Smart Float中卫星通信及定位模块的设计与实现❋

魏兆强， 张 浩， 王 岩， 刘焕斌

(中国海洋大学信息科学与工程学院，山东 青岛 266100)

1 深海智能浮标观测平台

深海大洋是地球气候系统的重要调节器，但也是目前认知极为有限的气候系统组分[1]。开展对深海大洋长期连续，并具有高时空覆盖率的多学科综合观测，对于揭示深海大洋物理、生物、地质化学及生态环境变化以及对气候影响过程与机理，提高对其预测能力，实现“透明”深海大洋具有重要的科学意义[2-3]。深海智能浮标观测平台(Smart Float)紧紧围绕“深海大洋变化及其在全球气候系统中的作用”这一关键科学问题，发展一种新型智能浮标观测平台技术，采用快速动力与可持续海洋能供电技术，使海洋综合观测延拓至4 000 m以下深层海洋，形成对全球深层大洋的观测能力，实现我国深海大洋观测研究跨越式发展，跻身国际最前沿，为防灾减灾、深海生物资源开发、关键海区的水下环境安全保障提供支撑[4]。

Smart Float突破现有的海洋观测技术的局限性，实现对下层海洋的观测，拓展海洋观测的时空覆盖范围及检测尺度，实现海洋立体探测，它搭载高精度传感器，大数据的存储、处理、实时通信，海洋环境能源获取与高效利用和基于自主卫星的数据通信等技术，并结合了海洋探测深潜技术的最新发展成果，实现对海洋的高时空覆盖、立体实时观测，特别是实现对2 000 m以下的深层海洋的观测，以满足海洋科学研究长期、连续、实时、多学科同步的综合性观测要求，对于海洋科学的发展和国防建设至关重要。

深海智能浮标集剖面探测漂流 Argo浮标和水下滑翔器功能于一身，结合现有Argo及滑翔机设计的技术基础和发展趋势[5]，将整个体系结构分为如图1所示的七大子系统/模块。具体包括：智能总控制模块、传感器模块、状态监测模块、卫星通信与定位模块、运动模块、应急管理模块、能源模块。

2 卫星通信及定位模块的设计与实现

卫星通信及定位模块在整个系统中起到至关重要的作用，精准的卫星定位以及高速率、实时的数据通信传输是按照要求形态调整、组网及动态演示的重要基础[6]。因此研制数据传输速度快、定位精度高的多种模式可选择的卫星通信与定位模块，可以实现剖面浮标的海上定位以及剖面浮标与岸基控制中心之间的双向数据传输。卫星通信及组网观测主要包括卫星通信系统和智能浮标组网控制系统。卫星通信系统主要开展低功耗的定位通信一体化的终端设备研究，面向深海的卫星天线研制，高性能通信与数据处理能力的地面站开发，以及面向海洋复杂环境的卫星通信协议研究。通信与定位模块的技术路线图见图2。

图1 系统总体体系结构图

图2 通信与定位模块的技术路线图

2.1 面向深海的通信专用天线研制

相对于陆地或海面上的卫星定位通信，系统中搭载卫星通信模块的Smart Float将下潜至4 000 m的深海执行任务。因此必须要求卫星定位模块的天线在体积、形状、密封性和耐压性等方面都能满足系统的要求。由于北斗系统落地信号功率较小，因此在传统的地面或海面上进行定位和通信时，多采用碟形天线、微带天线和四臂螺旋天线。但考虑到Smart Float本身的形状、其内部的空间以及执行任务所处的环境，无法为不同的模块分别布置多根天线，需要将通信模块和导航定位模块的不同天线进行集成。

针对深海环境的复杂性以及对通信天线通信质量的要求，设计如图3所示的圆柱形回转体结构的天线罩。该结构具有很好的结构强度和耐波性，不仅能够耐高压，同时不会增加智能浮标水下航行时的阻力，够很好的保证在完成良好的通信质量的同时不会给智能浮标带来额外的负担。对于天线罩与密封器件的连接和密封，也是必须要考虑的关键问题之一，为了能够保证良好的密封性，搭配天线转接组件、固定底座、连接管等与天线罩同轴、密封连接，将同轴信号线通过同轴连接器与水密电缆同心相连，提高水密性。

图3 系统专用天线结构示意图

2.2 通信定位一体机设计开发

通信导航定位一体机采用BDS/GPS联合定位作为定位手段，北斗和铱星系统作为数据传输手段[7-8]。GPS/北斗双定位模块，实时接收BDS和GPS定位卫星信号，提取原始观测量并解调数据，通过卫星电文分析及数据处理，完成要求的各项功能。主要包括射频前端、基带信号处理和应用处理3个功能单元。北斗和铱星的数据传输功能模块，通过低噪声放大、功率放大、上下变频和基带处理，实现北斗、铱星系统的数据传输。模块集成北斗和铱星射频收发芯片，基带电路，功放芯片等，完整实现北斗及铱星收发信号，调制解调全部功能。其数据传输过程见图4。

由于智能浮标的空间尺寸和供电能力有限，因此要在保证智能浮标能够完成正常的工作的前提下，尽可能使定位通信一体化终端的小型化和低功耗化，满足智能浮标海上定位与双向通信的需求。因此采取两方面的工作来尽可能降低其功耗，方法示意图见图5。一方面，控制通信定位模块的工作时间，通过控制通信定位模块的工作时间是最有效的降低功耗的方法，智能浮标在使用过程中通信定位模块不是时时刻刻都需要处在工作状态下，只需要在特定的环境下开启工作，因此通过采集水下压强数据来判断浮标是否上浮，若浮标上浮，则北斗模块启动，开启正常工作。若通过水下压强数据判断出浮标没有浮至海面附近，则此时不需要开启工作；另一方面卫星通过交叉工作的方式，例如铱星+北斗进行数据传输时，如果铱星完成数据传输，则不启动北斗，减少设备工作量,降低设备功耗。通过上述两种方法大大降低了通信一体化终端的功耗，从而延长了整个系统的工作时间。

图4 一体机的通信定位模块示意图

图5 通信定位一体机降低功耗设计工作流程图

2.3 面向海洋复杂环境的通信协议研究

针对北斗主传输、铱星辅助传输的卫星通信系统，设计终端传输选择机制，在向北斗系统发出请求无应答或通信效果较差时转为铱星系统传输。面向海洋复杂环境，开展针对不可靠链路的卫星通信协议研究，对SmartFloat系统发送来的指令信息进行校验、解析、分发；向SmartFloat按通信协议格式发送响应数据或状态信息。

(1)一代北斗/铱星卫星大数据量联合通信协议研究。 在利用北斗/铱星卫星进行大数据量的联合通信过程中，遇到两方面的难题。首先是数据长度的限制，SBD业务提供的是短数据的传输服务[9]，而由于海洋复杂的监测环境，需要进行大数据量的数据传输；其次是数据丢失现象，数据丢失的原因是多种多样的，通信终端的性能、复杂的天气情况等都会对卫星信号的传输有较大的影响。针对上述问题，制定了基于数据拆包的大数据量通信协议。对大的数据包进行拆包并加相应的包头，接收端对接收的数据包拆除包头，并对数据合并，完成大数据包的传输。

(2)面向海洋复杂环境的网络拥塞问题的研究。在海洋中多个smart float同时通过一代北斗和铱星卫星通信系统向用户中心传输数据时，数据的超时丢失意味着网络发生拥塞，影响卫星通信网络的传输性能。针对卫星通信网络的特点，增加可用带宽估计机制和丢包检测机制以得到拥塞的控制方法。

通过增加可用带宽估计功能解决拥塞窗口增长缓慢、带宽利用率受限问题。可用带宽越大，交换节点的缓存队列越长，因此增加可用带宽估计功能，可以预先计算出交换节点处缓存队列的大小，使窗口增长速度更快，提高卫星网络的吞吐量和带宽利用率。

增加丢包检测机制来区分丢包原因，从而采取不同的拥塞控制策略以解决丢包后检测恢复时间长。在发生报文段丢失时，根据网络的拥塞状况判断报文段丢失的原因，若处于拥塞状态，则执行该包的重传并进入窗口恢复；若不处于，则认为丢包原因是误码造成的，执行该包重传并继续窗口增长，窗口值及门限值均保持不变，从而减小误码对通信性能的影响。

3 结语

本文根据深海智能浮标观测平台系统中卫星通信及定位模块使用需求，设计出一体化、低功耗的卫星通信方案，为保证Smart Float的正常运行打下坚定地基础。通过对本文所研发设计的卫星通信及定位模块进行实验验证，该模块能够很好的实现Smart Float与水面监控系统数据通信和自身水面定位的功能，达到预期的效果。今后将对通信定位一体机的低功耗化和面向海洋复杂环境的通信协议进行进一步的优化处理，实现卫星通信更加精准的定位及更加高速、实时的数据传输。

[1] Edenhofer O. Mitigation of climate change.Working group III contribution to the fifth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[M]. UK and New York： Climate change, 2014.

[2] Wu L, Cai W, Zhang L, et al. Enhanced warming over the global subtropical western boundary currents[J]. Nature Climate Change, 2011, 2(3): 161-166.

[3] 吴立新,陈朝晖.物理海洋观测研究的进展与挑战[J].地球科学进展,2013, 28(5): 542-551. Wu Lixin，Chen Zhaohui. Progresses and challenges in observational studies of physical oceanography[J]. Advances in Earth Science, 2o13, 28(5): 542-551.

[4] Gould W J. From swallow floats to Argo—The development of neutrally buoyant floats[J]. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 2005, 52(3): 529-543.

[5] Chen G, Zhang H, Wang X. Annual amphidromic columns of sea temperature in global oceans from Argo data[J]. Geophysical Research Letters, 2014, 41(6): 2056-2062.

[6] 冉承其. 北斗卫星导航系统的发展[J]. 卫星应用, 2013, 4: 4-7. Ran Chengqi. The development of the Beidou satellite navigation system[J]. Satellite Application, 2013, 4: 4-7.

[7] Zhang S Y, Shang H M, Wen-Bin Li. Application of Beidou Satellite Navigation and Position System in Autonomous Profile Exploring Float[J]. Ocean Technology, 2009, 4: 126-129.

[8] Le R, Serge, Andre, et al. Bi-directionnal satellite communications on new profiling floats[J]. Mercator Ocean - Quaterly Newsletter, 2010, 37(4): 37-39.

[9] Pratt S R, Raines R A, Fossa C E, et al. An operational and performance overview of the IRIDIUM low earth orbit satellite system[J]. IEEE Communications Surveys, 1999, 2(2): 2-10.