一種新型海洋信息采集平臺的設計與實現

史 博，宋泓儒，陳 琳，馬旭卓，戴憲邦

(1. 哈爾濱工程大學 水聲工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工程大學 物理與光電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；3. 上海船舶設備研究所，上海 200031；4. 上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

隨著人類海洋科學探索的不斷深入，水聲學與水下定位技術在海洋開發應用、海軍裝備建設等領域發揮作用[1]，逐漸變為人們探索未來的重點，此項技術已經被人們廣泛應用在海事偵察、航空航天等軍事領域或目標識別[2]、定位導航等民用領域[3]。因此水下目標感知與海洋信息獲取技術變得尤為重要，本文主要圍繞某型水下航行平臺實時性、高精度、便攜式定位需求，設計一種新型海洋信息采集平臺，基于FPGA邏輯單元的控制處理，搭配高精度GPS定位技術、對時技術，高速率無線傳輸技術，將所設計的平臺安放長基線浮標單元，進行系統化、集成化的數據傳輸，為后續浮標基線大范圍定位起到促進作用。

1 新型海洋信息采集平臺概述

1.1 系統總體方案設計

新型海洋信息采集平臺組成架構如圖1所示。主要由電子艙、電源模塊、蓄電池、GPS接收機、無線數字傳輸電臺等幾部分組成。利用FPGA總控處理板進行平臺主控單元的數據解析與接口配置，單節點可通過GPS模塊實時獲取自身位置信息，水下航行平臺在開始工作時將其內部的時統系統與GPS模塊進行對時，保證系統處于同步工作的狀態；無線數字通信電臺用于各節點與總控單元的數據發送與接收。

圖1 系統整體架構圖Fig. 1 Overall system architecture

在進行海洋定位通信平臺的設計過程中，各個分系統之間的通信方式與鏈路結構具有差異性。比如在浮標濕端與水下航行平臺之間采用水聲通信，船載數據接收端與船載顯控平臺端采用有線網絡通信，水面浮標干端與船載測控平臺、陸地岸站之間采用無線電通信。與此同時，各個分系統之間都有其對應的鏈路組成與結構劃分，進而實現水下航行平臺的定位校準功能。圖2為海洋定位通信平臺的系統拓撲結構圖。

圖2 定位通信系統拓撲結構圖Fig. 2 Topological structure of positioning communication system

1.2 無線電臺基本原理與選型

在遼闊的海面上，要實現水下聲信息與GPS定位信息的實時上傳，無線數字電臺的超長距離傳輸功能可以實現上述方案。如表1所示，無線電臺近幾年隨著發展逐步由模擬電臺向數字電臺方向靠攏[4]，數字傳輸電臺在一定程度上很好的彌補了速率差、精度低等缺點。按照項目需求與實際調研情況對比，選擇4種國內外相關數字傳輸電臺[5]。

通過表1和實際調研情況，選擇Microhard無線數傳電臺模塊作為數據傳輸系統，其主要性能有以下特點：

最高速率高達345 kbps；四級電路濾波提供極佳的噪聲和干擾抑制；一對一、一對多網絡通信結構；極小的封裝 26.5*33*3.5 mm；與Microhard n920 F兼容；可以實現6 km以上數據傳輸，功耗低。

表1 國內外無線電臺對比[6]Tab. 1 Comparison of radio stations at home and abroad

1.3 GPS模塊基本原理與選型

GPS定位原理是測量待測物體與定位衛星之間的實際距離，根據其他衛星進行綜合判斷，最后確定準確坐標位置[7]。一般情況下，人們使用天線來接收，對接收到的信號進行數字化翻譯，最后運用定位算法將其得到的數據進行處理，解算對應經緯度信息。

如表2所示，在GPS接收機的選型方面，本文也進行了大量的調研對比。國內外定位接收機在市場上種類繁多[8]。其中，UB4B0M雖然通道數相對較多，定位速度較快，但是其功耗在靜態已經高達2.8 W，不適用于浮標等獨立單元的工作；SUM六頻與北斗星通定位模塊精度達不到亞米級的要求；superstar、OEMstar等定位芯片用戶測試與第三方評估效果還在考察中，K700定位模塊的接收衛星類型種類相對較少，導致定位精度有一小部分偏差，最終選擇Trimble（天寶）910定位芯片[9]。

表2 國內外定位模塊功能表Tab. 2 Function table of positioning module at home and abroad

Trimble（天寶）910定位芯片采用美國Trimble（天寶）公司的一款性價比非常高的具有定位功能的板卡。此種類的接收機提供多衛星系統同時實現定位功能，并且在任何環境下都可以提供超高的定位精度，是一款性能較高、效果較好、能夠實現單點定位精度達到1 m以下，符合項目指標的BDS/GPS/GLONASS三種衛星定位接收機[10]。

2 新型海洋信息采集平臺設計

2.1 電源電路設計

海洋定位通信平臺在進行多節點數據匯聚工作的過程中，系統能夠有效的供電是聲吶數據上傳的重要保證。在整個模塊電路中，邏輯主控單元FPGA核心板的工作電壓為5 V，GPS模塊電壓為3.3 V，無線數字傳輸電臺電壓為12 V，所以該平臺需要3.3 V，5 V，12 V三種，在確定各模塊電壓后，對每個器件的功耗進行簡單估計，表3為功耗統計結果。

表3 系統模塊功耗統計表Tab. 3 Power consumption statistics of system modules

根據表內的信息以及相關數據分析，當系統輸入12 V直流電壓時，電臺模塊可以正常工作，但是定位模塊與FPGA核心板需要進行降壓才能供電。根據大量的選型和論證，為了提高電壓轉換效率，選擇MP1584電壓轉化模塊，其具有低功耗、高轉化率等優點。

MP1584是一款高頻開關降壓穩壓模塊，其內部集成了高壓MOSFET系統使電路更加完善。其可以承受外部輸入4.5～28 V寬度的直流電壓，100 μA的靜態工作電流[11]，可以允許多種電池供電。為了減少開關驅動對電路造成的損耗，此芯片設計了內部高功率相互轉化模式，有助于防止電流失控，提高轉換效率與容錯率。

2.2 無線數據上傳格式設計

聲吶數據通信協議主要包括下行數據協議和上行數據協議兩大類，下行數據主要指測控平臺下發控制指令；上行數據主要指自檢響應指令、浮標上傳數據及定位測距聲吶船載測控平臺上傳至水上主控單元數據。浮標單元工作開始之后，當系統檢測到浮標電子倉內接收機已經接收到聲吶時延信號時，聲吶時延數據通過無線電臺上傳母船。

2.3 系統邏輯控制程序設計

圖3為新型海洋信息采集平臺的時續邏輯流程圖。本系統的工作以GPS輸出的1PPS脈沖信號為基準，開機后檢測開始工作指令，當開始工作指令達到后，每次GPS數據到達時，都詢問聲吶數據是否到達，當聲吶數據到達時，將聲吶數據通過無線電臺發送給船載測控平臺。當聲吶數據沒有到達時，繼續將GPS位置信息通過無線電通信系統發送給母船。通常收到同步脈沖信號（1 pps信號）頻率要小于收到GPS實時定位數據的頻率，即收到一個PPS信號，收到幾個GPS數據。

圖3 FPGA邏輯框圖Fig. 3 FPGA logic block diagram

如圖4所示，灰色模塊代表GPS的定位數據，白色模塊表示水下聲吶的時延數據，當系統開始正常工作時，FPGA檢測到GPS數據到達而聲吶時延數據未到時，將GPS數據通過無線電臺上傳給船載測控平臺，當FPGA檢測到聲吶時延數據已經到達后，將聲吶數據上傳，由于FPGA自帶并行邏輯處理功能，因此可以在每次GPS數據到達之后詢問聲吶時延數據，這樣既保證數據運算處理迅速，又可以使系統定位精度提高。

圖4 FPGA時序邏輯圖Fig. 4 FPGA timing logic diagram

3 海洋定位通信平臺測試與驗證

3.1 實驗室測試驗證

在檢查電臺模塊所有部位都已正常連接完畢后，進行上電測試，首先選擇第1個場景：2個電臺之間的通信距離為80.18 m，兩電臺之間均正常工作，測試時長為30 min，通信數據誤碼率為0%。

選擇第2個測試地點，2個電臺之間的通信距離為371.90 m。兩電臺之間均正常工作，測試時長20 min，通信數據誤碼率為0%。

上述2個測試為檢測無線電臺模塊內部電路是否有故障發生，當有故障存在時，電臺會處在不工作狀態，當2個電臺均正常工作時，說明無線電模塊性能完好，并且已經可以實現當聲吶數據上傳時，系統可以完成檢測功能，并將數據實時回傳，具備在外場進行拉距測試實驗。

3.2 外場拉距測試驗證

在完成實驗室聯調與測試之后，根據定位測距聲吶項目需求，保證聲吶時延數據和GPS數據能夠通過無線電通信系統上傳給6 km外的船載測控平臺，為此展開無線電臺外場拉距測試實驗[12]，確定目前已有的2個無線電臺最大通信距離與傳輸誤碼率。

表4為誤碼率與試驗拉距距離數據記錄表。

表4 系統定位誤碼率數據統計表Tab. 4 Statistical table of system positioning error rate data

根據實驗數據與分析結果可以得出，隨著拉距距離的不斷增大，周圍環境樓宇、樹木等對于無線電信號的干擾也隨之加大，如果在湖面或海面實驗，傳輸效果將會有明顯提高。當系統在7.895 km以內時，誤碼率很小，數據傳輸效果良好，滿足項目指標6 km傳輸距離的要求。

由此可見，浮標定位通信系統的傳輸距離可達6 km以上，滿足系統通信距離需求。在實際應用中，如果基線長度增大，系統傳輸距離不滿足要求時，可以利用增加通信浮標作為中繼端。通過此方法保證浮標陣元、船載測控平臺與水下協作目標之間穩定、有效的工作，實現基線長度的可延展性。

4 結 語

本文根據項目需求論證水下高精度定位系統的具體組成方案，完成GPS接收機與無線傳輸電臺的選型；在完成硬件設計的基礎上編寫了海洋定位通信平臺聲吶數據與定位數據的時序邏輯，并通過FPGA平臺實現數據上傳；初步測試了無線電通信模塊的最大傳輸距離。經過多次驗證，所設計的通信系統傳輸距離在7 km以內，誤碼率為1.5%，達到預期設計要求且滿足設計指標。