適用于中國近海觀測研究浮標的北斗/GPS雙模信標系統的研制與應用

賈思洋, 劉長華, 王春曉, 王 旭, 張 峰

適用于中國近海觀測研究浮標的北斗/GPS雙模信標系統的研制與應用

賈思洋1, 2, 劉長華1, 2, 王春曉1, 2, 王 旭1, 2, 張 峰3

(1. 中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院海洋大科學研究中心, 山東 青島266071; 3.自然碳匯研究院(青島)有限公司, 山東 青島 266000)

為了提高海洋觀測研究浮標在位運行的安全性, 自主設計了一種北斗/GPS雙模定位信標。該信標采用傳統的GPS技術進行定位結合“北斗”衛星特有的報文通信和定位功能, 通過解決傳統GPS信號盲區問題, 為中國近海海洋觀測研究浮標安全運行提供了更加有力的保障, 同時提高了數據保密能力。該系統采用外部供電和內部自主供電相結合的模式, 即使外部供電中斷, 也可保證正常運行不低于1 a, 而且基本上不需要對信標進行專門維護, 大大降低了運行和維護成本。與該信標配套的岸站管理系統具備發送和短信和郵件報警的功能, 可實現浮標運行狀態實時監控。

信標; 浮標;“北斗”衛星; 雙模; 定位

海洋科學是一門源于觀測的科學, 觀測技術的發展促進海洋科學不斷進步[1-3]。海洋觀測研究浮標是布設于海洋中的定點觀測設施, 是目前我國用于海洋氣象、水文、水質等參數長期連續在線監測的重要依托平臺[4], 具有實時、連續、長期、全天候和自動化等優點, 也是當前國際、國內主流、穩定、可靠的海洋觀測技術手段之一, 尤其是能夠在極端惡劣天氣下獲取海洋觀測數據, 這是走航式科學考察方式所無法比擬的[5-7]。浮標的安全在位運行是海洋觀測數據穩定獲取的基礎, 通常一套海洋觀測研究浮標系統價值幾百萬元, 其所搭載的儀器設備更是昂貴, 且存有大量重要的基礎觀測數據, 一旦發生浮標丟失, 不僅會造成巨大的經濟損失, 觀測數據丟失所造成的損失更是無法估量。但是海洋觀測研究浮標在位運行期間有時因為受到臺風、寒潮、漁船拖網等因素影響, 會造成浮標系統的移位, 而臺風和寒潮天氣下海況即使發現浮標移位, 由于海況惡劣也不能第一時間出海進行搜尋, 因此浮標移位后對浮標位置信息的實時追蹤就顯得更為重要。

通常情況下海洋觀測研究浮標定位主要依靠浮標數采模塊采集浮標上所安裝的GPS模塊進行浮標位置監控, 并通過浮標的通信系統將位置信息傳輸至陸基接收站。但這種定位方式需要浮標系統的數采模塊、供電模塊、通信模塊、GPS模塊均正常工作, 任何一個模塊故障均會導致浮標的實時位置信息無法獲取。此外, 在各模塊均沒有故障的情況下, 若浮標移位進入無線通信盲區或GPS信號盲區也會導致浮標位置信息中斷, 因浮標定位失敗導致浮標丟失事件已多次發生。

信標系統是一種向外界傳遞自身位置的信息裝置, 其主要用于目標物的搜尋[8]。為確保浮標安全, 避免單一使用GPS模塊存在的弊端, 一般海洋觀測研究浮標端會另外配置安裝一種信標系統。國外研究機構已研發了多種可應用于浮標的信標產品, 例如基于GPS定位和銥星通信技術的銥星信標, 代表產品有加拿大MetOcean公司的NOVATECH信標和Xeostech公司的Rover信標, 這些信標在我國近海浮標的實際應用中也取得了不錯效果, 但使用銥星信標存在敏感海域數據安全保密性差的問題。比較而言, 國內眾多科研人員也針對各自觀測設施安全需求試制了一系列基于GPS定位的海洋信標系統[9-14], 但這些基于GPS的信標系統在參數和功能方面與國外主流產品還存在一定差距, 且沒有形成穩定、成熟、市場化的信標產品。

本文針對浮標現有定位手段不足和國內缺少市場化信標系統的現狀, 基于我國具有自主知識產權的北斗衛星導航系統和傳統的GPS定位系統, 設計了一種用于我國近海海洋觀測研究浮標系統的北斗/GPS雙模信標系統, 旨在解決傳統GPS存在海上信號盲區問題, 擺脫依靠國外銥星傳輸所導致的數據保密性弱等問題, 最終實現我國近海海洋觀測研究浮標更加安全的運行保障。該信標系統研制成功后, 首先在中國科學院近海海洋觀測研究網絡黃海海洋觀測研究站(簡稱“黃海站”)和東海海洋觀測研究站(簡稱“東海站”)進行了海試應用, 隨后在國內多家研究機構的浮標系統上進行了推廣應用, 涵蓋了渤海、黃海、東海和南海海域, 且均取得了不錯的實際應用效果。

1 海洋觀測研究浮標定位方式

海洋觀測研究浮標通常采用核心數采采集GPS模塊定位和安裝銥星信標定位相結合的兩種方式。

1.1 核心數采結合GPS模塊定位

此種定位方式最大優點是浮標供電, 不需定期維護。缺點是受浮標整體運行穩定性限制, 浮標系統的任何一個模塊出現故障, 均無法實時掌握浮標的位置信息。此外, GPS定位模塊和網絡通信模塊(CDMA或GPRS)在海上均存在盲區, 若浮標移位進入GPS定位盲區或網絡通信盲區, 均會導致浮標位置信息中斷, 甚至導致浮標丟失。典型的案例如下。2016年11月, 黃海站03號浮標因受寒潮影響發生移位, 當時電壓正常、數據采集和通信系統均正常, 但由于海況惡劣, 技術人員無法及時出海進行浮標搜尋, 只能通過岸站系統監控浮標的實時位置(圖1)。在浮標持續移位過程中首先出現GPS信號盲點, 然后浮標完全進入GPS定位盲區(圖2), 雖然仍有數據發送, 但位置信息已經中斷。后期在海況稍微好轉的情況下, 黃海站組織多艘船只在03號浮標最后出現位置附近的方圓5海里海域進行拉網式搜尋, 但由于浮標的最新位置無法確定, 失去了浮標的搜尋線索, 最終導致03號浮標丟失。

圖1 黃海站03號標移位后的位置信息

圖2 浮標先后進入GPS盲區和通信網絡盲區

1.2 銥星信標定位

另外一種定位方式是安裝銥星信標, 該方案利用GPS模塊定位后通過銥星進行位置傳輸。銥星信標的優點是銥星信號覆蓋范圍廣, 不存在通信盲區; 缺點是銥星通信屬于國外技術, 不適合應用在一些敏感海域的浮標。且定位手段仍然采用GPS模塊, 同樣存在GPS信號盲區問題。

此外, 在運維方面, 由于銥星信標功耗大、維護頻率高, 在定位間隔為1 h的情況下, 每3個月需更換一次電池, 運維所需的船只、人力、物力等成本較高。

2 北斗/GPS雙模信標系統設計

針對海洋觀測研究浮標系統安全定位方面存在的諸多不足, 結合海洋觀測研究浮標自身的特點, 在不影響浮標原有功能的情況下, 基于我國自主研制、同時具有定位和短報文通信功能的北斗衛星導航系統設計了一種用于海洋觀測浮標的北斗/GPS雙模信標及其岸站管理系統, 用于海洋觀測研究浮標位置的實時監控。北斗/GPS雙模信標主要由密封防水外殼、定位通信模塊、控制模塊、供電模塊和水密端口等組成。岸站管理系統基于國有地圖設計, 用于顯示海上浮標位置, 可通過電腦、手機等終端設備實時進行浮標位置跟蹤, 同時浮標移位后自動通過郵件、短信等方式發送報警信息。

2.1 北斗/GPS雙模信標硬件

北斗/GPS雙模信標主體包括密封防水外殼、定位模塊、通信模塊、控制模塊、供電模塊和水密端口(圖3)等。如圖3所示, 北斗/GPS雙模信標整體為圓柱狀結構, 頂部設計控制模塊和通信模塊, 下部為電池艙。底部為水密端口, 用于外接電源和通信設置。

圖3 雙模信標結構示意圖

密封防水外殼選用硬度大、剛性好、尺寸穩定、吸水率低、耐疲勞強度高的特殊材料, 可有效避免金屬材料對定位信號、通信信號的干擾。密封防水外殼分為上下兩部分, 上部外殼主要用于控制模塊、定位模塊、通信模塊等; 下部外殼為電池艙; 上、下外殼采用螺紋固定方式。水密端口采用常用的水密接插件, 可作為浮標供電的接口, 同時可以通過該端口進行參數設置。

定位模塊包括GPS定位模塊和北斗定位模塊, 兩種模塊互補, 可避免單一模塊故障導致信標無法定位問題。GPS模塊采用超低功耗定位模塊, 因此GPS模塊的定位優先級高于北斗模塊。北斗定位模塊采用LGR-BTX251模塊, 該模塊同時具備短報文通信功能。兩個模塊均具備功耗低、可靠的特點。

通信模塊為平板圓形陶瓷天線, 可以支持接收GPS、北斗接收、北斗發送3個頻段的信號, 具有良好的全向性方向圖和低仰角增益, 性能穩定。

控制模塊采用TI公司的MSP430單片機作為主處理器, MSP430具有功耗超低、工業級、穩定可靠的特點。支持休眠模式, 支持從串口喚醒CPU。通過串口連接北斗定位通信模塊、GPS模塊和水密端口。

供電模塊采用低功耗電源管理DC-DC芯片, 電路支持外部浮標供電和可充電鋰電池的相互切換, 外部浮標供電優先。鋰電池電量不足的情況下, 浮標供電接入后, 同時給電路板和電池充電。若浮標電源不接入的情況下, 按照1 h發送1次定位信息, 電池可支持工作1 a以上(東海站06號浮標已連續工作2 a, 未出現低壓報警)。

2.2 北斗/GPS雙模信標軟件

北斗/GPS雙模信標系統工作流程如圖4所示。軟件程序使用c語言編寫, 系統采用狀態機機制, 分為待機狀態、定位狀態、通信狀態。

圖4 雙模信標工作流程示意圖

待機狀態下切斷除CPU以外的所有電路供電, 使CPU處于休眠狀態, 可通過定時中斷或者外部通信中斷喚醒。喚醒后CPU給GPS模塊上電, 一般10 s左右可以完成定位, 定位完成后關閉GPS模塊電源。系統切到通信狀態, 給北斗短報文模塊上電并發送GPS定位信息。完成通信后, 系統切換到待機狀態, 切斷所有電源并休眠。若連續5次使用GPS定位失敗, 則系統啟動信號覆蓋范圍更廣的北斗定位模塊完成定位, 然后通過北斗短報文完成通信。

在待機狀態下, 如有應急消息從水密端口傳入, 系統會立即從待機狀態切換到通信狀態, 發送應急通信報文。

2.3 北斗/GPS雙模信標岸站管理系統

岸站管理系統為web網頁(http://www.bdtracker. cn/)形式(圖5), 網頁左側頁面以地圖直觀顯示各信標的實時位置; 網頁右側頁面以文字顯示信標的相關信息, 其中浮標號為安裝有該信標設備的浮標編號, 可點擊此處的下拉菜單選擇想要查看和管理的信標狀態。信標管理分為設備狀態、設備報警、參數設定、最新軌跡和數據查詢幾個模塊。

圖5 信標管理系統

設備狀態模塊顯示信標上報間隔、信標電池電壓、最新位置和距離錨點的距離。

設備報警模塊顯示信標是否出現報警。當信標檢測到電池電壓低于設定閾值時, 會顯示低電壓報警; 若信標當前位置離錨點的距離超過設定閾值時, 會顯示移位報警; 若岸站連續3次未收到信標上報的位置信息, 即會出現異常報警。另外, 管理系統還會通過手機或郵件的方發送報警提示。

參數設定模塊顯示當前信標的參數設置信息, 包括浮標號、錨點位置、移位報警半徑、低電壓報警值等。可根據實際應用需求在此對信標系統進行遠程設置, 包括更改信標機的定位、通信頻率, 以及根據實際需要關閉或開啟相應的報警開關(圖6)。

軌跡模塊可顯示最近50個時間點次信標的運行軌跡, 在浮標發生移位時, 可使用該功能快速繪出浮標的漂移路徑。

數據查詢模塊用于查詢任意時間段內的信標位置信息。管理系統所接收的全部信標均實時保存至后臺數據庫中, 必要情況下可通過數據查詢模塊將信標的位置信息導出進行海流流向等附加信息的反演。

3 北斗/GPS雙模信標測試及應用

研制完成的北斗/GPS雙模信標的首套樣機(圖7)于2019年7月2日在中國科學院海洋研究所建設的東海站06號海洋觀測研究浮標系統上安裝使用(圖8), 隨后在黃、東海站以及渤海和南海的十余套浮標(圖5)上進行了安裝應用。并在東海站06號浮標臺風期間運行保障, 以及黃海站23號浮標拖帶布放階段發揮了不可替代的作用。

圖6 雙模信標管理設置界面

圖7 首套信標樣機

圖8 首套信標安裝在東海站06號浮標

3.1 在東海站06號浮標的應用

通常情況下, 東海站06號浮標的北斗信標定位間隔為3 h, 在臺風過境期間, 由于浮標存在移位或被風、浪破壞等潛在風險, 因此可以通過遠程設置的方式使其加密工作(10 min或5 min), 以確保臺風期間浮標位置處于可監控狀態。

2021年9月, 第14號超級臺風“燦都”從南向北穿過東海, 東海站共計5套浮標系統先后獲取到“燦都”臺風過境期間的實時觀測數據。其中布放于東海海礁附近的06號浮標獲取到最大浪高為10.6 m, 極大風速為61.8 m/s(根據我國2012年6月發布的《風力等級》國家標準, 17級風的最大風速為61.2 m/s; 若超過這個值國際航海界普遍稱為18級風)。17級以上臺風是東海海洋觀測研究站以及中國近海觀測研究網絡組網以來觀測風速之最。如此罕見的臺風觀測數據非常寶貴, 因此臺風過境期間浮標的安全在位監控極為重要, 在多次出現浮標獲取GPS信息失敗的情況下(圖9), 北斗/GPS雙模信標始終可以連續定位和通信(圖10), 在浮標安全運行保障中發揮了極為關鍵的作用。

圖9 臺風期間浮標集成的GPS位置信息多次中斷

圖10 臺風期間信標仍能持續定位和通信

東海站06號浮標安裝的信標至今已連續在位使用超26個月, 在定位間隔3 h(特殊情況可通過遠程設置進行加密工作)的情況下, 未出現明顯的電壓降低, 充分說明了信標的功耗較低, 維護成本易控。

3.2 在黃海站23號浮標布放過程的應用

2021年4月19日, 在將黃海站新建造的23號浮標由煙臺海域拖至秦皇島海域的過程中, 由于養殖區域和沿途流網較多, 船只拖帶浮標只能曲折繞行。拖帶船只自4月20日凌晨進入通信盲區, 之前正常工作的浮標此時數據幾乎完全中斷(圖11), 在秦皇島海域等候布放的技術人員也無法與拖帶船只取得聯系。4月21日開始海況變差不適宜布放浮標, 因此若不能精準協調及時完成布放, 布放船只需在該海域等待海況好轉, 僅租船費一項就會增加約20萬元。緊急情況下, 北斗/GPS雙模信標的作用凸顯, 負責布放的技術人員通過信標實時關注浮標拖帶的位置, 并提前關注海況、天氣等, 最終于4月20日天黑之前順利完成布放, 既節省了大量的人力、物力和財力成本, 又提高了工作效率, 早日將浮標布放到位進行觀測(圖12)。

3.3 在中國近海浮標端的推廣應用

為進一步促進科技成果轉化, 新研制的北斗/GPS雙模信標除滿足黃海站、東海站自身的應用需求外, 還在中國近海浮標系統上進行了推廣應用。截至2021年8月, 該信標已在上海市氣象局、中國海洋大學、南京大學、齊魯工業大學、自然資源部第一海洋研究所、中國科學院海岸帶研究所等高校和科研機構的部分浮標進行了安裝, 使用范圍涵蓋了中國4大海域。

圖11 浮標進入信號盲區數據中斷

圖12 浮標拖帶過程中信標仍能持續定位和通信

目前所有已在浮標上安裝的雙模信標系統均工作正常, 東海站06號浮標安裝的信標系統已連續運行超26個月, 數據接收率達到93.8%(表1)。

表1 信標的應用情況

注: *06號浮標端信標已連續使用超過26個月

4 結論

海洋綜合觀測浮標的安全在位運行是海洋資料穩定獲取的前提。本文設計了一種適用于海洋綜合觀測浮標的北斗/GPS雙模定位信標, 具有功耗低、信號覆蓋范圍廣、性能穩定、使用簡單等特點, 同時具有移位報警、異常報警、低壓報警和遠程設置等功能, 可有效保障浮標移位后位置信息的實時監控, 避免因無法定位導致浮標丟失。更為關鍵的是, 該系統是基于我國具有完全自主知識產權的、同時具有定位和短報文通信功能的北斗導航系統進行研制, 可有效保障觀測信息的安全。

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Research and application of the Beidou/GPS dual-mode beacon system for offshore marine observation and research buoys in China

JIA Si-yang1, 2, LIU Chang-hua1, 2, WANG Chun-xiao1, 2, WANG Xu1, 2, ZHANG Feng3

(1. Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 3. Institute of Nature Carbon Sink (Qingdao) Co., Ltd, Qingdao 266000, China)

To improve the safety of ocean observation research buoys, a kind of dual-mode beacon is designed. The beacon adopts the traditional GPS and combined Chinese Beidou satellites, which have the functions of position and short message communication. Solving the problem of the blind areas of traditional GPS signals allows the buoys for marine observation and research offshore from China to work more safely, and compared with the iridium satellite transmission, it can improve the confidentiality of observation data in sensitive areas. The power supply of the beacon includes a battery pack and external power provided by the buoy system. If the buoy power fails, the battery pack can guarantee that the beacon will work normally for one year or more, and it requires no special maintenance, which greatly reduces the maintenance costs. The management system matched with the beacon has the function of automatically sending SMS and an email alarm that can master the safe operation state of the buoy at any time. The Beidou/GPS dual-mode beacon system should be widely used for offshore marine observation and research buoys in China, providing strong technical support for the safety of offshore observation facilities in China.

beacon; buoy system; Beidou satellite; dual mode; positioning

Nov. 10, 2021

TP23

A

1000-3096(2022)08-0137-09

10.11759/hykx20211110001

2021-11-10;

2021-12-20

國家自然科學基金項目(41876102); 中國科學院儀器設備功能開發項目(GYH201902); 中國科學院先導科技專項A地球大數據科學工程(XDA19020303)

[National Natural Science Foundation of China, No. 41876102; Research Instrument and Equipment Development Project of Chinese Academy of Sciences, No. GYH201902; Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences, No. XDA1906020303]

賈思洋(1981—), 男, 山東平陰人, 碩士, 高級工程師, 主要從事近海海洋觀測研究, 電話: 0532-82899212, E-mail: jiasy@qdio.ac.cn; 劉長華(1977—),通信作者, 正高級工程師, 博士, 主要從事海洋觀測技術方面的研究, E-mail: lch@qdio.ac.cn

(本文編輯: 叢培秀)