着北斗卫星导航系统产品的逐步发展，电路体积变小，利用低压电池供电，可用于小体积的浮标之中。卫星终端电路中需装配有北斗卫星专用SIM卡。SIM卡分民用、军用两类。根据不同需要可以定制不同类型的适用天线。图1为北斗卫星终端安装于浮标的实物图，其中金属圆盖内为北斗卫星终端电路，白色圆柱体为水密卫星天线。卫星天线直径80 mm，高度220 mm。卫星终端电路及天线的待机功耗2.5 W，发射功率45 W。

图1 北斗卫星通信天线及浮标实物

将北斗卫星定位、通信功能应用到浮标中，能够有效的实现浮标定位、探测数据实时传送的功能，图2为系统工作示意图。

图2 系统工作示意图

北斗卫星导航系统的应用需要浮标系统控制单元根据北斗卫星接口协议进行控制。主要控制过程简述如下。

（1）功率检测

北斗卫星导航系统的通信功能由北斗一代的三颗卫星实现，北斗卫星提供6个通信波束，在进行卫星通信之前需要进行波束功率查询，一般要求2个以上的波束具备功率2以上（波束功率为1～4四个功率档）视为卫星终端功率状况良好，具备卫星通信条件。

（2）定位申请

北斗卫星导航系统在有标校站时定位误差不大于20 m，在远离海岸100 km外时，定位误差不大于100 m，浮标在工作中随海浪漂流，每次进行卫星数据通信前需进行浮标定位，获取浮标的地理位置信息。定位申请需按照北斗卫星接口协议进行。

（3）授时申请

为获取浮标工作时刻信息，在进行浮标定位申请时还需要进行授时申请。

（4）通信申请

在完成浮标定位及浮标测量数据的压缩处理后，将测量数据与定位信息、浮标状态信息按照北斗卫星接口协议编写通信申请指令。目前常用的民用SIM的报文通信长度为100 byte，但为了可靠的发送报文信息，建议适当缩短报文长度。民用SIM卡的报文发送频度为1 min，即1 min内仅可以进行一次通信申请，如超频使用将会收到报警信息。

（5）反馈信息

在浮标发送通信申请后，卫星系统将会提供一条反馈信息，在反馈信息内告知发送是否成功，如发送不成功或未收到反馈信息，需要进行再次发送。如发送成功则需待机一段时间，等待地面站是否有控制命令下达。

（6）接收控制

北斗卫星导航系统具备双向通信功能，不仅可以由浮标发起数据传输通信，也可以由地面站发起控制命令传输通信。地面站发送控制命令必须在浮标北斗卫星终端开机状态才有效，一般考虑在接收到浮标发送的数据信息后即刻进行控制命令发送。

（7）命令回送

为保证控制命令的可靠下发，一般要求浮标在接收到控制命令后，需要将控制命令原文回送至地面站，告知控制命令已成功下发。浮标与卫星导航系统通信命令协议如表1。

表1 浮标与卫星导航系统通信命令协议

其中接收控制、命令回送与通信申请的协议格式相同，仅报文内容不同，具体报文内容根据海洋浮标的控制需要进行调整。

装配完成后的浮标进行了湖试，对北斗卫星定位、通信功能进行了研究。主要试验状态有：（a）浮标保持不动，如图3，最理想状态；（b）在一定区域内摇摆，如图 4，模拟低海况；c）朝不同方向，保持与水面约15°倾斜，如图5，模拟较高海况，天线底部接触水面；（d）倾斜情况下对准浮标水上部分不停泼水，模拟高海况或降雨、（e）浮标天线部分露出水面，模拟被其他物体勾住，导致一定程度下沉。

图3 理想状态

图4 模拟低海况

图5 模拟较高海况

在上述5种情况下，北斗卫星定位、通信工作正常，顺利实现数据发送，接收机顺利完成数据接收，并根据通信协议完成解码和后续处理。

湖试完成后的浮标随海洋科考船前往外海进行投放，浮标持续工作24天，发送数据480批次，浮标定位及数据发送成功率为 83%。试验浮标具备了远海数据卫星连续定位、通信功能。随着北斗卫星导航系统的进一步建设，工作区域会进一步扩大。如图6中的粗线为浮标试验中漂流的轨迹。

图6 浮标漂流轨迹图

4 应用前景分析

随着北斗卫星导航系统建设步伐的加快，北斗系统在各种民用、军用产品中已逐步扩展，目前南海、东海大部分远洋渔船已装配北斗卫星导航系统，该系统可以与GSM、Internet网络直接连接[2]，通过北斗终端可以与手机、家用互联网通信。汶川地震中陆军装备的北斗手持机发挥了重要作用。在海洋监测及海军装备方面，北斗系统的应用也在逐步展开[3]。

虽然目前北斗卫星导航系统还存在不能全球定位、全球通信的能力，但其双向通信功能、自主安全、低成本的特点，使得北斗系统在需要远距离、全天候数据传输的产品中具有越来越广阔的市场。有效利用我国自主研发的北斗卫星导航定位系统对于提高海洋监测类产品的竞争力具有重要作用。