深海潛標ADCP的實時數據傳輸

趙忠生, 袁志偉, 黃 磊, 李延剛, 韓雪雙, 楊寶起, 陳海濤

(中國海洋大學, 山東青島 266003)

深海潛標ADCP的實時數據傳輸

趙忠生, 袁志偉, 黃 磊, 李延剛, 韓雪雙, 楊寶起, 陳海濤

(中國海洋大學, 山東青島 266003)

深海潛標觀測是深海觀測獲取長周期海洋科學數據的重要調查手段, 由于深海海域環境非常復雜, 潛標易丟失或終止正常工作, 造成重大損失。本研究基于銥星衛星數據通信模塊, 開發與深水潛標上安裝的RDI 75k ADCP相匹配的數據解析壓縮軟硬件, 建立一套遠程實時獲取潛標ADCP數據的傳輸系統, 實現對深海潛標ADCP的實時監測。

潛標; 浮標; ADCP; 銥星通信; 實時傳輸; 技術集成

21世紀是海洋的世紀, 要認知海洋、開發和利用海洋就要進行海洋調查。為發現海洋新現象、驗證海洋新理論和滿足海洋科學發展需求, 在深海海域獲取長周期海洋科學數據主要靠布放深海潛標和海面浮標兩種方式[1], 由于海上環境極其復雜, 兩種方式都存在著不同程度的風險, 浮標容易遭受強臺風的襲擊或人為破壞, 而潛標因流場和地理環境復雜容易丟失或不能正常回收[2]。同時因海洋儀器絕大部分為國外壟斷, 價格非常昂貴, 整個潛標系統造價一般高達幾百萬元甚至上千萬元人民幣, 一旦不能正常回收將造成重大的經濟損失, 同時丟失寶貴的海洋科學數據。本文所研究的就是結合深海潛標和海面浮標兩種方式的優點, 對現有深海潛標系統進行完善, 建立能夠實時傳輸的深海潛標系統, 為海洋科學研究提供重要的基礎數據, 也可為提高中國深海實時數據傳輸潛標設計水平提供借鑒[3]。

1 總體設計

具有實時數據傳輸功能的深海潛標系統包括遠程接收和海上發送兩個部分: (1)陸地接收部分包括銥星數傳接收模塊和監控軟件, 銥星數傳接收模塊的功能是接收海上銥星數傳模塊實時傳來的ADCP數據和海面浮標的 GPS位置信息[4], 監控軟件的功能是解析、處理來自數傳接收模塊的數據, 并實時將這些信息顯示在監控界面上和存儲到指定的數據庫。(2)海上發送部分包括數據采集模塊和銥星數傳發送模塊, 數據采集模塊的功能是實時采集潛標主浮體上 RDI 75kHz ADCP數據, 并對其進行解析和壓縮處理, 減少數據量以降低衛星數據傳輸費用, 同時具有長線距離功能,將處理后的壓縮數據包傳輸給海面浮標內的銥星數傳發送模塊, 再由發送模塊發送給陸地接收部分, 實現深海潛標數據的實時傳輸。

圖1 深海實時數據傳輸潛標系統的總體設計方框圖Fig. 1 Overall design block diagram of real-time data transmission of subsurface mooring system

2 系統構成

2.1 全球銥星系統和數傳終端

全球銥星系統(IRIDIUM)是由66顆環繞地球的低軌衛星網組成的全球衛星移動通信系統, 衛星高度約為 765 km, 采用獨立成網, 是迄今全球覆蓋最廣的衛星通信系統。通過“無縫隙”的全球覆蓋, 全球銥星系統可隨時隨地為用戶提供便捷的通信服務。

銥星數傳終端(Iridium DTU)以銥星網絡衛星為傳輸中繼媒介, 以銥星 SBD9602為核心模塊, 通過標準的數據接口(如 RS232串口等)與外部設備連接,并為外部設備提供透明的數據接口, 將外部設備數據發送給全球銥星系統控制中心, 實現對目標設備的實時監控; 也可接收從控制中心發回的各種指令信息, 以控制目標設備。銥星數傳終端和控制中心之間借助于銥星通信網絡和銥星運營商的網絡平臺,完成數據通信功能。

圖2 銥星數據傳輸示意圖Fig. 2 Iridium data transmission diagram

該銥星數傳終端適用于各種無人職守的、現有地面通訊網絡信號無法覆蓋地域的數據采集點, 也適用于在深海大洋調查船舶、觀測浮標等的定位跟蹤或SBD(Short Burst Data, 即突發短數據)的通信與傳輸。在地面上, 用戶可以通過Email方式、Direct IP方式或點對點方式(兩個銥星數傳終端之間)接收來自銥星SBD數據傳輸終端發回的數據[5]。

本設計方案中采用的是點對點方式, 即在海上和陸地各采用一個銥星數傳終端, 并將兩者綁定實現數據的實時通信, 采用的銥星數傳終端主要技術參數為: 供電電源范圍10～32 VDC, 靜態功率小于0.8 W, 瞬間發射功率2 W(持續時間小于10 ms), 銥星通信模塊為 9602, 通信模塊上傳到衛星的數據長度最大為 336字節, 衛星下傳到通信模塊的數據長度最大為 266字節, 數據通訊接口為 RS232標準接口, 默認波特率為9 600bps, 可接全向銥星天線和通用GPS天線。

2.2 潛標主浮體ADCP

ADCP(聲學多普勒流速剖面儀)是一種利用聲學多普勒原理研制的海流剖面測量設備, 它采用聲學換能器發射一定頻率的聲波, 然后接收被水體中顆粒物散射回來的聲波, 通過信號處理器進行處理,獲得水體中顆粒物相對于換能器的移動速度和方向,通過底追蹤或 GPS定位功能, 可獲取水體中顆粒物相對于地球坐標的流速和流向(即海水的流速和流向)[6]。

根據 ADCP測量數據存儲方式的不同分為直讀式和自容式, 在船載走航測量時一般采用直讀式,在深海大洋潛標長期觀測中一般采用自容式 ADCP,為了獲取更大范圍內的海水流速和流向剖面, 盡可能選擇能夠耐受更大壓力、頻率較低的ADCP, 目前國際上在深海大洋潛標觀測時一般采用 75k的ADCP, 以美國 RDI公司生產的高分辨率 Long ranger系列75k ADCP為例, 其常規技術參數: 最大測流剖面距離 500 m, 流速量程為±10 m/s, 測流速度精度為±0.25%±2.5 mm/s, 測流分辨率為 1 mm/s,測流單元厚度為4~32 m, 測量單元數為1~255。

2.3 ADCP數據采集模塊

ADCP數據采集模塊是采用單片機技術開發的電路板, 置于能夠承受深海壓力的密閉艙內, 并安裝在深海潛標的主浮體上, 其功能是: 通過 RS232標準接口與主浮體上安裝的 ADCP連接, 實時接收來自 ADCP特定格式的數據, 通過單片機進行解析處理, 同時對數據進行最大限度的壓縮形成短數據包, 以滿足衛星數傳模塊的格式要求, 該采集模塊還包括長線距離(不小于1 000 m)傳輸電路部分, 將數據通過通信電纜直接傳輸到海面浮球的銥星數傳模塊。

該模塊電路板上有 2個 RS232輸入輸出接口,其中一個串口采集來自ADCP 特定格式的測量數據,具體數據流格式在本文中的系統集成部分詳細描述,從數據流中讀取測量時間和32個cell的流速、流向值, 為減少衛星通信數據量節約開支, 對每個數據字段處理壓縮成 1個字節, 通過另一個 RS232接口發送給衛星數傳模塊, 每次衛星數據通訊數據量僅為66個字節。

2.4 海面銥星數傳發送模塊

海面銥星數傳模塊采用銥星9602作為核心模塊而開發的電路板, 配有與外部設備相連接的 RS232標準接口, 其默認 9600,8,1,N, 實時接收來自潛標主浮體上 ADCP數據采集模塊通過專用鎧裝電纜發來的壓縮數據包, 并將數據包發送到陸地銥星數據接收模塊; 同時該模塊配有 GPS定位功能[7], 能夠按照設定(每隔 6 h)測量海面浮標的位置, 定時發送到陸地接收模塊。

2.5 陸地銥星數傳接收模塊

陸地銥星數傳接收模塊的設計與海面銥星數傳模塊相同, 并將兩個模塊進行通信綁定, 實現點對點的實時通信, 通過 RS232標準接口與計算機連接,將壓縮數據包傳送給計算機。

2.6 數據監控模塊

數據監控模塊是一套能夠實時監控計算機RS232標準接口的數據獲取處理軟件[8]。其功能有:(1)實時獲取計算機串口數據; (2)對獲取的ADCP數據包進行解析處理, 計算出海流剖面物理量; (3)對獲取的 GPS數據包進行解析處理, 計算出海面浮標的具體位置; (4)將所有的原始數據包和計算得出的海流物理量和位置信息存儲到數據庫; (5) 長時間無接收數據時報警提示; (6)將所有信息實時顯示至計算機界面上, 顯示界面如圖3所示。

圖3 ADCP數據實時監控界面Fig. 3 ADCP data real-time monitoring display screen

3 系統集成

(1)為實時獲取潛標主浮體上安裝的ADCP數據,應對 ADCP進行設置, 使其將測量的海流剖面數據通過數據輸出接口發送給數據采集模塊。本設計中RDI 75k ADCP的主要參數設置為: CR1; CF11111;EX11111; EZ1111111; WN32; WP30; PD18, 在此設置下 ADCP的數據輸出格式為: $PRDIK,儀器序號,測量日期, 測量時間,1,流速 1,流向 1,2,流速 2,流向2, …… 32,流速 32,流向 32。

(2)制作數據采集模塊耐壓密封艙和衛星發送模塊海面通信浮球, 艙內均配有能夠工作一年以上的供電電源。

(3)主浮體與海面浮標的數據通信采用兩芯鎧裝電纜直接傳輸, 為減小電纜受海水強流的沖擊、減小對海面浮球的下拉力以及實現長距離通信[9], 鎧裝電纜應選擇直徑小、密度輕、強度高、電纜阻抗小的系留鎧裝電纜。

(4)海面銥星數傳模塊安裝在海面浮球內, 為確保其衛星通訊順暢, 應盡可能將銥星天線和 GPS天線安裝在浮球的頂部, 以獲得開闊的通信視角。

(5)陸地接收模塊的接收天線盡可能安裝在建筑物的頂部或開闊的區域, 保證接收數據的暢通, 同時做好避雷防護。

圖4 深海潛標ADCP實時傳輸系統結構示意圖Fig. 4 Deep-sea submersible ADCP real-time transmission system structure diagram

4 試驗與結論

由于受客觀條件的限制, 集成后的深海實時數據傳輸潛標系統未能在深海大洋進行測試, 僅在青島近海進行了為期15 d的海上測試, 整個系統技術性能穩定可靠, 實現了潛標 ADCP數據的實時傳輸功能, 但其長期穩定能力、耐強流和大浪沖擊能力還需要在大洋上開展進一步的試驗, 并對試驗過程中出現的各種問題進行不斷改進, 以形成一套能夠適應深海大洋惡劣環境的實時傳輸系統。

本研究主要目的是解決深海大洋潛標系統的實時數據傳輸難題, 目前, 該系統完成了潛標主浮體上單臺 ADCP的數據傳輸, 待該系統經過長時間驗證和完善后, 下一步將逐步完成主浮體上安裝的CTD、ADCP等多臺海洋儀器的數據集成與實時傳輸。

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[2]蘭志剛, 楊圣和, 劉立維, 等. 深海剖面測流潛標系統設計及姿態分析[J]. 海洋科學, 2008, 32(8):23-26.

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[4]蘭志剛, 龔德俊, 劉育豐, 等. 一種簡易的潛標輔助尋標定位系統[J]. 海洋科學, 2006, 30(12): 3-6.

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[8]劉慧, 楊書凱, 劉敏, 等. 基于 GLScene的潛標姿態回放系統[J]. 海洋技術, 2011, 30(4): 29-31.

[9]王世明, 吳愛平, 李永樂. 基于功率流的海洋潛浮標液壓系統ARMA失效機理研究[J]. 機床與液壓, 2011,39(21): 162-167.

Real-time data transmission of the ADCP installed on subsurface mooring system

ZHAO Zhong-sheng, YUAN Zhi-wei, HUANG Lei, LI Yan-gang, HAN Xue-shuang,YANG Bao-qi, CHEN Hai-tao
(Ocean University of China, Qingdao 266003, China)

Dec.,10,2011

Subsurface mooring system; Buoy; ADCP; The iridium communication; Real-time data transmission; technology integration

Submersible observation is an important means of marine investigation for a long period. The deep sea environment is very complex, so the subsurface mooring system is easy to be lost or its normal work is easy to be terminated, which cause significant loss. This study is based on the satellite data communication module. We have developed the parse data compression software and hardware matching the RDI75K ADCP which is installed on subsurface mooring system, and established a set of remote real-time data transmission system, to perform the real-time monitoring of the ADCP.

P715.2

A

1000-3096(2012)08-0094-04

2011-12-10;

2012-03-12

中國海洋大學自主研究項目(841122003)

趙忠生(1966-), 山東德州人, 高級實驗師, 從事海洋調查技術應用研究, 電話: 13969693825, E-mail: zzs1966@126.com; 袁志偉,通信作者, 電話: 13969699048, E-mail: dfh2@ouc.edu.cn

張培新)