基于北斗卫星通信与定位的深海回收信标机研制

张美燕，周莉萍，彭学虎(浙江水利水电学院 电气工程学院，浙江 杭州 310018)

基于北斗卫星通信与定位的深海回收信标机研制

张美燕，周莉萍，彭学虎
(浙江水利水电学院 电气工程学院，浙江 杭州 310018)

针对北斗通信与定位模块设计、水下嵌入式处理电路、机电联合微功耗控制、整机密封耐压工艺设计等关键部分，研制成功了一套深海和近海环境的海洋监测系统回收搜寻信标机，该系统采用北斗通信和定位技术获取回收信标机实时位置数据，进而导引用户搜寻设备完成回收，为海洋环境监测和调查设备的可靠回收提供技术保证.

卫星通信与定位；海洋环境监测；深海回收；信标机

0 引 言

在海洋环境监测领域，浮标、潜标和水下工作站是获取定点海洋环境监测数据的最普遍的搭载平台[1].作为一种连续、长期、无人值守的观测系统，浮标、潜标和水下工作站等海洋环境监测设备一直以来备受海洋研究者和海洋工程人员的青睐[2].海洋环境监测系统往往布放于广袤的海面或一定深度的水下，系统集成了很多昂贵的测量与探测仪器，也存储了大量宝贵的数据，因此海洋环境监测系统布放前必须考虑的问题之一就是后期如何实现系统可靠回收.目前，基于水声定位技术的超基线定位、长基线定位及短基线定位系统等作为主要的水下定位技术，由于系统复杂、所用设备昂贵，布放回收困难，所以并没有成为现今潜标和水下工作站的主要回收方式.目前潜标和水下工作站的回收基本上都采用了将系统投放时的GPS定位数据当作回收位置的方式.但是海洋环境监测系统容易受到海洋风暴、渔船的拖网作业、洋流等各种因素的影响，系统在回收之前其位置很可能会发生较大变化，这样给海洋环境监测系统的搜寻和回收带来了巨大的困难，甚至可能造成设备与数据的丢失，从而造成巨大的经济损失[4].由于国内还缺乏有效的搜寻信标机产品，往往设备布放前需要耗费大量人力物力进行多次试验以提高回收可靠性，从而尽量减少海洋环境监测设备丢失事件，避免损失大量昂贵设备及珍贵数据.因此，随着海洋环境监测系统的推广应用，迫切需要研制辅助海洋环境监测系统可靠回收的技术与设备.

本文设计的海洋监测系统回收搜寻信标机可提升海洋环境监测系统的自主性、安全性和作业效率，因此可以广泛应用于陆源入海排污区、海水养殖区、典型海洋生态脆弱区等场合，实现我省海洋水文、生态信息的长期监测，从而为海洋环境研究提供真实宝贵的数据，为环境资源保护与开发提供技术支撑.

1 国内外相关研究

国外已经出现了一些信标机系列产品.加拿大Xeostech公司[5]的Sable 5000产品具有铱星通讯和GPS定位功能，特制铝合金的外壳使得信标机能在5 000 m水深正常工作，而且信标机配备了大容量电池可支持长期工作.XMB-7500是Xeostech的另一款产品，该产品特制铝合金外壳使得设备工作深度达7500m.XMF-7500产品是一款LED光信标机，采用特制钛合金外壳，设备小巧，使用深度达7 500 m.加拿大的MetOcean公司也研发了上述几种类型的设备[6]，而且在设备参数等方面也比较相似(见图1).

图1 国外MetOcean产品

我国在该项技术领域尚处于起步阶段，目前国内几乎没有可用于水下环境特别是深海环境的信标机产品.目前报道和文献中只出现了一些船载使用的定位终端，因此无法满足在数千米水深工作条件下的使用需求.目前在需要用到信标机的海洋环境监测系统中，都采用了国外的昂贵产品，或者根本没有配置回收信标机，这样给设备回收搜寻带来了很大的困难.国外信标机产品广泛采用了由美国控制的铱星卫星系统，因此在使用的安全性和便捷性方面存在着较大问题.北斗卫星导航系统在全球范围内全天候为各类用户提供高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经具备了区域导航、定位和授时能力，随着北斗卫星数量的增多，定位精度将进一步提高，覆盖范围将扩展到全球[7-8].北斗卫星导航通信系统以其特有的短报文通信和精确定位能力，在各个应用领域的作用已经慢慢凸显出来.考虑到我国当前海域环境要素监测的迫切需求，为了在质量和参数上获得与国外同功能的产品可比性，突破国外技术垄断，本文研制了一种新型的基于北斗卫星通信与定位的海洋监测系统回收搜寻信标机.目前国内北斗卫星相关的产业链出现了百花争鸣的局面，也有很多自主研制的国产化北斗芯片.因此，本文研制的海洋环境监测系统回收搜寻信标机具有完全国产化意义.

2 基于北斗通信的深海信标机系统构架

基于北斗通信的深海信标机系统工作方式(见图2).当海洋环境监测系统准备投放部署之前，将信标机捆扎在海洋环境监测设备并下潜至一定的水深，此时机械开关处于闭合位置，压力开关处于断开位置，故信标机处于断电状态.当海洋环境监测系统处于回收阶段时，信标机随着海洋环境监测设备上浮，至距水面较近时，压力传感器触发信标机压力开关闭合，信标机开始接收北斗卫星定位数据，然后通过北斗通信方式将当前的经纬度位置数据发送出去，同时高亮LED开启闪烁提醒.信标机通过北斗卫星服务将实时位置数据发送到云服务端，用户终端实时获取信标机的位置数据进行解析显示，从而快速便捷地搜索到海洋环境监测系统，实现顺利回收.

2.1 北斗通信与定位电路设计与实现

北斗通信与定位电路是整个信标机系统中最关键的部分，其信号流(见图3).基带处理芯片通过UART串口接收到定位申请或通信申请数据时，将串口数据调制为BPSK基带信号发射给射频芯片，射频芯片上变频基带信号为中心频率为1 615.68 MHz的射频信号，然后通过功放芯片将射频功率放大，最后通过天线发射给北斗卫星.当系统接收到北斗电文信号时，通过低噪声放大器(LNA)[9]，将微弱的电波信息滤波、放大到一定增益的射频信号，然后射频芯片将中心频率为2 491.75 MHz的北斗一代报文信息解调为12.24 MHz的基带模拟信号，通过模数转换电路转换为数字信号，包括符号位和幅度位，最后基带芯片解析数字信号.

图2 基于北斗通信的深海信标机系统

图3 北斗通信定位信号流框图

2.2 水下嵌入式低功耗系统设计与实现

水下嵌入式电路系统的框架如图4所示：锂电池组、机械控制开关、水压感知开关、微功耗管理电路负责信标机系统的供电与管理，锂电池组的电能通过级联的机械控制开关和水压感知开关才能传递给信标机系统供电，微功耗管理电路负责信标机系统的功率测量及系统保护工作；北斗通信定位模块、微功耗处理器、LED驱动电路负责信标机系统的数据与控制，北斗通信定位模块完全采用芯片搭建，体积和功耗都根据信标机整体系统设计，微功耗处理器负责定位数据的获取与传输，同时对北斗通信定位模块实施休眠控制以降低功耗.在实际设计中，采用了STM8L系统微功耗单片机作为处理器，最低功耗可以达到0.35 μA，同时对各个模块加入MOS管控制功能，实现水下系统的微功耗，最大限度延长工作周期.信标机系统采用单节容量为3 400 mAH的松下18650电池组供电，9节并联后可以达到3 AH以上的容量，按照平均电流10 mA计算，可以连续工作15 d.

图4 水下嵌入式系统框图

2.3 信标机装置机械结构与组装工艺设计

信标机的大部分使用时间都是协作海洋环境监测系统工作的，因此长期处于高压、黑暗、低温等特殊的水下环境.由于海水的腐蚀性及破坏性，故信标机的设计要求很高，特别是耐压仓.本项目通过对水下防腐蚀、耐压密封、减振抗冲击等关键技术研究，从而保证密封仓的电子系统在海水环境中正常工作.为满足不同水深的耐压密封要求，本项目合理选取仓体材料、密封圈类型，采用先进加工工艺，多次打压测试，保障耐压密封质量；为了电子系统能在具有腐蚀性的海水中长期工作，耐压密封仓必须具备良好防腐蚀能力，本项目引入阴极保护、表面氧化处理技术来保证耐压密封仓的防腐蚀能力；同时，电子系统与仓盖一体化，使得电子系统具有良好的减振抗冲击性能.

信标机耐压仓的机构设计与机械开关设计(见图5)，主体结构主要包括三个部分：顶部端盖、主仓体以及底部开关，顶部端盖用于放置北斗天线和高亮LED灯，主仓体用于放置电路系统和锂电池组，底部开关用于进行手动断电控制与自动压力感知控制.其中底部开关的设计尤为复杂，包括如下5部分：(1)螺纹结构，连接柱形仓体，采用与端盖相同的密封圈密封工艺；(2)O型圈及柱形栓，中心位置有一根可移动的柱形栓用于传递水压，O型圈用于密封，防止水从柱形栓周围的缝隙渗进去；(3)凹槽型橡胶结构，底面是一层薄膜，用来感应水压，并挤压柱形栓移动；(4)手动开关，通过旋动旋钮，可控制系统电源的连接；(5)金属锌，作用是阳极保护，保护整个信标机仓体不易被腐蚀.

图5 机构装置与机械开关设计图

3 基于北斗通信的深海信标机系统测试结果

本文对信标机的关键部件——北斗通信和定位电路，在实验室环境中进行了功能和指标测试，图6是北斗一代导航通信模块实物图，图7为北斗通信与定位测试，测试结果表明收发端能实现可靠通信，同时接收端能准确定位并显示发送端位置信息，实现精确定位.北斗通信速率采用115 200波特率/秒，数据发送间隔为每分钟一次，数据包长度为64字节，实际测试性能一定程度上受天气影响，天气状况良好时，完成定位或者通信申请所需时间较短，通常为10～20 s，系统性能比较理想，通信定位成功率超过90%，定位精度小于5 m；当阴雨天时，由于北斗一代电报文信息衰减较大，导致完成定位或通信申请的时间延长，通常60 s时间都没法完成定位或通信过程，多次试验取平均值，可计算出通信定位成功率低于50%，定位精度达10 m左右，大大影响了系统性能.另外，信标机被装载在海底环境原位监测系统进行了海试，并通过顺利回收海底环境原位监测系统，验证了信标机的功能.图8为深海回收信标机近海海试场景，海洋环境下信号质量较高，使用效果良好.

图6 北斗一代导航通信模块实物图

图7 北斗通信与定位测试

图8 深海回收信标机近海海试场景

4 结 语

本文采用北斗通信和定位技术实现信标位置数据的无线卫星方式传输，通过绑定在海洋环境监测调查系统上的回收信标机获取实时位置数据，进而导引用户搜寻设备完成回收.本文研究了北斗通信与定位模块设计、水下嵌入式处理电路、机电联合微功耗控制、整机密封耐压工艺设计等关键部分，最终研制成功了一套支持深海和近海环境的海洋监测系统回收搜寻信标机，为海洋环境监测系统和调查设备的可靠回收提供技术保证，为海洋环境状况评级和依法监管的科学决策提供详实、可靠、及时的数据.

[1] 王 宗.海洋远程浮标数据传输与处理系统研制[D].杭州:杭州电子科技大学,2011.

[2] 祖 军,谭显英,韦鹤平.论我国海洋资源与环境的可持续发展[J].水资源保护,2001(1):7-10.

[3] LI ZHAO, SUN DAJUN, STAN E. DOSSO. Compensation for Sound Speed Bias in Underwater Transponder Locations [C]// IEEE/OES China Ocean Acoustics Symposium 2016:1-5.

[4] 王海员,于卫东,李奎平,等.一种海洋潜标适用的新型GPS信标机[J].海岸工程,2011,30(3):66-73.

[5] Xeos Technologies Inc. Subsurface Satellite Mooring Beacon [N/OL]. 2015-01-01 [2015-10-20]. http://portal.oichina.com.cn/oiweb_company_view.htm?userid=148.

[6] Metocean. Satellite Beacons: Oceanographic exploration is important. So are your assets.[N/OL]. 2015-01-01 [2015-10-20]. http://www.metocean.com/products/tracking-monitoring/novatech-beacons-flashers/novatech-satellite

[7] 于海侠.浅谈北斗卫星导航系统的发展意义[J].电子世界,2014(13):19.

[8] 唐金元.北斗卫星导航区域系统发展应用综述[J].全球定位系统,2013(5):47-52.

[9] 余之喜,苏凯雄,陈 俊,等.北斗导航接收机LNA的设计与仿真[J].现代电子技术,2012(5):99-101.

Deep Sea Recovery Beacon System Based on Beidou Satellite Communication and Positioning

HANG Mei-yan, ZHOU Li-ping, PENG Xue-hu

(College of Electrical Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

In this paper, one kind of beacon assistant for the marine environment and ecological monitoring system was proposed. The coordinate position of the marine environmental monitoring system is transmitted to the user with Beidou communication, so as to guide users to search for equipment to complete recovery. This paper mainly studied the beidou communication and positioning module design, underwater embedded processing circuit, electrical and mechanical joint micro power consumption control, whole sealing pressure process design, finally developed a set of recycling search beacon machine of deep sea and offshore environmental monitoring systems, which provides technical guarantee for reliable recycling of marine environmental monitoring and survey equipment.

satellite communication and positioning; marine environmental monitoring; deep sea recovery; beacon

2016-02-03

浙江省公益性技术应用研究计划项目(2016C33091)

张美燕(1983-)，女，台州三门人，硕士研究生，讲师，从事无线传感器网络、新型能源技术、物联网技术等研究.

P742

B

1008-536X(2016)08-0071-05