基于北斗授时的CDMA通信预警浮标设计

王世明，姜 超，江恩祝

（1.上海海洋大学，上海 201306；2.国家海洋局东海标准计量中心，上海 201306）

0 引言

舟山以东35公里的海区是传统渔场，渔业生产作业频繁，生态浮标和海洋观测设施在布放的期间，浮标上的北斗通信机、太阳能板、航标灯等设备受到严重破坏[1,2]。回收浮标的锚链上缠绕有大量的渔网，渔民在贴近浮标站位布网作业，此时就会发生故意或无意损坏浮标设备的行为。为了针对渔民的故意破坏，可在预警浮标上安装视频监控系统，对浮标周围的环境进行拍摄，追踪故意破坏浮标的人员和船只。针对目前国内尚缺乏预警浮标的设计，本文提出基于北斗卫星授时的CDMA集成通信模块，浮标数据传输采用双向模式，岸站远程监控中心平台可以发送指令给浮标，实现岸站与浮标系统的双向信息传递，且数据通讯可实现四路视频的信号传输，定位数据和四路检测信号的传输。该技术的使用为我国海上结构物以及相关海上监测系统的安全稳定运行提供了技术保障。

图1 预警浮标布放点

1 预警保护方法

东海东福山岛附近海域是传统的渔业捕捞区域，其中捕鱼期拖网作业较为频繁，对海底观测网造成了最大威胁。海底电缆可埋于海底3～4米处，可避免一般渔网的破坏，而观测网设备安防在海底上方0.5～1米左右，为主要的保护目标。传统放拖网架与高强度防护罩的设计受到近年来拖网的威胁也越来越大，拖网有时会将观测仪器和保护结构物一起拖走，也起不到警戒和保护的作用。基于小衢山附近海域观测网的保护技术方法，采用海面警示的方法，达到警告渔船不要进入特定海域进行作业的目的。以海底观测网为中心，采用正五边形警戒网设计，组成区域网，确保观测网在任意方向都可观察到多个预警浮标。考虑到舟山海域为不规则半日潮，潮差在2～5米左右；流速受潮流影响，基本上大于1m/s；且该海域受到台风作用明显，其中7～9月份最为严重[3]。据此设计浮标锚链，浮标锚链长度L=（2～4）H，其中H为所在区域的海水深度。警戒浮标布放点与海底观测网之间的距离约为锚链长度[4]。

按照《中国海区水上助航标志》GB4696-1999中专用浮标设计要求，浮标体以黄色为基调，以黄色的 “X形”顶标标识[5]；航标灯采用黄色灯，并安装雷达反射器。

2 预警浮标设计关键技术

图2 预警浮标正五边形布放点示意图

海洋预警浮标的设计作为海洋监测技术，是一种多学科、跨领域，集合计算机、通信、数据库等综合技术。基于北斗卫星授时的CDMA无线通信系统的海洋预警浮标设计包括硬件系统和软件系统两大方面。硬件系统主要包含了浮体、北斗卫星和CDMA通信集成模块、传感器系统以及供电系统[6,7]。软件系统主要是上位机软件系统以及Access数据库，作为数据处理的工具，完成与浮标内部通信模块的对接以及接收、存储和发送传感器检测的各种参数。

2.1 预警浮标结构设计

该浮标主浮体直径2.6米，分5个舱室，浮标中间为电池舱，外围分4个独立的浮力舱。浮标总排水量约为6.4吨，自重约为2.6吨。浮标主要由浮体和塔架两部分构成，主浮体高度1.43米，含配重支架高度为1.96米。塔架高度为2.26米，塔架顶端有一个直径0.8米圆盘平台，供安装浮标通信天线、航标灯、气象观测要素传感器、视频监控等设备。浮标总高度约为4.2米，可进行拆分，能用一般车辆实现陆路运输，可实现快速部署。

图3 浮标结构图

2.2 通信方式

本系统是采用手机无线通讯网络，浮标布设区域是无线通讯网络覆盖区。项目位于舟山近海海域，手机网络覆盖较好，数据通信不存在问题。鉴于浙江地区海上无线网络的通信情况，CDMA优于其他方式，本方案将采用CDMA无线数据传输。CDMA通信系统过去都是采用GPS作为基站同步时钟，受到GPS安全性能差，自主性较低以及通信质量差等影响，因此有必要采用其他卫星授时技术，而目前国内外主要的卫星通信系统有GLONASS、Argos、以及北斗卫星等[8]。

表1 卫星系统功能比较

北斗卫星通信系统主要由陆地控制站、用户接收站和卫星系统三部分组成。作为我国独立研发的卫星系统，北斗卫星通信相比于Glonass和Galileo卫星通信功耗小，具有较高的定位精度；相比于ARGOS系统，北斗卫星通信的精密授时功能有着巨大的优势。此外，北斗卫星通信具备定位于通信双重功能，可靠性强，使用安全。采用北斗卫星授时的CDMA无线通信的方式，满足CDMA通信系统对精准授时、时间同步以及安全性能的需求[9]。

2.3 数据控制系统

基于北斗卫星授时的CDMA无线通信系统，增设对应的航标灯、低电压、舱进水、位移等监控报警功能。当有事件发生时（如船舱进水、航标灯灭、电源低电压），浮标系统会及时发送报警信息，岸站接收报警信息后，实时显示报警。数据处理主要由四大部分组成，分别是浮标视频采集与传输系统、事件报警采集、监控管理平台等组成。

2.3.1 浮标视频采集与传输系统

浮标视频监控系统分为前端浮标视频获取监控系统、4G无线通信和监控中心平台三大部分。采用四个防水摄像头，摄像头安装在自平衡装置上，消除因浮标摇晃带来的摄像角度及模糊现象的影响，实现对四个方位的视频记录。浮标上可存储视频文件，根据岸站设置，可实现定时视频截图的传输。岸站与浮标是通过4G网络连接在一起的，管理人员通过岸站的控制软件实现对浮标相关参数的设置以及数据调取。在岸站接收软件上，可进行浮标传输照片或视频的控制选择，也可以根据需要将浮标内的视频记录下载到接收岸站。考虑到数据量大，存储卡容量有限，系统将会以最新的视频覆盖较早的视频，从而解决存储容量的问题。

图4 北斗卫星和CDMA集成模块

2.3.2 事件报警采集

浮标除了实现视频监控外，还可GPS定位、航标灯状态、仪器舱进水、低电压报警等要素的采集。在报警发生时，系统即时向接收岸站发送报警数据。

浮标位置报警信息是在岸站产生的，当岸站接收到浮标位置定位数据后，岸站程序对接收的位置数据进行比较，当位置偏离数值大于设定值时，表明浮标已偏离原站位，这时会发出报警信息。浮标监控系统集成的北斗定位模块，实现对浮标位置的定位，定位时间发送间隔可以通过岸站来设置，设置的步长以秒为单位。岸站实时接收浮标发来的定位数据以实现浮标的准确定位。

浮标监控系统集成了四路开关量数据采集通道和串口数据直传通道，我们利用开关量采集通道对航标灯的状态进行采集，监视航标灯的亮灭状态，当航标灯出现异常时，及时将信息发送到岸站。

浮标舱进水报警利用浮标监控系统集成了四路开关量数据采集通道，加装传感器对浮标仪器进行监视，当浮标仪器舱出现进水现象时，浮标系统就会采集到进水的相关信息，并发送至岸站。

当浮标电源电压下降至10V时，系统将会发出报警信息，接收岸站将会实时接收到欠压报警信息。

2.4 预警浮标的电源设计

图5 数据处理系统

电源是预警浮标工作的电能供应基础。预警浮标电源系统采用太阳能电池板与大容量蓄电池组组合而成的供电形式。该浮标设计考虑到电源的重量、安装方式以及对系统的供电能力大小以满足浮标的承载能力，实现对浮标数据采集、处理和传输以及传感器系统等的合理供电，维持系统正常运行[10]。设计采用蓄电池组容量为14V/500Ah，选用4块40W的太阳能电池板搭载于浮标上方支架，总发电量为160W。浮标系统日用电量约为100Wh，在日照充足的情况下，完全满足对浮标的电能供应，且多余的电量可存储于蓄电池内；在没有光照的情况下，可满足对预警浮标在一个月内的电能供应。

3 预警浮标的应用

该浮标于2017年下半年进行布放，投放之后采用精确定位，尽量按照计划合理分布海底观测网与预警浮标的位置，采用五个浮标以正五边形布放的形式，实现对保护对象的多方位同时保护。该浮标自投放开始，稳定运行至今，也确保了观测网的安全稳定。

预警浮标上安装了风、浪气象传感器、水质检测仪等水文数据采集装置，可实现对海底观测系统数据的验证与补充，保证了数据信息的可靠度与可信度。浮标运行时间，监测到风与波浪数据的连续性，表明了浮标运行状态的稳定性。数据显示，平均风速达到5.5m/s，最大风速高达15.0m/s；平均波高为1.3m，最大波高在4.0m以上。东海区域监测到的风速和波高数据具有较好的相关性，数据在合理范围内，为海底观测网监测的数据提供了对比数据和实海况数据支持。

4 结束语

为解决东海海底观测网受到渔船作业而被破坏的问题，设计了一种基于北斗卫星和CDMA集成通信预警浮标系统。北斗卫星授时的CDMA通信系统保证了无线通信的授时精度，集成通信的方式提高了数据传输的可靠性和安全性。浮标在运行期间对海底观测网海域实现了实时、连续观测，该技术为我国海洋预警系统设计和集成通信提供技术参考。

[1]ST05区块物理海洋与海洋气象调查研究报告（“908”报告）[R].上海:国家海洋局东海分局,2009.

[2]刘飞.东海海洋气象监测预报预警服务系统[A].中国气象学会.第33届中国气象学会年会S20气象信息化—业务实践与技术应用[C].中国气象学会,2016.2.

[3]李希彬,鲍献文,马超,于华明.东海大堤对湛江湾水动力环境影响的研究[J].中国海洋大学学报(自然科学版),2009,39(S1):287-296.

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[5]孙芳,吴俊彦,张亚彪,李爱峰.中国海域助航标志信息平台的设计与实现[J].海洋测绘,2009,29(03):54-57.

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[9]陆晓东.北斗/GPS卫星双模授时在CDMA系统中的应用[J].移动通信,2010,34(22):50-53.

[10]孔卫奇,杨志勇,马尚昌,龙永良.基于北斗通信的多参数锚碇浮标设计[J].传感器与微系统,2016,35(07):80-82,86.