北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在海洋浮標中的應用

洪常委

(第七一五研究所，杭州，310023)

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自行研制、自行建設、自行管理，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的區(qū)域性衛(wèi)星導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由空間衛(wèi)星、地面中心站和用戶終端三部分組成，具有雙向通信、快速定位（北斗二代）和精密授時三大功能。該系統(tǒng)于2000年底完成衛(wèi)星發(fā)射和地面系統(tǒng)建設，2003年4月對民用市場開放，現(xiàn)在已經(jīng)在國民經(jīng)濟各個領域得到了快速的應用。

海洋浮標監(jiān)測過程中很多項目需要遠海、長時間數(shù)據(jù)監(jiān)測，需要耗費大量的人力、物力。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)所具備的數(shù)據(jù)通信功能可以很好的解決海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)通信的問題，通過地面站不僅可以輕松獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)，而且可以利用雙向通信功能對遠在萬里之外的設備進行遙控。北斗衛(wèi)星通信在海洋監(jiān)測中具有良好的應用前景。

1 北斗衛(wèi)星通信特點

根據(jù)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設總體規(guī)劃，2012年左右，系統(tǒng)將首先具備覆蓋亞太地區(qū)的定位、導航和授時以及短報文通信服務能力；2020年左右，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)[1]?，F(xiàn)階段大量使用的為北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)即北斗一代，具有以下特點：

a）使用安全：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，使用不受國外技術所影響。

b）適用于保密產(chǎn)品：系統(tǒng)通訊、控制均在國內(nèi)通過地面站完成，完全滿足軍用數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信保密要求。

c）數(shù)據(jù)通信實時性強：數(shù)據(jù)傳輸快捷，一次發(fā)送時間大約為1 s，接收終端在幾秒鐘之內(nèi)就可以接收到發(fā)送端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，實時性較強。如果采用國際海事衛(wèi)星進行數(shù)據(jù)傳輸，從發(fā)送到接收一般需要幾分鐘甚至更長時間，ARGOS衛(wèi)星需要在一定的時次才能經(jīng)過，通信的實時性就更難保證。

d）與國際海事衛(wèi)星相比具有體積小、設備價格低、使用成本低等特點。

e）可以與GPS等其他常用導航系統(tǒng)配合使用。

目前使用的北斗一代具有以下技術參數(shù)：a）覆蓋區(qū)域，東經(jīng)70o～140o、北緯 5o～55o；b）通訊類型，報文通信；c）通信頻度取決于SIM卡類型，目前民用卡的通信頻度為60 s；d）報文長度，目前民用為100 byte。

2 海洋浮標簡介

隨著海洋監(jiān)測技術的發(fā)展，各種適用的測試設備應運而生。海洋浮標技術含量高且經(jīng)濟適用，是海洋環(huán)境監(jiān)測的重要技術裝備。如海面浮標能夠長期、隱蔽地在水中工作，搜集各種海況下的環(huán)境噪聲信息，可以完成遠距離海洋環(huán)境監(jiān)測、水文勘察等，是調(diào)查船在空間和時間上的延伸擴展；固定式監(jiān)測浮標因其體積較大，可以搭載大量傳感器，適合布防在近海、港口，能夠?qū)Ｋ疁囟?、鹽度、酸堿度、溶解氧、風力等各類參數(shù)進行監(jiān)測，是海洋環(huán)境離岸監(jiān)測的重要手段；走行式潛標可以根據(jù)需要完成地貌探測、水文測量等功能。

以上各類浮標對遠距離無線通信均有迫切的需求，海面浮標、固定式監(jiān)測浮標需要通過無線通信完成試驗數(shù)據(jù)傳輸；走行式潛標需要通過無線通信掌握本體狀態(tài)，并根據(jù)需要進行控制。本文以某型浮標為例，探索北斗衛(wèi)星通信在海洋浮標中的應用。

3 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的應用

隨著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)產(chǎn)品的逐步發(fā)展，電路體積變小，利用低壓電池供電，可用于小體積的浮標之中。衛(wèi)星終端電路中需裝配有北斗衛(wèi)星專用SIM卡。SIM卡分民用、軍用兩類。根據(jù)不同需要可以定制不同類型的適用天線。圖1為北斗衛(wèi)星終端安裝于浮標的實物圖，其中金屬圓蓋內(nèi)為北斗衛(wèi)星終端電路，白色圓柱體為水密衛(wèi)星天線。衛(wèi)星天線直徑80 mm，高度220 mm。衛(wèi)星終端電路及天線的待機功耗2.5 W，發(fā)射功率45 W。

圖1 北斗衛(wèi)星通信天線及浮標實物

將北斗衛(wèi)星定位、通信功能應用到浮標中，能夠有效的實現(xiàn)浮標定位、探測數(shù)據(jù)實時傳送的功能，圖2為系統(tǒng)工作示意圖。

圖2 系統(tǒng)工作示意圖

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的應用需要浮標系統(tǒng)控制單元根據(jù)北斗衛(wèi)星接口協(xié)議進行控制。主要控制過程簡述如下。

（1）功率檢測

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的通信功能由北斗一代的三顆衛(wèi)星實現(xiàn)，北斗衛(wèi)星提供6個通信波束，在進行衛(wèi)星通信之前需要進行波束功率查詢，一般要求2個以上的波束具備功率2以上（波束功率為1～4四個功率檔）視為衛(wèi)星終端功率狀況良好，具備衛(wèi)星通信條件。

（2）定位申請

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在有標校站時定位誤差不大于20 m，在遠離海岸100 km外時，定位誤差不大于100 m，浮標在工作中隨海浪漂流，每次進行衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信前需進行浮標定位，獲取浮標的地理位置信息。定位申請需按照北斗衛(wèi)星接口協(xié)議進行。

（3）授時申請

為獲取浮標工作時刻信息，在進行浮標定位申請時還需要進行授時申請。

（4）通信申請

在完成浮標定位及浮標測量數(shù)據(jù)的壓縮處理后，將測量數(shù)據(jù)與定位信息、浮標狀態(tài)信息按照北斗衛(wèi)星接口協(xié)議編寫通信申請指令。目前常用的民用SIM的報文通信長度為100 byte，但為了可靠的發(fā)送報文信息，建議適當縮短報文長度。民用SIM卡的報文發(fā)送頻度為1 min，即1 min內(nèi)僅可以進行一次通信申請，如超頻使用將會收到報警信息。

（5）反饋信息

在浮標發(fā)送通信申請后，衛(wèi)星系統(tǒng)將會提供一條反饋信息，在反饋信息內(nèi)告知發(fā)送是否成功，如發(fā)送不成功或未收到反饋信息，需要進行再次發(fā)送。如發(fā)送成功則需待機一段時間，等待地面站是否有控制命令下達。

（6）接收控制

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)具備雙向通信功能，不僅可以由浮標發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸通信，也可以由地面站發(fā)起控制命令傳輸通信。地面站發(fā)送控制命令必須在浮標北斗衛(wèi)星終端開機狀態(tài)才有效，一般考慮在接收到浮標發(fā)送的數(shù)據(jù)信息后即刻進行控制命令發(fā)送。

（7）命令回送

為保證控制命令的可靠下發(fā)，一般要求浮標在接收到控制命令后，需要將控制命令原文回送至地面站，告知控制命令已成功下發(fā)。浮標與衛(wèi)星導航系統(tǒng)通信命令協(xié)議如表1。

表1 浮標與衛(wèi)星導航系統(tǒng)通信命令協(xié)議

其中接收控制、命令回送與通信申請的協(xié)議格式相同，僅報文內(nèi)容不同，具體報文內(nèi)容根據(jù)海洋浮標的控制需要進行調(diào)整。

裝配完成后的浮標進行了湖試，對北斗衛(wèi)星定位、通信功能進行了研究。主要試驗狀態(tài)有：（a）浮標保持不動，如圖3，最理想狀態(tài)；（b）在一定區(qū)域內(nèi)搖擺，如圖 4，模擬低海況；c）朝不同方向，保持與水面約15°傾斜，如圖5，模擬較高海況，天線底部接觸水面；（d）傾斜情況下對準浮標水上部分不停潑水，模擬高海況或降雨、（e）浮標天線部分露出水面，模擬被其他物體勾住，導致一定程度下沉。

圖3 理想狀態(tài)

圖4 模擬低海況

圖5 模擬較高海況

在上述5種情況下，北斗衛(wèi)星定位、通信工作正常，順利實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送，接收機順利完成數(shù)據(jù)接收，并根據(jù)通信協(xié)議完成解碼和后續(xù)處理。

湖試完成后的浮標隨海洋科考船前往外海進行投放，浮標持續(xù)工作24天，發(fā)送數(shù)據(jù)480批次，浮標定位及數(shù)據(jù)發(fā)送成功率為 83%。試驗浮標具備了遠海數(shù)據(jù)衛(wèi)星連續(xù)定位、通信功能。隨著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的進一步建設，工作區(qū)域會進一步擴大。如圖6中的粗線為浮標試驗中漂流的軌跡。

圖6 浮標漂流軌跡圖

4 應用前景分析

隨著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設步伐的加快，北斗系統(tǒng)在各種民用、軍用產(chǎn)品中已逐步擴展，目前南海、東海大部分遠洋漁船已裝配北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以與GSM、Internet網(wǎng)絡直接連接[2]，通過北斗終端可以與手機、家用互聯(lián)網(wǎng)通信。汶川地震中陸軍裝備的北斗手持機發(fā)揮了重要作用。在海洋監(jiān)測及海軍裝備方面，北斗系統(tǒng)的應用也在逐步展開[3]。

雖然目前北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)還存在不能全球定位、全球通信的能力，但其雙向通信功能、自主安全、低成本的特點，使得北斗系統(tǒng)在需要遠距離、全天候數(shù)據(jù)傳輸?shù)漠a(chǎn)品中具有越來越廣闊的市場。有效利用我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)對于提高海洋監(jiān)測類產(chǎn)品的競爭力具有重要作用。

5 結(jié)束語

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)民用市場的開放，已經(jīng)吸引了很多人的視線，本文結(jié)合海洋浮標與北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的特點，將北斗衛(wèi)星定位、通信功能應用于海洋浮標中，并通過湖試、海試驗證了這種應用方式的可行性。對北斗衛(wèi)星在海洋監(jiān)測類產(chǎn)品中的應用提出了建議。

[1]趙學軍, 李川章, 龔濤. 北斗導航系統(tǒng)運用現(xiàn)狀及發(fā)展前景研究[J]. 導航, 2009, (4):12-14.

[2] 張少鋒. 基于衛(wèi)星的Internet接入技術的研究[J]. 中國數(shù)據(jù)通信, 2004, (2):6-9.

[3]譚述森, 竇長江. 論基于北斗的衛(wèi)星導航應用服務[J].中國航天, 2008, (7):11-13.