基于北斗衛星的大型海洋浮標通信機制探究

孫子奇

（哈爾濱工業大學（威海）信息科學與工程學院，山東威海 264200）

0 引言

中國北斗衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）簡稱北斗衛星，是由用戶區段、地面區段、空間區段所組成的，在能源持續性的支撐下，可在全球空間內進行高精度的數據服務，為交通、航運、水文、氣象等提供實時化的數據支撐。傳統海洋浮標的水文監測機制，是在不同地點防止浮標裝置，然后通過同一時間節點下的數據采集，分析出水文變動趨勢。在北斗衛星的支撐下，可將海洋浮標作為一個數據通信點，在“用戶—地面—空間”的通信結構下，實現多點位的信息同步傳輸，且整個數據傳輸精度遠高于傳統監測系統，滿足水文數據的多類別監測需求。

1 大型海洋浮標系統架構

大型海洋浮標系統運行驅動可以分為北斗終端、地面中心站以及海洋浮標3 個主體模塊（圖1）：首先，電力控制模塊的支撐下，依托于太陽能、潮汐發電以及風力發電等，對終端海洋浮標進行持續性的電力支撐；其次，在動力系統、告警系統以及水文監測系統的應用下，對整個數據采集信息進行模塊化支撐，確保數據信息采集的時效性，由北斗衛星地面中心站進行信息存儲，將此類信息通過北斗衛星進行數據采集監測；最后，將信息整合并傳遞到岸站接收中心，通過多維度的數據處理，保證每一類模塊在信息采集過程中可以完成對當前海洋信息的綜合化監控與處理，令海洋浮標所監控的信息真實反映出當前水面環境信息，為后續管理工作的開展提供數據支撐。

圖1 大型海洋浮標系統架構

2 大型海洋浮標系統功能

海洋浮標裝置的設定可以通過不同維度的信息采集，為當前海運及水面監測提供數據支撐。大型海洋浮標系統有如下3個功能。

（1）參照物功能。在海上進行水面施工時，由于外界風力的影響，造成施工目標會產生一定的偏差性，海洋浮標的設定，則可以為整個施工提供一個參照點。整體空間位于是按照海上浮標本身所具備的空間點進行數據建設的，這樣一來在海上浮標本身的定位功能之上，可以為海面施工提供一個持續性的參照支撐點，進而降低施工誤差。

（2）警告功能。在海上施工中，如果施工區處于航道之上，則來往的船只將對整體施工進度造成影響。特別是在能見度較低的惡劣天氣時，將對航運船只造成視線影響，高速行駛狀態下極易引發碰撞事故。海上浮標裝置的應用則可以利用雷達進行空間化檢測，其可以穿透煙塵、迷霧等，確定出浮標監測范圍內的各類障礙信息，由此界定出當前區域感之內是否存在航行的裝置，如果識別到障礙信息則可以通過北斗衛星系統進行報文預警處理，令航運船只了解到當前區域內的障礙情況，并進行減速或規避處理，保證航運的安全性。

（3）水文監測功能。海上環境信息具有多變性特點，例如，海面洋流以及潮差等，惡劣的水文條件將降低整個海洋工程的運行效率。通過水文監測系統的應用，其可以搭載5G 網絡，實現大范圍的區域監測，結合北斗衛星系統的全域化信息識別，及時針對外界所產生的各類水文信息進行處理，依據自身工程施工現狀，制定出更為完整的管理措施，規避各類風險問題。

3 基于北斗衛星的大型海洋浮標通信機制

位拼接作為大型海洋浮標通信系統的關鍵技術，通過多方位的算法呈現，確保數據信息在運算過程中起到精準識別的作用。

3.1 位拼接算法

傳統數據壓縮技術的應用是保障信息在固定存儲空間下的傳輸及存儲可以得到大容量的壓縮，以提高實際運作效率。位拼接算法的應用與實現則是針對當前數據層中的信息進行拼接處理，通過降低資源的耗損量實現對既有空間的有效擴充。當然此類信息空間是在原有空間結構下的數據運行區域內進行數據壓縮處理的，提高整體空間容量。從海洋監測角度，大部分數據信息參數只是在固定的范疇內進行數據監測，如風速、水溫等，一旦數據值超出基準正常指標時則將此類數值界定為野值，這樣便可在固有數據量中對實際范圍進行縮減處理。例如，在小數點后的3 位作為表達數據位，在發送過程中可以通過對數據最小位數的縮減與拼接進行截斷處理，減小數據傳輸總量，然后在接收端中利用位拼接算法對數據進行處理，便可以得到原有數據傳輸單的基準信息。位拼接算法所節約的數據空間效果較高，經實際測證，372 個字節的數據信息經處理過后，僅需要傳輸222個字節，可節約150 個字節的數據空間。

3.2 LZW 算法

LZW 算法則是針對原有LZ78 算法進行完善的一類壓縮型算法，在實際編解碼過程中無需將原有的字典進行任何驅動處理便可以實現無損壓縮。從運作原理來看，其可以看成是將帶壓縮的字節設定為一個具有流動特征的字典，通過字符映射出整個字節及碼字的輸出長度，這樣再通過壓縮算法實現相應的處理，提高整體壓縮質量且不會對原有的字節進行任何改變。

LZW 算法如下：先對字典進行初始化處理，令整個字典所具備的前綴根為空，輸入過程中將字符進行值量賦予，在后續字典識別過程中則可以進行更新處理，依據碼字進行輸出限流。此過程中將判定出數據壓縮的存有量，如果存在則繼續進行數字限流處理，否則進行編碼結束，并將整個解壓縮與壓縮中的數字進行二次比對，生成一個具有字符串輸出效果的碼字。解壓過程按照字典中的前綴根進行符值處理，在原有的詞典中查證出與字符串相對應的字符流并進行編碼，如果在字典中存在當前編碼，則進行數據讀取，否則返回到數據流中進行依次比對處理、直至解壓完畢。

3.3 壓縮效果

經過兩種算法的實際應用比較，位拼接算法的壓縮率與數據源所占據的空間及傳輸性能具有一定關聯在一定范疇內，如果數據本身產生浮動效果的話，則統計層面則需要對不同類別的數據進行持續性亞索，此時LZW 壓縮分布則可以看成是基于浮標通訊性能的基準化拼接處理，且整個拼接率高達28%以上，這時可以視作在通信延時期間，幀數損失效果較低，大大提高通訊性能。

4 大型海洋浮標通信協議

大型海洋浮標通信機制是在不同設備之間進行數據傳輸時的一種規約形式，其中通信協議設計的需要針對信息在流通過程中的效率性及安全性進行分析。從上文可以看出，位拼接LZW 在進行數據壓縮與處理時期，可以針對不同范疇內的數據進行等位處理，此時在變幀過程中則可以依據不同協議層進行分化解析（圖2）。

圖2 通信協議

（1）在幀元結構中，可以整個通信協議的最小單元數進行發送段與接收端的數據壓縮處理，然后將此類幀元結構進行填充與完善，確保在通信區域內數據提取，是符合幀數對接需求的，這樣可以有效規避因為通信時延所產生的掉幀問題。其中，幀長度代表幀元區段內的字節長度、浮標號代表單一幀數據的浮標對稱點、命令碼代表幀類型、通信數據代表對應在位拼接之后的壓縮數據。

（2）在包元結構中其可以看成是幀元結構的一種存儲場所，每一個包元結構在解析時，必須含有一個或多個幀元結構才可以確保在數據壓縮過程中按照字節填充量進行數據壓縮與解析處理。例如在包元結構中，如果字數限制為84 個字節，則不滿字節存儲容量下進行數據填充處理，如果滿足數據存儲需求，則將真元結構填充到下一個包元結構中，實現持續性的數據壓縮，保證信息傳輸的完整性。其中，包長度代表包元所有區段字節長度總和、包序號代表位列值、通信數據代表存放壓縮后的幀元數據。

5 “主—從”狀態機控制

對于北斗衛星通信系統而言，數據壓縮是針對整個傳輸效率提供一個運行載體，并且可以有效提高信息傳輸的安全性，避免數據傳輸誤差的問題?；谕ㄐ艡C制而實現的兩重狀態控制，則是從主動與從動狀態對北斗通信中的數據丟失問題進行解決，保證整個通信過程的持續性與可靠性。

（1）主動與從動狀態機可以有效規避信號弱控制問題，提高整個狀態期的統籌性能，保證在不同區位下實現時間節點的多位處理，確保浮標裝置在信號采集與傳輸過程中的完整性。

（2）主動與從動狀態機可以對幀數進行重發處理，規避因為漏幀、失幀所引發的數據對接不流暢問題。此類數據失幀處理可以針對丟失的數據進行單獨補發處理。

（3）主動與從動狀態機可對當前數據運行進行糾錯處理，其中主狀態可識別數據傳輸過程中的各類風險問題，從狀態機則可對帶有風險的數據進行排錯處理，避免產生數據誤傳遞問題。

對于浮標通信機制而言，可以有效將數據進行識別與歸類處理，例如命令信號與浮標機器進行對接，在數據傳輸時，利用主狀態機的檢測功能，查找出不同信息類別中存在的問題，從狀態機則是對后續浮標裝置通信進行輔助檢測的作用，確保主體線程通信的完整性，提高信號信息的傳輸質量。

6 結束語

北斗衛星支撐下的大型海洋浮標通信系統，可實時化、精準化地闡釋當前操控環境的數據羅列屬性，增強數據識別度，令地面接收器了解海洋上的環境信息，為后續管理工作的開展提供基礎保障。在后續發展過程中必須進一步加強對通信技術的應用及檢測設備的維護，提高信息監測質量，為海洋監管工作的開展提供數據支撐。