基于無人布設的海洋環境數據監測系統研究

楊保華，張昭，郭飛

（1.北京機電工程研究所，北京 100074； 2.中國航天科工集體團，北京 100854 ）

引言

隨著信息化、智能化、無人化技術的高速發展，“智慧海洋”逐步替代“數字海洋”， 成為海洋信息化發展的必然趨勢。本文針對“智慧海洋”建設過程中缺乏及時高效、高精細的海洋實時數據觀測手段問題，開展基于無人布設的海洋環境數據遠程自主監測系統及關鍵技術研究，以期提升“智慧海洋”環境實時信息獲取及數據提供能力，加速推進“智慧戰場”環境保障能力建設。

1 國內外發展情況

1.1 國外海洋監測系統發展情況

海洋發達國家積極推動海洋信息基礎設施建設，高度重視新一代信息技術和裝備在海洋領域的應用，大力實施國家級海洋專項，持續提升海洋信息領域整體能力，不斷拓展戰略利益空間[1]。從上世紀80年代起，美國聯合加拿大等相關國家啟動并部署建設了多個海洋監測系統：如“綜合海洋觀測系統（IOOS）、大西洋區域監測計劃（AZMP）、北極監測和評價計劃（AMAP）等，構建了一套完整的岸基-海洋自動觀測網絡，從多個領域對海洋環境進行監測，涵蓋生物、物理、化學及軍事等多個學科。主要運用自動控制技術，對海洋信息參數進行自動采集，并將采集到的數據經過海洋浮標、近海平臺、衛星等手段傳輸至岸基系統。其海洋監測覆蓋面積廣，實時性高等優勢使其在海洋監測領域做出了極大的貢獻。

1.2 國內海洋監測系統發展情況

我國已經構建了以近岸（海島）固定式海洋監測站為主，船舶自動觀測設備、海洋觀測浮標為輔的初級海洋環境監測體系，和美國等發達國家相比還存在著起步較晚、時空覆蓋范圍與監測尺度不足的缺點[2]。目前的觀測方式以岸基站常規監測為主，依靠國家海洋局的若干觀測站、大型海洋固定觀測浮標以及ARGO浮標，以及近年來建立的海底觀測網，缺少布設靈活機動、大范圍、多維度、長時間的海洋環境監測手段，在科學領域，無法滿足海洋科學研究長期、連續、實時、多學科同步的綜合性觀測需求[2]，在軍事領域，無法滿足關鍵海域戰時快速、實時、高效、準確的針對性觀測需求。

因此，發展基于無人布設的海洋環境數據遠程自主監測技術，建立一套可以應用于平戰時的基于無人機的快速布設、數據實時獲取、信息高速傳輸的海洋環境數據遠程自主監測系統，作為國家海洋環境監測體系的有益補充，對于加快“智慧海洋”建設，推進“智慧戰場”環境保障能力形成，具有深遠的意義。

2 基于無人布設的海洋環境數據遠程自主監測系統設計

2.1 建設目標

針對我國海洋研究、海洋開發、海洋管理和其它海上活動（含軍事活動）等缺乏及時高效、高分辨率的海洋實時數據觀測手段問題，研究無人機自主空投布放、大規模分布式隨機接入、大并發物聯信號全概率檢測接收等關鍵技術，研制低成本、長待機、長壽命、免維護的監測浮標節點，快速、高效的基于無人機的自主空投布放系統與數據通信系統，直觀、全面的基于衛星的地面數據管理服務平臺，大幅提升海洋環境實時信息獲取及數據提供能力。

2.2 系統架構

系統采用基于LoRa通信協議的分布式架構。通過無人機自主空投布放系統完成對低成本的小型監測浮標在預定海域的批量快速布防。小型監測浮標作為節點完成對預定海域水下溫度、壓力、水聲等環境數據采集，利用LoRa設備低功耗、遠距離通信、低成本特點，構成大容量的傳感器網絡，并遠距離無線傳遞命令及數據。無人機以指令巡航的方式大范圍融合監測浮標節點數據，形成LoRa通信基站并與衛星通信，再由衛星中轉將采集到的環境數據發送給地面接收管理服務平臺。小型監測浮標與無人機、無人機與衛星、衛星與地面接收設備之間均采用加密傳輸。系統架構圖如圖1所示。

圖1 系統架構示意圖

2.3 系統組成及功能指標

系統主要由一定數量的小型監測浮標、無人機（加裝自主式空投布放系統、機載數據通信系統）、基于衛星的地面數據管理服務平臺組成。

無人機考慮運載量及航程，可基于運-12等通用飛機完成改裝研制，使運-12具備大重量、遠航程和快速便捷的無人化空中運投能力，載重≥1.5 t，航程≥1000 km。

小型監測浮標為剖面漂流浮標，以一定周期漂浮在洋面上或沉入水中作業，通信時需浮于海面上，功能指標如下： 最大工作深度：≤300 m；定位方式：北斗；通信方式：LoRa 433 MHz；采樣間隔：≥1 h（可設定）；工作時間：≥150天（1 h間隔條件下）；具備溫度、壓力、水聲等參數測量能力；重量：≤10 kg；能夠承受海面嚴峻的環境。

在空曠海面上，無人機與小型監測浮標節點監聽距離≥5 km；同時支持的浮標節點數目≥5000個。

2.4 系統設計

2.4.1 低功耗遠程無線傳輸方案

當前網絡通信技術日新月異，有WIFI、Bluetooth、Zigbee、4G、5G等成熟通信手段，也有新興的LiFi、AirGig、量子通信等，更有應用于物聯網領域的LoRa、NB－IOT等技術手段。通過從技術成熟度、功耗、成本等角度綜合考慮，選擇LoRa作為系統無線傳輸手段。

LoRa主要針對廣域網（WAN）應用，旨在為具有特定功能的低功率WAN提供支持，以便在IoT和M2M中支持低成本的移動安全雙向通信智能城市和工業應用。針對低功耗優化并支持具數百萬臺設備的大型網絡，數據速率范圍為0.3 kbps至50 kbps。

綜合考慮傳輸速率與通信距離，選擇SF（擴頻因子）=8，BW（信道帶寬）=500，bps（速率）=12500，負載=64，傳輸距離大于10 km，通信耗時約為43.65 ms，適合典型應用場景。若節點發射頻率為1次/小時，無人機作為節點理論上可接入的小型監測浮標節點數不超過82500個。

節點入網過程如下：

1）將小型監測浮標節點部署到洋面后，節點從北斗獲取位置信息。每個節點的LoRa通信范圍不小于10 km，保證處于無人機覆蓋范圍。監聽433 MHz頻段，頻率433～434 MHz，共3個信道。

2）浮標節點依次向所有頻點發送LoRa入網申請，入網申請包類型定義為0×01，數據包如圖2。

圖2 入網申請包

3）無人機機載數據通信系統接收到入網申請包后，將通信鏈路強度（RSSI，4字節有符號整型）寫入數據區，入網申請響應包類型定義為0x02，組成入網申請響應包發回給節點，數據包如圖3。

圖3 入網響應包

4）節點獲得從無人機返回的響應包，發射節點監聽頻點入網響應確認包，入網響應確認包類型定義為0×03，數據包如圖4。

圖4 入網響應確認包

無人機接收到入網響應確認包后，將該節點ID存入節點列表中，開始數據接收。

2.4.2 大容量并發信號全概率檢測接入方案

在系統中，無人機機載數據通信系統同時接收多個節點的數據，在每個節點都進行1次/h的數據發射過程中，如不采用算法干預的情況下，很大概率會發生碰撞，導致數據丟失。而節點能量有限，使用檢測重傳機制會導致節點能耗大大增加，降低壽命。因此，系統提出節點輪詢機制，并預估節點預輪詢時間。當節點處于采集過程中，LoRa發射接收模塊休眠，待輪詢時間到達前觸發接收模塊監聽消息，從而達到全概率檢測、低功耗的要求。

浮標節點依次向所有頻點發送LoRa入網申請，無人機機載數據通信系統接收到入網申請包后，將通信鏈路強度（RSSI）寫入數據區，組成入網申請響應包發回給節點，節點獲得從無人機機載數據通信系統返回的響應包，發射監聽頻點入網響應確認包，接收到入網響應確認包后，將該節點ID存入節點列表中。

機載數據通信系統在存節點ID或接收節點采集數據之后，根據策略設置預輪詢時間，將該時間填入預輪詢時間包發送給浮標。浮標收到預輪詢時間包后，發送預輪詢確認包。機載數據通信系統根據節點列表，在指定輪詢時間發送輪詢請求包，請求采集數據。浮標接收到請求后，將采集數據發送給機載數據通信系統。機載數據通信系統接收到節點數據后，存儲至緩存中，并定期向衛星傳輸數據。

2.4.3 小型低成本免維護海洋數據監測浮標方案

相較于定點觀測的方式，剖面浮標具備大范圍、準同步、投入產出比高等優勢，成為國際海洋監測活動中大量使用的高技術設備，如ARGO自持式剖面探測漂流浮標（簡稱剖面浮標或浮標）。

ARGO自持式剖面探測漂流浮標隨洋流自由漂移，可以每隔10天通過內循環系統自動充氣、注油或者抽回氣體和油，來改變自身在海水中的浮力，實現自主下沉或者上浮，并從約2000 m深處上浮到海面的過程中分層采集海水的溫度和鹽度數據，科學家稱其為一條“剖面”或者一幅“圖像”。其還可以遠程控制，只要在陸上實驗室為它們重新設置指令，就可以控制它們的沉浮循環周期（1天、2天、5天或者10天）和測量的最大深度（1000 m、1500 m或者2000 m），方便捕捉變化無常的海洋環境[3]。

為滿足使用場景需求，同時降低終端的成本，將參照Argo浮標的工作原理，研制一種小型低成本免維護海洋數據監測剖面浮標，可以在海洋中自由漂移。工作時，預先設定浮標的沉浮循環周期（1 h、1天、3天、5天等），可采集下沉深度300 m的海洋環境參數（如溫度、壓力、水聲等），發送數據時浮出水面。剖面浮標可通過北斗衛星定位，通信時將自身的位置信息及傳感器采集信息（溫度、壓力、水聲等）通過無人機和衛星發送至地面數據中心。此外，剖面浮標具有自診斷、自修復功能，自帶大容量電池，可以滿足長期免維護工作，待機時間不低于150天（1次/h發射頻率，普通3.7 V，3000 mAh電池）。剖面浮標的設計涉及定深控制技術、海水參數測量技術和低功耗設計技術等多項關鍵技術。

2.4.4 無人機機載數據通信系統方案

無人機機載數據通信系統通過低功耗遠程無線傳輸、大容量并發信號全概率檢測接入技術與小型海洋數據監測浮標節點實現通信并獲取數據后，還需要將數據信號發往衛星，再由衛星將信號傳送到地面接收站。

考慮到通信帶寬，按最大節點容量計算，系統的實時數據速率達到近350 kB/s，北斗衛星難以承受如此高的負重，擬選用天通一號通信機制。天通一號衛星移動通信系統，由空間段、地面段和用戶終端組成，空間段由多顆地球同步軌道移動通信衛星組成。覆蓋區域主要為中國及周邊、中東、非洲等相關地區，以及太平洋、印度洋大部分海域。支持電話、短信和數據業務，系統容量100萬用戶，可支持同時5000對用戶通話，根據不同的終端類型，數據業務可支持9.6 kbps或384 kbps。

2.4.5 無人機自主式空投布放系統方案

加裝在無人機上的自主式空投布放系統主要完成對小型海洋數據監測浮標節點的自主空投布放。考慮到需要確保一定的散布面積，布放拋灑的方式選擇有動力源拋灑，動力源可分為氣囊拋撒、中心管拋撒和發射管拋撒等，主要取決于無人機內部空間限制、技術成熟性和監測浮標的適應性。氣囊拋撒對監測浮標產生的過載較小，而中心管拋撒和發射管拋撒對監測浮標的過載較大，會對監測浮標的可靠性有一定的影響，因此布放拋灑的方式選擇氣囊拋撒。

無人機到達目標海域上空一定位置時，打開下部艙門，自主式空投布放系統相應的起爆單元發出爆轟能量，經燃氣發生裝置的傳爆組件將爆轟能量轉化為傳火信號，啟動相應的燃氣發生器。燃氣發生器接收到發火能量后作用產生大量氣體，釋放在燃爆器內，并通過燃氣導管將氣體引致氣囊，對氣囊充氣。氣囊充氣，推動監測浮標，監測浮標出艙。監測浮標出艙后，被賦予一定初始速度和姿態。監測浮標按照預先設定好的程序分別打開減速傘，穩定降落在預定海域。

3 關鍵技術研究

3.1 大規模分布式隨機接入技術

小型監測浮標節點采用剖面浮標的形式，工作時會隨洋流漂移，接入無人機具有隨機性。系統采用基于LoRa的無線傳感網絡架構，LoRa為信號傳遞方式，輻射整個被測海域；節點接入時，搜索可通信范圍內最近的無人機，按特定入網協議，可以迅速接入無線網絡。

3.2 大并發物聯信號全概率檢測接收技術

大并發物聯信號全概率檢測接收技術是系統中一個重要組成部分，現場大量節點處于無序發射狀態時，將出現大量的信號碰撞，導致數據丟失、能量損失，需要制定一種節點輪詢機制，并預估節點預輪詢時間方案，采用該技術，可以保證覆蓋范圍內節點的有序有效發射，實現信道資源的高效充分利用。

3.3 基于非對稱加密機制的網絡安全通信技術

實際使用要求物聯網設備通信過程中具有信號抗截獲功能，這就需要引進信號傳輸加密機制。與對稱加密相比，非對稱加密不需要密鑰傳輸，保密性、安全性好。通過證書和密鑰存儲區域設計、證書簽名及權限設計，約束各節點、接收設備的密鑰持有條件，分析證書驗證過程，保證數據即使被其他組織截獲，也無法還原原始數據。

3.4 遠程物聯網免維護設計技術

部署于海洋的小型監測浮標節點遠離海岸，需要盡可能的提高自身的可靠性、免維護以及電池續航能力。小型監測浮標大部分時間潛在水下工作，需要依靠自身攜帶的電池供電；免維護設計主要考慮以下幾個方面：

1）實現高可靠性硬件、軟件設計；

2）浮標采用空投布放，需要具備耐沖擊能力；

3）浮標選擇高性能鋰電池供電；

4）浮標需要具備潛水能力，不能長期在海面工作；

5）浮標具備健康狀態自檢、北斗定位授時、獨立密鑰、LoRa通信能力；

6）浮標壽命到期后，考慮提供自毀機制，例如自沉。

3.5 基于柵格化的節點數據結構控制技術

地面數據管理服務平臺將收集到的節點數據進行處理，并通過一定的數據格式發布，通過用戶端軟件進一步分析與顯示。海洋環境數據需要包含地理位置信息，并且最終展示也需要與地圖結合，以達到直觀形象的效果。柵格化數據結構是一種顯式的空間數據結構，可以方便的描述地理要素和地理現象之間的關系，主要包括空間位置、拓撲關系和屬性等幾個方面的內容。

4 應用前景

基于無人布設的海洋環境數據自主監測系統可以應用于包括氣候觀測、海洋健康、海洋活動（含軍事行動）等多個方向：

1）氣候觀測：針對短期氣候異常現象，通過系統的快速部署，在目標區域監測短期氣候變化，并提供預報氣候變化所需的觀測資料。

2）海洋健康：針對意外發生的海洋污染時間提供應急監測，提供有關海洋環境惡化特征與范圍、海洋資源、自然變化和海洋健康方面的信息。完成資料收集、健康監測和健康影響評估。

3）海洋活動（含軍事行動）：監測在目標海域、港口、航道等開展的海洋活動（含軍事行動），其他還包括海洋測繪、海洋救援等。

5 結論

綜上所述，系統針對“智慧海洋”建設過程中及時高效、高分辨率的海洋實時觀測數據獲取問題，以智能化、無人化為主線，通過無人機自主空投布放、大規模分布式隨機接入等技術手段，初步構建了基于無人布設的海洋環境數據遠程自主監測系統方案，能夠為加速推進“智慧戰場”環境保障能力建設提供強有力的支撐。