天通、北斗双模卫星通信在海洋水文监测终端的应用

［李听听 刘铭 陈刘伟］

1 引言

中国是海洋大国，拥有漫长的海岸线、广袤的管辖海域和丰富的海洋资源。当前，以海洋为载体和纽带的市场、技术、信息、文化等合作日益紧密，中国提出共建21 世纪海上丝绸之路倡议，希望促进海上互联互通和各领域务实合作，推动蓝色经济发展，推动海洋文化交融，共同增进海洋福祉。海洋水文气象观测是认识、研究、保护、开发海洋的基础[1]。然而，当前海洋水文监测终端主要以美国铱星、欧星、海事卫星等为主，存在卫星覆盖范围有限、数据安全得不到保证等问题。针对当前海洋水文监测终端主要以美国铱星、欧星、海事卫星等为主[2]，本文提出基于天通、北斗卫星通信系统的海洋水文监测数据传输终端，可满足我国海洋数据传输需要，摆脱数据传输依赖国外并保证数据传输过程的安全。

2020 年7 月31 日，习近平总书记在人民大会堂庄严宣布：北斗三号全球卫星导航系统正式开通，这标志着北斗事业进入到全球服务新时代。北斗卫星导航系统是我国自行研制、自行建设、自行管理，具有完全自主知识产权的全球卫星导航系统，北斗卫星导航系统具有双向短报文通讯能力，以北斗卫星作为中继转发设备，实现北斗终端接收机之间的通信[3]。

除北斗外，天通一号卫星移动通信系统也是我国自主研制建设的卫星移动通信系统，由空间段、地面段和用户终端组成。在技术层面，它标志着我国打破了国外技术封锁，进入了地球同步轨道移动通信卫星俱乐部，在海事卫星系统和铱星系统之外，有了中国人具有自主知识产权的卫星移动通信系统；标志着我国在新载荷、大平台的研制与应用等领域进入了国际领先行列。同时，也表明我国在卫星的设计制造能力、平台技术、载荷技术、基础元器件、原材料和地面仿真实验验证技术领域，达到了较高的技术水准。该系统已于2017 年上半年投入使用，具备话音、短信、数据、传真等卫星业务，目前实际场景应用的最高数据速率可达384 kbit/s。

海洋水文监测终端例如浮标等，放置地点远离陆地，通常采用卫星通信的方式。海洋水文监测终端常用通信方式主要包括铱星、海事卫星、北斗、天通，这些卫星通信系统技术成熟，可以在全球范围内（除南北极区外）为海洋水文监测终端提供全时、稳定、可靠的数据通信渠道。这几种卫星通信方式各有优缺点对，如表1 所示。

表1 为常用卫星通信方式对比[4][5]

依据表1 可以看出，铱星、海事卫星通信系统自主可控性差、设备和通信资费高[6，7]，同时采用天通、北斗两种卫星通讯模式的终端，利用天通、北斗各自的优势，可以有效支撑当前海洋水文监测终端可靠通信。

借助天通、北斗各自的优势，根据业务需求和卫星信号质量，自适应选择信道，实现业务互补、互为备份，增加卫星通信的可靠性。天通、北斗可以很好地解决海洋水文监测数据传输问题，用户不仅可以获得海洋水文监测数据，而且可以对海洋浮标等多种类型的终端进行状态监视和控制。

2 系统总体设计

如图1 所示，基于天通、北斗的双模卫星通信海洋水文监测系统主要由监测终端、天通卫星、信关站、北斗卫星、指挥机、海洋水文数据处理系统[8，9]。其中监测终端通过判定天通卫星的网络信号强度、北斗卫星的波束信号功率来选择数据通信链路，大大增加了通信的可靠性。终端集成双卫星通信模式，可以通过北斗短报文、天通短信、天通数据业务将传感器数据、终端自身状态信息发送到后台数据处理系统上。其中北斗短报文首先发送到指挥机上，然后指挥机将数据转发到数据处理系统；天通业务都需要经过地面信关站再转发到数据处理系统。数据处理系统可以通过指令查询、控制终端参数，实现数据交互、状态监控。

图1 基于天通、北斗的监测终端系统构成

2.1 终端硬件设计

电路系统主要由微处理器、自主观测传感器、高精度数字姿态补偿仪、调试接口、天通通信模块、北斗通信模块、多模天线、电源供电系统等组成。电路系统组成框图如图2 所示，微处理器按照设定时序，对各个海洋水文观测传感器唤醒、数据采样、数据处理、存储、卫星传输、休眠等流程操作。为集成自主观测传感器设备，并能在高海况条件下开展海气通量观测，设计高稳定性抗扰动观测平台，使用基于运动姿态方位传感器的高频高精度数字姿态补偿仪，提供晃动平台三维脉动风速测量准确度，同时开发智能化、模块化数据采集系统，实现高海况下通量测量的稳定可靠。

图2 电路系统框图

传感器是海洋水文监测的关键环节，传感器的质量和性能直接影响到海洋水位监测的准确度。基于各姿态传感器的互补特性进行组合设计，数字式姿态仪以更高的测量精度获取终端平台的实时姿态。为了测量浮游植物光合作用消耗的二氧化碳，激光诱导叶绿素荧光传感器调制激发光驱动信号，滤波解调探测信号，采用深度滤光技术，消除外界光影响，提高荧光收集效率及检测灵敏度。

多频段天线通过分枝、倍频、寄生添加等几种设计方法，实现多个工作频段接收信号和发射信号，它包含的工作频段有北斗RDSS 收频点、北斗RDSS 发频点、北斗GNSS 频点、天通频点。

2.2 终端软件设计

终端的软件设计采用RT-Thread 系统。RT-Thread 是一个国产集实时操作系统（RTOS）内核、中间件组件和开发者社区于一体的技术平台。RT-Thread 也是一个组件完整丰富、高度可伸缩、简易开发、超低功耗、高安全性的物联网操作系统[10]。

系统创建多个线程来监控各个模块的状态。系统的主要处理流程是：监测到传感器数据，启动数据处理、存储线程完成数据的拆包存储，随后启动天通、北斗通信模块，通过查询天通卫星的网络信号强度、北斗卫星的波束信号功率，选择最优的卫星通信方式进行数据传输，完成数据传输后设置所有模块进入低功耗状态。所有模块进入低功耗状态，等待下次使用时被唤醒。系统可以通过传感器设定的IO 电平变化唤醒，也可以通过接收传感器的串口数据唤醒。主线程的处理流程如图3 所示。

图3 主线程处理流程

3 数据传输设计

3.1 数据分包

由于北斗、天通卫星数据传输单次通信容量有限，而部署在监测终端各种传感器全天候的获取数据，会产生大量数据，一次传输这些数据是无法实现的[11]。因此在传输大量海洋监测数据时需要进行分包传输，在接收端需要对数据进行分包重组，从而获取完整的传感器数据。

3.2 传输协议

北斗短报文单次通信只能传输77 个字节内容，监测终端使用的是北斗民用卡，用户属于三类用户机，服务频度60 秒钟；天通短信单次短信传输的最大字节为144。假设卫星通信每次通信传输的字节为长度最大为L。设计传输协议格式如表2 所示数据分包传输协议。

表2 传输协议格式

接收端首先通过传感器类型确定当前传输数据类型，然后通过总帧数、帧计数两个字段来完成整包传感器数据的重组。

如果传输通道采用天通数据业务，最大长度L 就可以设置为大于1 024，每包可以传输更多数据，传输速率明显优于天通短信、北斗短报文。

3.3 重传机制

由于空间环境、星载设备和海况等因素的影响，北斗短报文或者天通短信单次通讯成功率实际约为σ。假设需要传输的大容量传感器数据共计N字节，则传输完所有数据的最大帧数tf

本次数据传输的成功率pos 如下公式所示,

由公式可见随着帧数tf 的增加，数据传输成功率将随之呈指数趋势下降。使用天通数据传输时L可以足够大，传输的成功率对比天通短信、北斗短报文有很大的优势，但是也有一定的丢包概率。因此，引入重传机制保证大数据的成功率是非常有必要的。

这里引入应用层数据传输重传机制，保证大容量传感器数据成功率为100%。重传机制的帧格式按照表2 中格式传输，在传感器数据传输完成后，接收端对数据的完整性进行检验。当接收端检测到传感器数据有丢失，会向监测终端发送丢失帧的帧计数。监测终端接收到对应的帧计数，将对应帧计数的数据发送给接收端。重传机制的概述图如图4 所示。

图4 重传机制的概述图

4 结语

基于自主可控的天通、北斗双模卫星通信用于海洋水文的监测终端，在传输数据应用层高效实现数据分包、重传机制，保证大容量传感器数据的传输成功率。该技术的应用为认识、研究、保护、开发海洋资源提供了一种更安全、高效数据传输方式，为中国21 世纪建设海洋强国添砖加瓦。使用完全自主的卫星系统，促进海洋水文观测以自主可控技术为先导的高新技术产业发展，同时，对国民社会经济发展具有重大促进作用。