水下探测中继平台系统研究

隋元杰，王耀宾，崔志光



水下探测中继平台系统研究

隋元杰，王耀宾，崔志光

(中国科学院声学研究所北海研究站，山东青岛 266023)

水下升降中继控制系统能够依照控制策略实现天线仓的升降过程，通过水声通信机、卫星天线实现潜标与远程指挥机的周期性数据上传及指令下载。设计了系统的结构与通信方案，解决了水下小型排缆绞车、深水直流小功率电机、升降控制策略及通信协议等关键技术问题。介绍了锚系系统设计方案、工作流程、每个结构部分的功能需求及系统应用；通过预先设定的中继控制仓时间表，控制天线仓的升降，完善可靠的升降控制过程及通信协议，为系统功能的实现提供了条件。

中继平台；潜标；控制系统；水下探测

0 引言

海洋定点数据的采集是一个长期连续的过程，水下信息收集设备如潜标，能获取水下不同深度的长期连续的数据，由于它的浮体一般位于水面以下，因此具有很好的安全性和隐蔽性[1]。

然而，由于工作在水面以下，水下探测设备与远程岸基之间的数据实时交换受到制约[2]，为了改善水下探测及信息收集系统数据的实时通讯性能，经过多次试验、改进，设计出一套实用水下探测中继平台系统。该平台系统能够搭载水声设备，能够存储、处理设备数据，使用水下绞车机械装置收放绳缆，控制天线仓的升降，实现水下设备与远程岸基之间的数据交换。

1 设计方案及结构

1.1 系统整体设计方案

中继平台系统(结构示意图1)主要包括：卫星天线仓、平台浮体及升降装置、中继控制仓三部分。

潜标系统整体通过释放器与重块连接，锚碇在海底。平台浮体及升降装置可以工作于水深100 m以下，中继控制仓与潜标之间采用线缆进行通信，与天线仓之间采用水声通信机进行通信。水下小型排缆绞车与卫星天线仓之间用细绳连接，通过收放细绳进而实现卫星天线仓的升降。由于电池电量的限制，潜标系统在水下的最长工作时间为一个月，工作任务设为每天升降一次并完成各种指令及数据的通信。

在非数据通信工作时间内，系统隐藏在海面以下，具有隐蔽性，到达预设上浮工作时间时，中继控制仓唤醒天线仓并根据一定的控制策略控制电机工作，从而将天线仓释放出海面。天线仓露出海面后，如果姿态不平稳可以通过水声通信机给中继仓发指令，请求继续放缆；之后天线仓可以跟岸基指挥机通过卫星进行指令及数据信息通信，潜标及中继平台的信息也可以通过水声通信机上传至天线仓。完成通信后，天线仓进入休眠状态；当中继仓时间表回收时间到，中继仓控制电机转动将天线仓回收到一定的深度并等待下一次任务。

卫星天线仓配备有浮体及卫星天线，独立电池供电，能够挂载CTD，水声通信机，也可以挂载各种自容式设备，升降过程中测试各种海洋环境参数的周期变化规律，卫星天线仓需要进行配重调整，使其露出海面后能够保持比较好的姿态以便进行卫星通信；平台浮体及升降装置主要包括：不锈钢框架结构，深水浮体材料，水密电机，水下小型排缆绞车和其他机械传动装置，以及水下锂电池组等；水下锂电池为单体不锈钢密封壳体结构，电量为24V70AH，可以将水下锂电池并联连接增大储备电量，可以同时给电机、中继控制仓、CTD及水声通信机供电；中继控制仓主要为一套电路系统，根据通信协议存储转发指令及数据，并可以根据策略控制电机的正反转实现天线仓升降，可以挂载CTD，及其他水声设备。

1.2 卫星天线仓设计

图2为卫星天线浮体露出水面的姿态图，采用圆柱型浮体结构，电子仓安装在浮体中间，使重心保持较低，当露出水面进行无线电通信时，天线仓保持较好的动态稳定性。

天线仓内安装有一套卫星通信电路，能处理多种外设数据。同时天线仓具备卫星信标的功能，当潜标系统浮出海面，或者出现异常，天线仓在非设定时间内露出海面，均可以自动连续向指挥机发送定位信息，报告所处的位置坐标。图3是2015年1月湖试测试的天线仓深度随时间变化曲线。

1.3 绞车及升降机械设计

驱动电机为自行设计加工的深水直流小功率电机，电机输出功率为30 W，供电电压为24 V，额定电流为2.2 A。可以驱动水下小型排缆绞车，最大驱动负载为30 kg。电机带停电制动功能，可以防止绞车在天线仓正浮力的作用下转动，导致天线仓异常浮出海面。

水下小型排缆绞车采用新颖的结构形式。电机驱动齿轮转动的过程中，丝杠推动缆筒在滑动轴上做往复运动，同时滑动轴驱动缆筒做旋转运动，而出缆口的位置保持不动，始终处在绞车的中间部位。这样可以将缆筒限制在较小的空间里，缆绳在不受力的情况下不容易松动缠绕。绞车采用不锈钢材料加工，齿轮为尼龙材质，旋转活动部位均采用陶瓷轴承结构，减小了滚动摩擦力，同时具有耐腐蚀的作用。绞车结构如图4所示，图5是绞车的实物图片。

图4 绞车结构示意图

Fig.4 Schematic diagram of winch structure

由于需要长期工作于水下，为了防止海生物的附着生长，可以将绞车整体用不锈钢薄板外壳罩住，只保留出缆孔，这样在基本密闭的空间内可以有效防止海生物附着生长。

在上浮的过程中，绞车在天线仓正浮力的拉力下，电流很小，为0~0.2 A；在回收天线仓的过程中，电流会比较大，特别是天线仓入水的过程中，由于受到海水阻力、海流以及海面涌浪的影响，会出现电流比较大的情况，入水之后同样也会受到海流和海水阻力的影响。为了防止长时间过载，中继控制模块会根据控制策略，进行过流保护，如2015年湖试过流保护参数为2 A，大于2 A会停机保护，间隔一段时间并多次尝试回收天线仓。

1.4 中继控制单元设计

中继仓结构如图6所示，采用MSP430处理器，具有4通道外围通信能力，具有RTC时钟单元[3-4]，外扩1 G Flash存储电机驱动及能耗测量部分。由于需要长期工作于水下，能耗是至关重要的问题；每天大部分时间处于非工作状态，在此期间系统处于休眠状态。其他挂载设备也是需要工作期间才供电，非工作期间则断电处理。尽量减少电量浪费。

中继控制仓起着承上启下的重要作用，向下通过线缆与水下潜标仓进行通信，向上通过水声通信机与天线仓进行通信。能够将接收到的潜标数据经水声通信、卫星天线上传至远程岸基；远程岸基指令经卫星、卫星天线至水声通信机，信息经中继控制仓解析，指令下载到潜标中。同时中继控制仓可以检测自身深度的变化，并根据时间表控制电机的转动实现天线仓的升降过程。中继控制仓在系统中具备很好的独立性，可以根据控制策略自行判断并实现升降过程，以及放缆、回收任务。另外中继控制仓兼有水下平台作用，具有多个接口能够挂载多种水下仪器及传感器。

1.5 通信及控制

通讯结构设计中包括地面指挥机、天线仓、中继控制仓和潜标电子仓。其中地面指挥机与天线仓之间使用卫星通讯方式，天线仓与中继控制仓之间使用RS232接口的水声通讯机通讯，中继控制仓与潜标电子仓之间为RS422/485方式的线缆连接通讯方式。

为了实现单元间的可靠通信，高效合理的通信协议是至关重要的，本设计根据实际情况结合前期经验，制定了一套通信协议。经实测能够很好地应用于本系统。其中几项关键内容点如下：

(1) 基本数据帧格式

图7为基本数据帧格式。传输报文以启动字符开始，以结束字符作为报文结束。数据帧中包含收发方的地址，便于本单元判别、解析、执行或转发。

启动字符 长度 命令发送方的地址 命令接收方的地址 命令码 数据区(若干字节) 帧校验和 结束字符

(2) 上行下行定义

下行：地面指挥机→天线仓→中继仓→潜标

上行：潜标→中继仓→天线仓→地面指挥机

(3) 指令应答方式

为了增加通信的可靠性，每条指令都采取应答的通信方式。

其中，天线仓与中继仓之间以北斗方式进行通信，考虑到天线仓在海面姿态等因素，尤其要注意通信的可靠性。

下行的指令传输过程中，命令发起方发送指令后，接收方会发送指令应答。若在一定时间内，命令发起方没有收到指令应答，则认为发送失败，重新发送指令，最多重发一次。若仍发送失败则记录为异常状态，通过上行通道向地面指挥机报告(当天线仓位于水面时)。

(4) 通信指令

升降控制通讯协议中包括通讯命令格式，主要通讯命令包括：状态申请、深度查询、参数更改、任务时间表更改及读取、定位信息获取等。

2 系统应用

本文设计的水下探测中继平台系统前期进行过相应的测试，并于2015年进行了湖试，图8是千岛湖70 m深段，一个升降周期的电流曲线。

经测试，在天线仓净浮力为13 kg的情况下，一个升降来回耗电量为0.2 Ah；上浮过程电流为0.2~0.5 A，回收过程电流为0.8～1.7 A。负载为20 kg情况下，一个升降来回耗电量为0.35 Ah；上浮过程电流为0.1～0.5 A，回收过程电流为0.8～2.5 A。天线仓最大深度为40 m，升降速度约为6.5 m/min。

3 结语

本文设计的系统具有一定的通用性，能够满足海洋定点数据的存储、处理，能够以升降天线的方式，采用卫星通信的方式，将潜标数据上传到远程岸基，同时接收下达岸基任务。也可以通过使用该系统实现海洋定点海洋环境参数的长期周期性测量并可以实现实时监测。

[1] 周阳. 海洋定点监测升降式浮标控制系统研制[D]. 杭州: 杭州电子科技大学, 2012, 12: 1-2.

ZHOU Yang. The design of lift buoy control system for marine fixed-poin data monitoring[D]. Hangzhou: Hangzhou Dianzi University, 2012, 12: 1-2.

[2] 夏凡壹. 海底观测网岸基数据局域网的设计与实现[D]. 杭州: 浙江大学, 2013: 2-5, 11-12.

XIA Fanyi. The design and implementation of shore local area network data system of seafloor observatory[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2013: 2-5, 11-12.

[3] Texas Instruments.MSP430x5xx and MSP430x6xx Family User’s Guide[EB/OL].2008-6[2014-6].http://www.ti.com.cn/product/cn/msp430f5438

[4] Texas Instruments. MSP430F543xA, MSP430F541xA Mixed-Signal Microcontrollers(Rev.E)[EB/OL]. 2010-1[2014-10]. http://www.ti.com/product/msp430f5438a

Study of relay console system for underwater detection

SUI Yuan-jie, WANG Yao-bin, CUI Zhi-guang

(Qingdao Acoustics Laboratory, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266023, Shandong, China)

The underwater lifting relay control system can implement the process of antenna lifting according to control parameters. The periodic data transmission and instruction downloading from submerged buoy to remote command module can be executed by underwater communications equipment and satellite antenna. The systemic structure and corresponding scheme are designed. The key technical problems on underwater mini-winch for laying cable, deepwater low-power DC generator, lifter controlling parameters and communication protocols are solved. The design scheme and working flow in the anchor system are introduced, the functional requirements for structure sections and the system applications are also recommended. The antenna lifter can be controlled by a pre-established relay console schedule. The perfect manipulative process and communication protocol can provide the conditions for achieving the system functions.

relay console, submerged buoy, control system, underwater detection

TB533

A

1000-3630(2016)-01-0011-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.01.003

2015-01-19;

2015-04-30

中国科学院声学研究所所长择优基金项目

隋元杰(1981－), 男, 山东莱阳人, 工程师, 研究方向为水声实验技术研究及海试设备的研制。

隋元杰, E-mail: suiyuanjie@mail.ioa.ac.cn