近水面北斗卫星通信终端设计

杨华洪常委

（1.海军研究院,北京，100161；2.第七一五研究所，杭州，310023）

随着海洋监测技术的发展，各种用途的海洋环境参数获取设备应运而生。海洋浮标既是一种高技术、经济适用的监测设备，也是海洋环境参数获取的重要技术装备，它能够长期在水中工作，完成远距离海洋环境参数传输，是调查船在空间和时间上的延伸扩展。而小型浮标相比与传统的人工原位测量或自主采集/定期回收的方法，前者具有低成本、远距离、实时监测的特点，在海洋调查中得到了广泛应用。一次性的小型浮标数据传输一般依靠卫星通信，卫星传输链路的效率决定了浮标的工作效率。小型浮标由于体积较小，无法安装其他浮力装置，通常依托浮标腔体提供的浮力漂浮在海面，水面以上的高度较低。虽然卫星通信天线在浮标的顶端，但由于总的水线高度很低，卫星通信天线距离水面仍然较低。当海浪起伏时，天线摇摆幅度大，对卫星通信效率产生了极其不利的影响。本文主要研究适用于小型浮标的近水面卫星通信终端的设计及应用。

1 卫星通信终端简介

目前国际主流的浮标用卫星通信系统包括ARGOS卫星通信、铱星通信、北斗通信等。ARGOS卫星主要用于国际ARGO组织相关浮标的数据通信，需要在特定的时刻才能实现特定位置的通信，实时性难以保证。铱星通信在国际海洋浮标中应用较多，但其运营在他国，数据传输需要依托他国卫星系统，考虑到数据的私密性，必须对数据进行加密，一般用于北斗无法覆盖的区域时使用。近年来，随着北斗卫星导航系统的发展，其定位导航功能逐步完善，通信功能仍然保留，为国内自主研制的海洋浮标通信提供了良好的数据传输平台。

2 通信终端设计思想

2.1 实际问题

小型浮标由于其距离水面仅有几十厘米，摇摆幅度可达±70°。在设计中必须考虑以下问题：

（1）浮标体积小，摆动颠簸幅度大，海面又是近似一张金属面，多路径效应严重，天线设计时必须在体积小、重量轻的前提下满足收/发宽波束的要求。

（2）卫星天线接近海面，海浪激起的浪花将不时洒落在天线罩表面，一旦天线罩表面形成水膜将严重影响卫星通信发射效率。

（3）卫星通信瞬间功率可能不满足通信要求，必须建立可靠的通信机制。

2.2 卫星通信天线设计

通过对比各类卫星天线的优缺点[1]，我们采用双四臂螺旋天线。该天线特点为体积小，不需要基地面，而且对附近金属构件不敏感[2]。在设计时为满足宽波束收发，要求天线在低仰角时（±70°）增益≥−2 dB。图1为双四臂螺旋天线的示意图。

图1 双四臂螺旋天线

图1中，上部为接收天线（S）、下部为发射天线（L）。共轴级联布局的S上与L下，性能差别较大，特别是在俯仰角低于45°时，S幅度和相位响应的劣化较明显（相对于L来说），S天线的辐射激励 L单元并产生的一个相当大的后峰。为了减小S天线的影响，在有条件的情况下，拉升S和L的距离（1/4λ≤H≤1/2λ）有助于提高S的响应。

图2～3为实测的接收天线与发射天线波束图。由图可以看出，±70°范围内波束增益最小值为 0 dB，能够保证卫星天线在±70°摇摆的条件下，满足通信要求。

图2 接收天线波束图

图3 发射天线波束图

2.3 天线罩表面处理

由于浮标体积小、距离水面近，无法避免浪花洒落在天线罩表面。在设计时需要考虑让海水快速脱离天线罩表面，即形成超疏水性。

天线罩在加工后一般不具备超疏水性，本文采用的方法是天线罩表面涂覆超疏水性涂层[3]，如聚二甲基硅氧烷类。涂覆该涂层后，导致水珠大部分只与空气接触，与天线罩表面接触面积大大减少。由于水的表面张力使得水滴在天线罩表面形状接近于球形，接触角大于150°，水珠快速滚落，不在天线罩表面形成水膜，进而提高卫星天线在近水面的使用效果。

2.4 通信机制设计

在近水面卫星通信终端中不仅要关注卫星天线设计，还需要针对近水面卫星通信设计有效的数据传输机制。

1）功率查询

经过实验验证，报文传输的成功率与北斗卫星星况有着直接的联系，浮标控制软件在启动北斗通信链路后首先查询当前北斗卫星星况，只有在当前功率信息满足一定的条件下才进行数据发送。

2）数据重发与存储

报文传输的成功率还与信息发送后北斗通信链路的反馈信息有着直接的联系，故在信息发送后，设定一定的期限查询反馈信息以确认信息是否发射成功。如信息发送失败则进行一次重发；在重发失败的情况下，将本批数据存储下来，以便将来补发。

3）数据补发

北斗通信链路常受北斗卫星星况、海洋气候条件等因素的影响，会导致浮标的数据发送失败。因此采用了数据补发机制，在浮标每个工作周期，将当前数据成功发送后，对以前发送失败后存储在终端flash中的数据进行补发，从而极大地提高了北斗卫星通信链路的成功率。

3 试验验证

采用文中方法设计的近水面北斗卫星通信终端如图4所示。上端白色圆柱部分为天线罩，表面涂覆超疏水涂层；内部为双四臂螺旋天线，具备北斗定位、短报文通信功能；下部半球体内为相关配套电路模块。图4所示为其在海水中的工作状态。

图4 近水面北斗卫星通信终端实物

试验前期采用车载类北斗通信终端，在实验室条件下能够正常通信，但在入水后（内湖试验湖面平静条件下），通信效率明显降低，初步统计成功率约70%。

将该终端与小型海洋浮标组装调试后，随海洋科考船前往外海进行投放，浮标试验期间累计发送数据2 000批次，有效接收数据1 875批次，浮标通信成功率为93.8%。试验期间持续不低于5级海况，最高达6级，近水面北斗卫星通信终端仍能够正常发送数据。试验表明该近水面卫星通信终端能够在高海况条件下稳定的进行数据通信，实现了设计目标。

4 结论

本文通过采用双四臂螺旋天线在有限的尺寸、重量条件下解决了近水面环境下北斗卫星通信发射、接收的宽波束设计；采取超疏水性涂层的方法进一步提高了北斗卫星天线在近水面的适用性。通过实物测试、试验验证，该卫星通信终端能够满足近水面的使用要求。

随着我国深远海战略的不断推进，不同类型的海洋浮标将会应运而生，近水面北斗卫星通信终端的成功应用解决了海洋浮标特别是海面小型浮标的远程数据传输问题，为小型浮标的大规模推广使用奠定了基础，近水面北斗卫星通信终端将有着广阔的应用前景。