天通、北斗雙模衛星通信在海洋水文監測終端的應用

［李聽聽 劉銘 陳劉偉］

1 引言

中國是海洋大國，擁有漫長的海岸線、廣袤的管轄海域和豐富的海洋資源。當前，以海洋為載體和紐帶的市場、技術、信息、文化等合作日益緊密，中國提出共建21 世紀海上絲綢之路倡議，希望促進海上互聯互通和各領域務實合作，推動藍色經濟發展，推動海洋文化交融，共同增進海洋福祉。海洋水文氣象觀測是認識、研究、保護、開發海洋的基礎[1]。然而，當前海洋水文監測終端主要以美國銥星、歐星、海事衛星等為主，存在衛星覆蓋范圍有限、數據安全得不到保證等問題。針對當前海洋水文監測終端主要以美國銥星、歐星、海事衛星等為主[2]，本文提出基于天通、北斗衛星通信系統的海洋水文監測數據傳輸終端，可滿足我國海洋數據傳輸需要，擺脫數據傳輸依賴國外并保證數據傳輸過程的安全。

2020 年7 月31 日，習近平總書記在人民大會堂莊嚴宣布：北斗三號全球衛星導航系統正式開通，這標志著北斗事業進入到全球服務新時代。北斗衛星導航系統是我國自行研制、自行建設、自行管理，具有完全自主知識產權的全球衛星導航系統，北斗衛星導航系統具有雙向短報文通訊能力，以北斗衛星作為中繼轉發設備，實現北斗終端接收機之間的通信[3]。

除北斗外，天通一號衛星移動通信系統也是我國自主研制建設的衛星移動通信系統，由空間段、地面段和用戶終端組成。在技術層面，它標志著我國打破了國外技術封鎖，進入了地球同步軌道移動通信衛星俱樂部，在海事衛星系統和銥星系統之外，有了中國人具有自主知識產權的衛星移動通信系統；標志著我國在新載荷、大平臺的研制與應用等領域進入了國際領先行列。同時，也表明我國在衛星的設計制造能力、平臺技術、載荷技術、基礎元器件、原材料和地面仿真實驗驗證技術領域，達到了較高的技術水準。該系統已于2017 年上半年投入使用，具備話音、短信、數據、傳真等衛星業務，目前實際場景應用的最高數據速率可達384 kbit/s。

海洋水文監測終端例如浮標等，放置地點遠離陸地，通常采用衛星通信的方式。海洋水文監測終端常用通信方式主要包括銥星、海事衛星、北斗、天通，這些衛星通信系統技術成熟，可以在全球范圍內（除南北極區外）為海洋水文監測終端提供全時、穩定、可靠的數據通信渠道。這幾種衛星通信方式各有優缺點對，如表1 所示。

表1 為常用衛星通信方式對比[4][5]

依據表1 可以看出，銥星、海事衛星通信系統自主可控性差、設備和通信資費高[6，7]，同時采用天通、北斗兩種衛星通訊模式的終端，利用天通、北斗各自的優勢，可以有效支撐當前海洋水文監測終端可靠通信。

借助天通、北斗各自的優勢，根據業務需求和衛星信號質量，自適應選擇信道，實現業務互補、互為備份，增加衛星通信的可靠性。天通、北斗可以很好地解決海洋水文監測數據傳輸問題，用戶不僅可以獲得海洋水文監測數據，而且可以對海洋浮標等多種類型的終端進行狀態監視和控制。

2 系統總體設計

如圖1 所示，基于天通、北斗的雙模衛星通信海洋水文監測系統主要由監測終端、天通衛星、信關站、北斗衛星、指揮機、海洋水文數據處理系統[8，9]。其中監測終端通過判定天通衛星的網絡信號強度、北斗衛星的波束信號功率來選擇數據通信鏈路，大大增加了通信的可靠性。終端集成雙衛星通信模式，可以通過北斗短報文、天通短信、天通數據業務將傳感器數據、終端自身狀態信息發送到后臺數據處理系統上。其中北斗短報文首先發送到指揮機上，然后指揮機將數據轉發到數據處理系統；天通業務都需要經過地面信關站再轉發到數據處理系統。數據處理系統可以通過指令查詢、控制終端參數，實現數據交互、狀態監控。

圖1 基于天通、北斗的監測終端系統構成

2.1 終端硬件設計

電路系統主要由微處理器、自主觀測傳感器、高精度數字姿態補償儀、調試接口、天通通信模塊、北斗通信模塊、多模天線、電源供電系統等組成。電路系統組成框圖如圖2 所示，微處理器按照設定時序，對各個海洋水文觀測傳感器喚醒、數據采樣、數據處理、存儲、衛星傳輸、休眠等流程操作。為集成自主觀測傳感器設備，并能在高海況條件下開展海氣通量觀測，設計高穩定性抗擾動觀測平臺，使用基于運動姿態方位傳感器的高頻高精度數字姿態補償儀，提供晃動平臺三維脈動風速測量準確度，同時開發智能化、模塊化數據采集系統，實現高海況下通量測量的穩定可靠。

圖2 電路系統框圖

傳感器是海洋水文監測的關鍵環節，傳感器的質量和性能直接影響到海洋水位監測的準確度。基于各姿態傳感器的互補特性進行組合設計，數字式姿態儀以更高的測量精度獲取終端平臺的實時姿態。為了測量浮游植物光合作用消耗的二氧化碳，激光誘導葉綠素熒光傳感器調制激發光驅動信號，濾波解調探測信號，采用深度濾光技術，消除外界光影響，提高熒光收集效率及檢測靈敏度。

多頻段天線通過分枝、倍頻、寄生添加等幾種設計方法，實現多個工作頻段接收信號和發射信號，它包含的工作頻段有北斗RDSS 收頻點、北斗RDSS 發頻點、北斗GNSS 頻點、天通頻點。

2.2 終端軟件設計

終端的軟件設計采用RT-Thread 系統。RT-Thread 是一個國產集實時操作系統（RTOS）內核、中間件組件和開發者社區于一體的技術平臺。RT-Thread 也是一個組件完整豐富、高度可伸縮、簡易開發、超低功耗、高安全性的物聯網操作系統[10]。

系統創建多個線程來監控各個模塊的狀態。系統的主要處理流程是：監測到傳感器數據，啟動數據處理、存儲線程完成數據的拆包存儲，隨后啟動天通、北斗通信模塊，通過查詢天通衛星的網絡信號強度、北斗衛星的波束信號功率，選擇最優的衛星通信方式進行數據傳輸，完成數據傳輸后設置所有模塊進入低功耗狀態。所有模塊進入低功耗狀態，等待下次使用時被喚醒。系統可以通過傳感器設定的IO 電平變化喚醒，也可以通過接收傳感器的串口數據喚醒。主線程的處理流程如圖3 所示。

圖3 主線程處理流程

3 數據傳輸設計

3.1 數據分包

由于北斗、天通衛星數據傳輸單次通信容量有限，而部署在監測終端各種傳感器全天候的獲取數據，會產生大量數據，一次傳輸這些數據是無法實現的[11]。因此在傳輸大量海洋監測數據時需要進行分包傳輸，在接收端需要對數據進行分包重組，從而獲取完整的傳感器數據。

3.2 傳輸協議

北斗短報文單次通信只能傳輸77 個字節內容，監測終端使用的是北斗民用卡，用戶屬于三類用戶機，服務頻度60 秒鐘；天通短信單次短信傳輸的最大字節為144。假設衛星通信每次通信傳輸的字節為長度最大為L。設計傳輸協議格式如表2 所示數據分包傳輸協議。

表2 傳輸協議格式

接收端首先通過傳感器類型確定當前傳輸數據類型，然后通過總幀數、幀計數兩個字段來完成整包傳感器數據的重組。

如果傳輸通道采用天通數據業務，最大長度L 就可以設置為大于1 024，每包可以傳輸更多數據，傳輸速率明顯優于天通短信、北斗短報文。

3.3 重傳機制

由于空間環境、星載設備和海況等因素的影響，北斗短報文或者天通短信單次通訊成功率實際約為σ。假設需要傳輸的大容量傳感器數據共計N字節，則傳輸完所有數據的最大幀數tf

本次數據傳輸的成功率pos 如下公式所示,

由公式可見隨著幀數tf 的增加，數據傳輸成功率將隨之呈指數趨勢下降。使用天通數據傳輸時L可以足夠大，傳輸的成功率對比天通短信、北斗短報文有很大的優勢，但是也有一定的丟包概率。因此，引入重傳機制保證大數據的成功率是非常有必要的。

這里引入應用層數據傳輸重傳機制，保證大容量傳感器數據成功率為100%。重傳機制的幀格式按照表2 中格式傳輸，在傳感器數據傳輸完成后，接收端對數據的完整性進行檢驗。當接收端檢測到傳感器數據有丟失，會向監測終端發送丟失幀的幀計數。監測終端接收到對應的幀計數，將對應幀計數的數據發送給接收端。重傳機制的概述圖如圖4 所示。

圖4 重傳機制的概述圖

4 結語

基于自主可控的天通、北斗雙模衛星通信用于海洋水文的監測終端，在傳輸數據應用層高效實現數據分包、重傳機制，保證大容量傳感器數據的傳輸成功率。該技術的應用為認識、研究、保護、開發海洋資源提供了一種更安全、高效數據傳輸方式，為中國21 世紀建設海洋強國添磚加瓦。使用完全自主的衛星系統，促進海洋水文觀測以自主可控技術為先導的高新技術產業發展，同時，對國民社會經濟發展具有重大促進作用。