深海潛標ADCP的實時數(shù)據(jù)傳輸

趙忠生, 袁志偉, 黃 磊, 李延剛, 韓雪雙, 楊寶起, 陳海濤

(中國海洋大學, 山東青島 266003)

深海潛標ADCP的實時數(shù)據(jù)傳輸

趙忠生, 袁志偉, 黃 磊, 李延剛, 韓雪雙, 楊寶起, 陳海濤

(中國海洋大學, 山東青島 266003)

深海潛標觀測是深海觀測獲取長周期海洋科學數(shù)據(jù)的重要調(diào)查手段, 由于深海海域環(huán)境非常復(fù)雜, 潛標易丟失或終止正常工作, 造成重大損失。本研究基于銥星衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信模塊, 開發(fā)與深水潛標上安裝的RDI 75k ADCP相匹配的數(shù)據(jù)解析壓縮軟硬件, 建立一套遠程實時獲取潛標ADCP數(shù)據(jù)的傳輸系統(tǒng), 實現(xiàn)對深海潛標ADCP的實時監(jiān)測。

潛標; 浮標; ADCP; 銥星通信; 實時傳輸; 技術(shù)集成

21世紀是海洋的世紀, 要認知海洋、開發(fā)和利用海洋就要進行海洋調(diào)查。為發(fā)現(xiàn)海洋新現(xiàn)象、驗證海洋新理論和滿足海洋科學發(fā)展需求, 在深海海域獲取長周期海洋科學數(shù)據(jù)主要靠布放深海潛標和海面浮標兩種方式[1], 由于海上環(huán)境極其復(fù)雜, 兩種方式都存在著不同程度的風險, 浮標容易遭受強臺風的襲擊或人為破壞, 而潛標因流場和地理環(huán)境復(fù)雜容易丟失或不能正?；厥誟2]。同時因海洋儀器絕大部分為國外壟斷, 價格非常昂貴, 整個潛標系統(tǒng)造價一般高達幾百萬元甚至上千萬元人民幣, 一旦不能正?；厥諏⒃斐芍卮蟮慕?jīng)濟損失, 同時丟失寶貴的海洋科學數(shù)據(jù)。本文所研究的就是結(jié)合深海潛標和海面浮標兩種方式的優(yōu)點, 對現(xiàn)有深海潛標系統(tǒng)進行完善, 建立能夠?qū)崟r傳輸?shù)纳詈摌讼到y(tǒng), 為海洋科學研究提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 也可為提高中國深海實時數(shù)據(jù)傳輸潛標設(shè)計水平提供借鑒[3]。

1 總體設(shè)計

具有實時數(shù)據(jù)傳輸功能的深海潛標系統(tǒng)包括遠程接收和海上發(fā)送兩個部分: (1)陸地接收部分包括銥星數(shù)傳接收模塊和監(jiān)控軟件, 銥星數(shù)傳接收模塊的功能是接收海上銥星數(shù)傳模塊實時傳來的ADCP數(shù)據(jù)和海面浮標的 GPS位置信息[4], 監(jiān)控軟件的功能是解析、處理來自數(shù)傳接收模塊的數(shù)據(jù), 并實時將這些信息顯示在監(jiān)控界面上和存儲到指定的數(shù)據(jù)庫。(2)海上發(fā)送部分包括數(shù)據(jù)采集模塊和銥星數(shù)傳發(fā)送模塊, 數(shù)據(jù)采集模塊的功能是實時采集潛標主浮體上 RDI 75kHz ADCP數(shù)據(jù), 并對其進行解析和壓縮處理, 減少數(shù)據(jù)量以降低衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸費用, 同時具有長線距離功能,將處理后的壓縮數(shù)據(jù)包傳輸給海面浮標內(nèi)的銥星數(shù)傳發(fā)送模塊, 再由發(fā)送模塊發(fā)送給陸地接收部分, 實現(xiàn)深海潛標數(shù)據(jù)的實時傳輸。

圖1 深海實時數(shù)據(jù)傳輸潛標系統(tǒng)的總體設(shè)計方框圖Fig. 1 Overall design block diagram of real-time data transmission of subsurface mooring system

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 全球銥星系統(tǒng)和數(shù)傳終端

全球銥星系統(tǒng)(IRIDIUM)是由66顆環(huán)繞地球的低軌衛(wèi)星網(wǎng)組成的全球衛(wèi)星移動通信系統(tǒng), 衛(wèi)星高度約為 765 km, 采用獨立成網(wǎng), 是迄今全球覆蓋最廣的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。通過“無縫隙”的全球覆蓋, 全球銥星系統(tǒng)可隨時隨地為用戶提供便捷的通信服務(wù)。

銥星數(shù)傳終端(Iridium DTU)以銥星網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星為傳輸中繼媒介, 以銥星 SBD9602為核心模塊, 通過標準的數(shù)據(jù)接口(如 RS232串口等)與外部設(shè)備連接,并為外部設(shè)備提供透明的數(shù)據(jù)接口, 將外部設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)送給全球銥星系統(tǒng)控制中心, 實現(xiàn)對目標設(shè)備的實時監(jiān)控; 也可接收從控制中心發(fā)回的各種指令信息, 以控制目標設(shè)備。銥星數(shù)傳終端和控制中心之間借助于銥星通信網(wǎng)絡(luò)和銥星運營商的網(wǎng)絡(luò)平臺,完成數(shù)據(jù)通信功能。

圖2 銥星數(shù)據(jù)傳輸示意圖Fig. 2 Iridium data transmission diagram

該銥星數(shù)傳終端適用于各種無人職守的、現(xiàn)有地面通訊網(wǎng)絡(luò)信號無法覆蓋地域的數(shù)據(jù)采集點, 也適用于在深海大洋調(diào)查船舶、觀測浮標等的定位跟蹤或SBD(Short Burst Data, 即突發(fā)短數(shù)據(jù))的通信與傳輸。在地面上, 用戶可以通過Email方式、Direct IP方式或點對點方式(兩個銥星數(shù)傳終端之間)接收來自銥星SBD數(shù)據(jù)傳輸終端發(fā)回的數(shù)據(jù)[5]。

本設(shè)計方案中采用的是點對點方式, 即在海上和陸地各采用一個銥星數(shù)傳終端, 并將兩者綁定實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時通信, 采用的銥星數(shù)傳終端主要技術(shù)參數(shù)為: 供電電源范圍10～32 VDC, 靜態(tài)功率小于0.8 W, 瞬間發(fā)射功率2 W(持續(xù)時間小于10 ms), 銥星通信模塊為 9602, 通信模塊上傳到衛(wèi)星的數(shù)據(jù)長度最大為 336字節(jié), 衛(wèi)星下傳到通信模塊的數(shù)據(jù)長度最大為 266字節(jié), 數(shù)據(jù)通訊接口為 RS232標準接口, 默認波特率為9 600bps, 可接全向銥星天線和通用GPS天線。

2.2 潛標主浮體ADCP

ADCP(聲學多普勒流速剖面儀)是一種利用聲學多普勒原理研制的海流剖面測量設(shè)備, 它采用聲學換能器發(fā)射一定頻率的聲波, 然后接收被水體中顆粒物散射回來的聲波, 通過信號處理器進行處理,獲得水體中顆粒物相對于換能器的移動速度和方向,通過底追蹤或 GPS定位功能, 可獲取水體中顆粒物相對于地球坐標的流速和流向(即海水的流速和流向)[6]。

根據(jù) ADCP測量數(shù)據(jù)存儲方式的不同分為直讀式和自容式, 在船載走航測量時一般采用直讀式,在深海大洋潛標長期觀測中一般采用自容式 ADCP,為了獲取更大范圍內(nèi)的海水流速和流向剖面, 盡可能選擇能夠耐受更大壓力、頻率較低的ADCP, 目前國際上在深海大洋潛標觀測時一般采用 75k的ADCP, 以美國 RDI公司生產(chǎn)的高分辨率 Long ranger系列75k ADCP為例, 其常規(guī)技術(shù)參數(shù): 最大測流剖面距離 500 m, 流速量程為±10 m/s, 測流速度精度為±0.25%±2.5 mm/s, 測流分辨率為 1 mm/s,測流單元厚度為4~32 m, 測量單元數(shù)為1~255。

2.3 ADCP數(shù)據(jù)采集模塊

ADCP數(shù)據(jù)采集模塊是采用單片機技術(shù)開發(fā)的電路板, 置于能夠承受深海壓力的密閉艙內(nèi), 并安裝在深海潛標的主浮體上, 其功能是: 通過 RS232標準接口與主浮體上安裝的 ADCP連接, 實時接收來自 ADCP特定格式的數(shù)據(jù), 通過單片機進行解析處理, 同時對數(shù)據(jù)進行最大限度的壓縮形成短數(shù)據(jù)包, 以滿足衛(wèi)星數(shù)傳模塊的格式要求, 該采集模塊還包括長線距離(不小于1 000 m)傳輸電路部分, 將數(shù)據(jù)通過通信電纜直接傳輸?shù)胶Ｃ娓∏虻你炐菙?shù)傳模塊。

該模塊電路板上有 2個 RS232輸入輸出接口,其中一個串口采集來自ADCP 特定格式的測量數(shù)據(jù),具體數(shù)據(jù)流格式在本文中的系統(tǒng)集成部分詳細描述,從數(shù)據(jù)流中讀取測量時間和32個cell的流速、流向值, 為減少衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)量節(jié)約開支, 對每個數(shù)據(jù)字段處理壓縮成 1個字節(jié), 通過另一個 RS232接口發(fā)送給衛(wèi)星數(shù)傳模塊, 每次衛(wèi)星數(shù)據(jù)通訊數(shù)據(jù)量僅為66個字節(jié)。

2.4 海面銥星數(shù)傳發(fā)送模塊

海面銥星數(shù)傳模塊采用銥星9602作為核心模塊而開發(fā)的電路板, 配有與外部設(shè)備相連接的 RS232標準接口, 其默認 9600,8,1,N, 實時接收來自潛標主浮體上 ADCP數(shù)據(jù)采集模塊通過專用鎧裝電纜發(fā)來的壓縮數(shù)據(jù)包, 并將數(shù)據(jù)包發(fā)送到陸地銥星數(shù)據(jù)接收模塊; 同時該模塊配有 GPS定位功能[7], 能夠按照設(shè)定(每隔 6 h)測量海面浮標的位置, 定時發(fā)送到陸地接收模塊。

2.5 陸地銥星數(shù)傳接收模塊

陸地銥星數(shù)傳接收模塊的設(shè)計與海面銥星數(shù)傳模塊相同, 并將兩個模塊進行通信綁定, 實現(xiàn)點對點的實時通信, 通過 RS232標準接口與計算機連接,將壓縮數(shù)據(jù)包傳送給計算機。

2.6 數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊

數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊是一套能夠?qū)崟r監(jiān)控計算機RS232標準接口的數(shù)據(jù)獲取處理軟件[8]。其功能有:(1)實時獲取計算機串口數(shù)據(jù); (2)對獲取的ADCP數(shù)據(jù)包進行解析處理, 計算出海流剖面物理量; (3)對獲取的 GPS數(shù)據(jù)包進行解析處理, 計算出海面浮標的具體位置; (4)將所有的原始數(shù)據(jù)包和計算得出的海流物理量和位置信息存儲到數(shù)據(jù)庫; (5) 長時間無接收數(shù)據(jù)時報警提示; (6)將所有信息實時顯示至計算機界面上, 顯示界面如圖3所示。

圖3 ADCP數(shù)據(jù)實時監(jiān)控界面Fig. 3 ADCP data real-time monitoring display screen

3 系統(tǒng)集成

(1)為實時獲取潛標主浮體上安裝的ADCP數(shù)據(jù),應(yīng)對 ADCP進行設(shè)置, 使其將測量的海流剖面數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)輸出接口發(fā)送給數(shù)據(jù)采集模塊。本設(shè)計中RDI 75k ADCP的主要參數(shù)設(shè)置為: CR1; CF11111;EX11111; EZ1111111; WN32; WP30; PD18, 在此設(shè)置下 ADCP的數(shù)據(jù)輸出格式為: $PRDIK,儀器序號,測量日期, 測量時間,1,流速 1,流向 1,2,流速 2,流向2, …… 32,流速 32,流向 32。

(2)制作數(shù)據(jù)采集模塊耐壓密封艙和衛(wèi)星發(fā)送模塊海面通信浮球, 艙內(nèi)均配有能夠工作一年以上的供電電源。

(3)主浮體與海面浮標的數(shù)據(jù)通信采用兩芯鎧裝電纜直接傳輸, 為減小電纜受海水強流的沖擊、減小對海面浮球的下拉力以及實現(xiàn)長距離通信[9], 鎧裝電纜應(yīng)選擇直徑小、密度輕、強度高、電纜阻抗小的系留鎧裝電纜。

(4)海面銥星數(shù)傳模塊安裝在海面浮球內(nèi), 為確保其衛(wèi)星通訊順暢, 應(yīng)盡可能將銥星天線和 GPS天線安裝在浮球的頂部, 以獲得開闊的通信視角。

(5)陸地接收模塊的接收天線盡可能安裝在建筑物的頂部或開闊的區(qū)域, 保證接收數(shù)據(jù)的暢通, 同時做好避雷防護。

圖4 深海潛標ADCP實時傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Deep-sea submersible ADCP real-time transmission system structure diagram

4 試驗與結(jié)論

由于受客觀條件的限制, 集成后的深海實時數(shù)據(jù)傳輸潛標系統(tǒng)未能在深海大洋進行測試, 僅在青島近海進行了為期15 d的海上測試, 整個系統(tǒng)技術(shù)性能穩(wěn)定可靠, 實現(xiàn)了潛標 ADCP數(shù)據(jù)的實時傳輸功能, 但其長期穩(wěn)定能力、耐強流和大浪沖擊能力還需要在大洋上開展進一步的試驗, 并對試驗過程中出現(xiàn)的各種問題進行不斷改進, 以形成一套能夠適應(yīng)深海大洋惡劣環(huán)境的實時傳輸系統(tǒng)。

本研究主要目的是解決深海大洋潛標系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)傳輸難題, 目前, 該系統(tǒng)完成了潛標主浮體上單臺 ADCP的數(shù)據(jù)傳輸, 待該系統(tǒng)經(jīng)過長時間驗證和完善后, 下一步將逐步完成主浮體上安裝的CTD、ADCP等多臺海洋儀器的數(shù)據(jù)集成與實時傳輸。

[1]張志平, 顧秋青, 李超. Hypack軟件在布放深水潛標中的應(yīng)用[J]. 世界海運, 2011, 34(8): 21-23.

[2]蘭志剛, 楊圣和, 劉立維, 等. 深海剖面測流潛標系統(tǒng)設(shè)計及姿態(tài)分析[J]. 海洋科學, 2008, 32(8):23-26.

[3]楊坤漢. 試論潛標系統(tǒng)在我國海洋事業(yè)中的地位和作用[J]. 海洋技術(shù). 1989, 8(1): 82-93.

[4]蘭志剛, 龔德俊, 劉育豐, 等. 一種簡易的潛標輔助尋標定位系統(tǒng)[J]. 海洋科學, 2006, 30(12): 3-6.

[5]馮錫超,鄭仕俊. 海洋資料浮標的資料有效接收率問題研究[J]. 海洋技術(shù), 1988, 7(4): 68-71.

[6]張志平, 顧秋青. 西太平洋 6000米深海潛標的布放準備與實施[J]. 中國水運, 2011, 11(8): 12-13.

[7]王海員, 于衛(wèi)東, 李奎平, 等. 一種海洋潛標適用的新型GPS信標機[J]. 海岸工程, 2011, 30(3): 70-77.

[8]劉慧, 楊書凱, 劉敏, 等. 基于 GLScene的潛標姿態(tài)回放系統(tǒng)[J]. 海洋技術(shù), 2011, 30(4): 29-31.

[9]王世明, 吳愛平, 李永樂. 基于功率流的海洋潛浮標液壓系統(tǒng)ARMA失效機理研究[J]. 機床與液壓, 2011,39(21): 162-167.

Real-time data transmission of the ADCP installed on subsurface mooring system

ZHAO Zhong-sheng, YUAN Zhi-wei, HUANG Lei, LI Yan-gang, HAN Xue-shuang,YANG Bao-qi, CHEN Hai-tao
(Ocean University of China, Qingdao 266003, China)

Dec.,10,2011

Subsurface mooring system; Buoy; ADCP; The iridium communication; Real-time data transmission; technology integration

Submersible observation is an important means of marine investigation for a long period. The deep sea environment is very complex, so the subsurface mooring system is easy to be lost or its normal work is easy to be terminated, which cause significant loss. This study is based on the satellite data communication module. We have developed the parse data compression software and hardware matching the RDI75K ADCP which is installed on subsurface mooring system, and established a set of remote real-time data transmission system, to perform the real-time monitoring of the ADCP.

P715.2

A

1000-3096(2012)08-0094-04

2011-12-10;

2012-03-12

中國海洋大學自主研究項目(841122003)

趙忠生(1966-), 山東德州人, 高級實驗師, 從事海洋調(diào)查技術(shù)應(yīng)用研究, 電話: 13969693825, E-mail: zzs1966@126.com; 袁志偉,通信作者, 電話: 13969699048, E-mail: dfh2@ouc.edu.cn

張培新)