基于聲學和無線電通訊的海洋中繼浮標技術

楊會金，王嘉鑫，姚武軍

（大連測控技術研究所，遼寧大連 116013）

0 引言

海流區域監測系統屬無纜水下測量設備，可在無人值守及海況惡劣條件下長時間工作。如何實現無纜式水下測量裝置測量數據的實時傳送，接收岸基的指令遙控及狀態反饋，是海洋測量技術中的一個關鍵環節。

本文主要針對海流區域監測系統數據傳輸及控制的需要，論證了中繼浮標技術方案，進行了系統研制，給出海上試驗與應用結果。

1 系統方案

1.1 系統組成

中繼浮標主要由無線數傳電臺、GPS單元、聲學Modem、控制器、電池組、天線、錨燈、浮標罐體、錨和系纜等部分組成。主要完成水下測量裝置與水面艦船平臺或岸基平臺之間的數據傳輸和指令中繼，本體具有定位功能。中繼浮標組成如圖1所示。

中繼浮標具備長期值守、可靠工作的特點，它替代了艦船作為搭載平臺完成數傳及雙向通訊的功能。具有可靠、成本低、作用距離可延伸的特點。

1.2 主要技術指標

通訊浮標技術指標如表1所示。

1.3 工作原理

中繼浮標布放前，打開電源開關，浮標進入初始化和自檢狀態，并經指示燈確認。常態下浮標水聲Modem和無線數傳模塊均處于接收狀態，為保證海洋環境特性數據的可靠上傳，控制器置水聲Modem接受中斷優先，對接收到的水聲Modem數據，采用記憶重發的方式，傳送至甲板單元或岸站平臺。中繼浮標電氣原理如圖2所示。

圖2 中繼浮標原理圖Fig.2The electronic construction of communication relay buoy

2 系統研制

系統研制采用成熟技術進行系統集成，優化系統性能，保證系統滿足總體技術指標要求。

2.1 無線數傳模塊

無線數傳模塊實現岸基與中繼浮標的雙向通訊。

無線通信性能由發射機的射頻輸出功率、接收機的接收靈敏度、系統的抗干擾能力及發射/接收天線的類型和增益等因素決定。

根據路徑損耗公式:

其中:L os為傳播損耗，dBm;d為距離，km;f為工作頻率，MHz。

中繼浮標選擇日精ND889A數傳電臺［1］，ND889A數傳電臺工作頻率范圍為220～240 MHz，頻率穩定度為±2 ppm，發射功率為2W/5W/10W/ 15W/25W五級功率編程設置，浮標端天線采用全向中增益（6.5 dB）天線，岸站端采用8木定向（11 dB）天線。

浮標端發射功率設定為10W（40 dBm），接收機靈敏度0.2 μV（－121 dBm），如大氣、遮擋等造成的損耗為25 dB，由式（1）可得:

實際上，空氣及海面等介質對電磁波吸收、衰減的影響很大;其次是考慮發射天線和接收天線的效率，接收機的抗干擾能力，以及各種電磁干擾的影響。實際傳輸距離按理論的10%計，傳輸距離大于50 km，滿足系統設計要求。

2.2 GPS定位單元

中繼浮標長期錨定在任務海區，無人值守，在風浪等惡劣條件影響下，可能出現走標現象，或受漁船拖拉，惡意打撈等安全因素影響而改變錨位。因此，對浮標的定位就顯得十分必要。

中繼浮標采用Trimble公司的Lassen-IQ OEM模塊處理單元實現，該處理單元技術成熟，接口簡單，體積小，功耗低，單點定位精度＜5 m CEP，數據更新率為1 Hz，數據協議為NMEA0183標準協議。

GPS定位信息（NMEA 0183輸出語句）數據格式如表2所示。

算例:

$GPRMC，051552.00，A，3852.0213，N，12139.8838，E，000.0，075.7，170407，06.8，W，A*10。

（北京時間（+8）:2007年4月17日13:15:52，北緯38°52.0213'，東經121°39.8838'）。

2.3 聲學Modem

本系統設計傳輸距離要求大于3 000 m，錨定海域水深約70 m，屬于淺水區域。因此，聲學通訊應選擇具有抗多途干擾強的產品。LinkQuest公司UWM3000H型聲學調制解調器［2］采用了先進的高速數字調制解調器技術、寬帶換能器技術、寬帶擴頻技術，信道均衡技術抗多途干擾。該型產品在高發射功率狀態下作用距離可達6 000 m，實際作用距離與水深和背景噪聲有關。凈荷載數據速率320 bit/s，接收模式功耗小于1 W，休眠狀態0.9 mW。

2.4 控制器與外部接口

控制器實現中繼浮標時序和指令控制，是中繼浮標的核心。

控制器連接的4個功能模塊均為串行接口方式，并應達到長期值守過程中功耗低的要求。因此控制器選擇TI公司超低功耗處理器MSP430F5438，該處理器外部有4個獨立串行接口，值班模式下功耗小于1 mA，適合用于各種自持式系統。

兒童及青少年甲狀腺癌手術治療上首選甲狀腺全切除術。這是由于其雙側及多灶性病變的發生率高，并且，通過長期隨訪觀察顯示，甲狀腺全切除術與單側葉切除術相比，局部復發率從35%降低到6%[27]，同時，甲狀腺全切術優化放射性核素的顯像及治療，也優化Tg水平對持續或復發病灶的術后監測。對于是否進行中央區或頸側方的淋巴結清掃取決于腫瘤大小、數量、細胞學結果、浸潤程度及淋巴結轉移等情況，對于細胞學提示惡性、臨床提示甲狀腺外較大浸潤和/或術前或術中發現存在局部轉移患者，推薦行中央區淋巴結清掃術，可降低二次手術風險并提高無病生存率。

聲學Modem通過8芯水密連接器與浮標艙體連接，數據傳輸方式有RS-232和RS-422兩種。考慮其布放深度的不確定性，選用適合長纜傳輸的RS-422接口方式。

數傳天臺和GPS模塊均采用同軸電纜與天線連接，連接器選用BNC高頻接插件，并進行防水處理。

2.5 結構設計

浮標結構設計原則為“對稱、低重心、小慣性”［3］，浮標組件便于安裝維護。

根據測量對浮標穩定性的要求，浮標體成圓柱體型，浮體材質為標準304不銹鋼，從而達到較強的抗沖擊和耐海水腐蝕能力。

電子艙電池組安裝于浮標下部，起到配重壓艙的作用。支架固定在浮體上，采用小截面耐腐蝕材料焊接，支架上端架設天線，支架要求牢固可靠，在強風和波浪搖擺情況下不變形。

中繼浮標標體表面靜電噴涂，參照《GB 4696－1999－中國海區水上助航標志》黃色涂裝。浮標結構組裝圖如圖3所示。

圖3 中繼浮標結構組裝圖示Fig.3The mechanical construction of communication relay buoy

2.6 中繼浮標參數計算

1）浮標基本數據

浮力艙尺寸:φ750 mmD×700 mm H;

浮力艙可提供的最大浮力（浮力艙體積）:309 kg;

浮標體重量（不含電池、控制板、錨系纜繩）:約160 kg;

電池重量:約40 kg;

浮標體重心:中軸線，艙體底面以下127 mm。

2）海流推力對浮標的影響

①浮標體受橫向海流推力計算

其中:FD為海流推力;CD為標體水阻系數，流速在3 m/s以下時，根據標體尺寸和形狀，取0.7;ρ為海水密度;V為流速;A為標體迎水面截面積。

在3 m/s流速下，標體浮力艙全部沒入水中時所受水阻力為:

②浮標受力分析

當浮標體剛好完全浸入水面以下時，浮標受力情況如圖4所示。

圖4 通訊浮標受力圖Fig.4The hydromechanical analyse of communication relay buoy

在平衡狀態下，有:

其中，F為標體凈浮力;h為海水深度;h1為浮筒高度;L1為浮標與錨橫距。

纜繩水中重量按20 kg計算（約150 m），當電池等艙內負載重量為60 kg時，標體凈浮力

3 海上試驗結果

2010年4月，在大連海域進行了中繼浮標海上試驗驗證，浮標海上布放圖示如圖5所示。

試驗期間，中繼浮標完成了多日、多組全天候測量數據的傳送和岸基指令的轉發，可靠地實現了岸基與水下監測系統的信息交換和數據傳輸。

試驗結果表明，浮標無線通訊和水聲通訊效果良好，海流區域監測系統定時或在岸基遙控下向岸基發送測量數據，通訊距離達到設計指標要求，在5級以下海況工作穩定、可靠。

圖5 中繼浮標海上布放圖Fig.5Maritime screen of communication relay buoy

4 結語

中繼通訊浮標解決了水聲通訊和無線通訊轉換的關鍵技術，建立了遠岸水下系統和岸基聯系的手段，實現了水下測量系統與岸基系統之間指令、數據的雙向、實時傳輸，可廣泛應用于海上試驗研究及長時間水下環境監測數據遠程傳輸和控制的場合。

［1］NISSEI DENKI．230 MHz BandDataTransceiver ND886A/ND889A OPERATING MANUAL［M］．2008．

［2］LinkQuset Inc．Underwater Acoustic Modem Momel No UWM3000H User's Guide Version 3000.3.0 h，2009．

［3］唐原廣．多功能波浪浮標研制［J］．海洋科學．1998，（3）．12－13．