一種新型海洋信息采集平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

史 博，宋泓儒，陳 琳，馬旭卓，戴憲邦

(1. 哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工程大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；3. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031；4. 上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

隨著人類海洋科學(xué)探索的不斷深入，水聲學(xué)與水下定位技術(shù)在海洋開發(fā)應(yīng)用、海軍裝備建設(shè)等領(lǐng)域發(fā)揮作用[1]，逐漸變?yōu)槿藗兲剿魑磥淼闹攸c(diǎn)，此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被人們廣泛應(yīng)用在海事偵察、航空航天等軍事領(lǐng)域或目標(biāo)識(shí)別[2]、定位導(dǎo)航等民用領(lǐng)域[3]。因此水下目標(biāo)感知與海洋信息獲取技術(shù)變得尤為重要，本文主要圍繞某型水下航行平臺(tái)實(shí)時(shí)性、高精度、便攜式定位需求，設(shè)計(jì)一種新型海洋信息采集平臺(tái)，基于FPGA邏輯單元的控制處理，搭配高精度GPS定位技術(shù)、對時(shí)技術(shù)，高速率無線傳輸技術(shù)，將所設(shè)計(jì)的平臺(tái)安放長基線浮標(biāo)單元，進(jìn)行系統(tǒng)化、集成化的數(shù)據(jù)傳輸，為后續(xù)浮標(biāo)基線大范圍定位起到促進(jìn)作用。

1 新型海洋信息采集平臺(tái)概述

1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

新型海洋信息采集平臺(tái)組成架構(gòu)如圖1所示。主要由電子艙、電源模塊、蓄電池、GPS接收機(jī)、無線數(shù)字傳輸電臺(tái)等幾部分組成。利用FPGA總控處理板進(jìn)行平臺(tái)主控單元的數(shù)據(jù)解析與接口配置，單節(jié)點(diǎn)可通過GPS模塊實(shí)時(shí)獲取自身位置信息，水下航行平臺(tái)在開始工作時(shí)將其內(nèi)部的時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)與GPS模塊進(jìn)行對時(shí)，保證系統(tǒng)處于同步工作的狀態(tài)；無線數(shù)字通信電臺(tái)用于各節(jié)點(diǎn)與總控單元的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖Fig. 1 Overall system architecture

在進(jìn)行海洋定位通信平臺(tái)的設(shè)計(jì)過程中，各個(gè)分系統(tǒng)之間的通信方式與鏈路結(jié)構(gòu)具有差異性。比如在浮標(biāo)濕端與水下航行平臺(tái)之間采用水聲通信，船載數(shù)據(jù)接收端與船載顯控平臺(tái)端采用有線網(wǎng)絡(luò)通信，水面浮標(biāo)干端與船載測控平臺(tái)、陸地岸站之間采用無線電通信。與此同時(shí)，各個(gè)分系統(tǒng)之間都有其對應(yīng)的鏈路組成與結(jié)構(gòu)劃分，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水下航行平臺(tái)的定位校準(zhǔn)功能。圖2為海洋定位通信平臺(tái)的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖2 定位通信系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Topological structure of positioning communication system

1.2 無線電臺(tái)基本原理與選型

在遼闊的海面上，要實(shí)現(xiàn)水下聲信息與GPS定位信息的實(shí)時(shí)上傳，無線數(shù)字電臺(tái)的超長距離傳輸功能可以實(shí)現(xiàn)上述方案。如表1所示，無線電臺(tái)近幾年隨著發(fā)展逐步由模擬電臺(tái)向數(shù)字電臺(tái)方向靠攏[4]，數(shù)字傳輸電臺(tái)在一定程度上很好的彌補(bǔ)了速率差、精度低等缺點(diǎn)。按照項(xiàng)目需求與實(shí)際調(diào)研情況對比，選擇4種國內(nèi)外相關(guān)數(shù)字傳輸電臺(tái)[5]。

通過表1和實(shí)際調(diào)研情況，選擇Microhard無線數(shù)傳電臺(tái)模塊作為數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其主要性能有以下特點(diǎn)：

最高速率高達(dá)345 kbps；四級(jí)電路濾波提供極佳的噪聲和干擾抑制；一對一、一對多網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)；極小的封裝 26.5*33*3.5 mm；與Microhard n920 F兼容；可以實(shí)現(xiàn)6 km以上數(shù)據(jù)傳輸，功耗低。

表1 國內(nèi)外無線電臺(tái)對比[6]Tab. 1 Comparison of radio stations at home and abroad

1.3 GPS模塊基本原理與選型

GPS定位原理是測量待測物體與定位衛(wèi)星之間的實(shí)際距離，根據(jù)其他衛(wèi)星進(jìn)行綜合判斷，最后確定準(zhǔn)確坐標(biāo)位置[7]。一般情況下，人們使用天線來接收，對接收到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化翻譯，最后運(yùn)用定位算法將其得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，解算對應(yīng)經(jīng)緯度信息。

如表2所示，在GPS接收機(jī)的選型方面，本文也進(jìn)行了大量的調(diào)研對比。國內(nèi)外定位接收機(jī)在市場上種類繁多[8]。其中，UB4B0M雖然通道數(shù)相對較多，定位速度較快，但是其功耗在靜態(tài)已經(jīng)高達(dá)2.8 W，不適用于浮標(biāo)等獨(dú)立單元的工作；SUM六頻與北斗星通定位模塊精度達(dá)不到亞米級(jí)的要求；superstar、OEMstar等定位芯片用戶測試與第三方評估效果還在考察中，K700定位模塊的接收衛(wèi)星類型種類相對較少，導(dǎo)致定位精度有一小部分偏差，最終選擇Trimble（天寶）910定位芯片[9]。

表2 國內(nèi)外定位模塊功能表Tab. 2 Function table of positioning module at home and abroad

Trimble（天寶）910定位芯片采用美國Trimble（天寶）公司的一款性價(jià)比非常高的具有定位功能的板卡。此種類的接收機(jī)提供多衛(wèi)星系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)定位功能，并且在任何環(huán)境下都可以提供超高的定位精度，是一款性能較高、效果較好、能夠?qū)崿F(xiàn)單點(diǎn)定位精度達(dá)到1 m以下，符合項(xiàng)目指標(biāo)的BDS/GPS/GLONASS三種衛(wèi)星定位接收機(jī)[10]。

2 新型海洋信息采集平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

海洋定位通信平臺(tái)在進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)匯聚工作的過程中，系統(tǒng)能夠有效的供電是聲吶數(shù)據(jù)上傳的重要保證。在整個(gè)模塊電路中，邏輯主控單元FPGA核心板的工作電壓為5 V，GPS模塊電壓為3.3 V，無線數(shù)字傳輸電臺(tái)電壓為12 V，所以該平臺(tái)需要3.3 V，5 V，12 V三種，在確定各模塊電壓后，對每個(gè)器件的功耗進(jìn)行簡單估計(jì)，表3為功耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表3 系統(tǒng)模塊功耗統(tǒng)計(jì)表Tab. 3 Power consumption statistics of system modules

根據(jù)表內(nèi)的信息以及相關(guān)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)系統(tǒng)輸入12 V直流電壓時(shí)，電臺(tái)模塊可以正常工作，但是定位模塊與FPGA核心板需要進(jìn)行降壓才能供電。根據(jù)大量的選型和論證，為了提高電壓轉(zhuǎn)換效率，選擇MP1584電壓轉(zhuǎn)化模塊，其具有低功耗、高轉(zhuǎn)化率等優(yōu)點(diǎn)。

MP1584是一款高頻開關(guān)降壓穩(wěn)壓模塊，其內(nèi)部集成了高壓MOSFET系統(tǒng)使電路更加完善。其可以承受外部輸入4.5～28 V寬度的直流電壓，100 μA的靜態(tài)工作電流[11]，可以允許多種電池供電。為了減少開關(guān)驅(qū)動(dòng)對電路造成的損耗，此芯片設(shè)計(jì)了內(nèi)部高功率相互轉(zhuǎn)化模式，有助于防止電流失控，提高轉(zhuǎn)換效率與容錯(cuò)率。

2.2 無線數(shù)據(jù)上傳格式設(shè)計(jì)

聲吶數(shù)據(jù)通信協(xié)議主要包括下行數(shù)據(jù)協(xié)議和上行數(shù)據(jù)協(xié)議兩大類，下行數(shù)據(jù)主要指測控平臺(tái)下發(fā)控制指令；上行數(shù)據(jù)主要指自檢響應(yīng)指令、浮標(biāo)上傳數(shù)據(jù)及定位測距聲吶船載測控平臺(tái)上傳至水上主控單元數(shù)據(jù)。浮標(biāo)單元工作開始之后，當(dāng)系統(tǒng)檢測到浮標(biāo)電子倉內(nèi)接收機(jī)已經(jīng)接收到聲吶時(shí)延信號(hào)時(shí)，聲吶時(shí)延數(shù)據(jù)通過無線電臺(tái)上傳母船。

2.3 系統(tǒng)邏輯控制程序設(shè)計(jì)

圖3為新型海洋信息采集平臺(tái)的時(shí)續(xù)邏輯流程圖。本系統(tǒng)的工作以GPS輸出的1PPS脈沖信號(hào)為基準(zhǔn)，開機(jī)后檢測開始工作指令，當(dāng)開始工作指令達(dá)到后，每次GPS數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，都詢問聲吶數(shù)據(jù)是否到達(dá)，當(dāng)聲吶數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，將聲吶數(shù)據(jù)通過無線電臺(tái)發(fā)送給船載測控平臺(tái)。當(dāng)聲吶數(shù)據(jù)沒有到達(dá)時(shí)，繼續(xù)將GPS位置信息通過無線電通信系統(tǒng)發(fā)送給母船。通常收到同步脈沖信號(hào)（1 pps信號(hào)）頻率要小于收到GPS實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)的頻率，即收到一個(gè)PPS信號(hào)，收到幾個(gè)GPS數(shù)據(jù)。

圖3 FPGA邏輯框圖Fig. 3 FPGA logic block diagram

如圖4所示，灰色模塊代表GPS的定位數(shù)據(jù)，白色模塊表示水下聲吶的時(shí)延數(shù)據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)開始正常工作時(shí)，F(xiàn)PGA檢測到GPS數(shù)據(jù)到達(dá)而聲吶時(shí)延數(shù)據(jù)未到時(shí)，將GPS數(shù)據(jù)通過無線電臺(tái)上傳給船載測控平臺(tái)，當(dāng)FPGA檢測到聲吶時(shí)延數(shù)據(jù)已經(jīng)到達(dá)后，將聲吶數(shù)據(jù)上傳，由于FPGA自帶并行邏輯處理功能，因此可以在每次GPS數(shù)據(jù)到達(dá)之后詢問聲吶時(shí)延數(shù)據(jù)，這樣既保證數(shù)據(jù)運(yùn)算處理迅速，又可以使系統(tǒng)定位精度提高。

圖4 FPGA時(shí)序邏輯圖Fig. 4 FPGA timing logic diagram

3 海洋定位通信平臺(tái)測試與驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)室測試驗(yàn)證

在檢查電臺(tái)模塊所有部位都已正常連接完畢后，進(jìn)行上電測試，首先選擇第1個(gè)場景：2個(gè)電臺(tái)之間的通信距離為80.18 m，兩電臺(tái)之間均正常工作，測試時(shí)長為30 min，通信數(shù)據(jù)誤碼率為0%。

選擇第2個(gè)測試地點(diǎn)，2個(gè)電臺(tái)之間的通信距離為371.90 m。兩電臺(tái)之間均正常工作，測試時(shí)長20 min，通信數(shù)據(jù)誤碼率為0%。

上述2個(gè)測試為檢測無線電臺(tái)模塊內(nèi)部電路是否有故障發(fā)生，當(dāng)有故障存在時(shí)，電臺(tái)會(huì)處在不工作狀態(tài)，當(dāng)2個(gè)電臺(tái)均正常工作時(shí)，說明無線電模塊性能完好，并且已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)聲吶數(shù)據(jù)上傳時(shí)，系統(tǒng)可以完成檢測功能，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳，具備在外場進(jìn)行拉距測試實(shí)驗(yàn)。

3.2 外場拉距測試驗(yàn)證

在完成實(shí)驗(yàn)室聯(lián)調(diào)與測試之后，根據(jù)定位測距聲吶項(xiàng)目需求，保證聲吶時(shí)延數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)能夠通過無線電通信系統(tǒng)上傳給6 km外的船載測控平臺(tái)，為此展開無線電臺(tái)外場拉距測試實(shí)驗(yàn)[12]，確定目前已有的2個(gè)無線電臺(tái)最大通信距離與傳輸誤碼率。

表4為誤碼率與試驗(yàn)拉距距離數(shù)據(jù)記錄表。

表4 系統(tǒng)定位誤碼率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab. 4 Statistical table of system positioning error rate data

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析結(jié)果可以得出，隨著拉距距離的不斷增大，周圍環(huán)境樓宇、樹木等對于無線電信號(hào)的干擾也隨之加大，如果在湖面或海面實(shí)驗(yàn)，傳輸效果將會(huì)有明顯提高。當(dāng)系統(tǒng)在7.895 km以內(nèi)時(shí)，誤碼率很小，數(shù)據(jù)傳輸效果良好，滿足項(xiàng)目指標(biāo)6 km傳輸距離的要求。

由此可見，浮標(biāo)定位通信系統(tǒng)的傳輸距離可達(dá)6 km以上，滿足系統(tǒng)通信距離需求。在實(shí)際應(yīng)用中，如果基線長度增大，系統(tǒng)傳輸距離不滿足要求時(shí)，可以利用增加通信浮標(biāo)作為中繼端。通過此方法保證浮標(biāo)陣元、船載測控平臺(tái)與水下協(xié)作目標(biāo)之間穩(wěn)定、有效的工作，實(shí)現(xiàn)基線長度的可延展性。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)項(xiàng)目需求論證水下高精度定位系統(tǒng)的具體組成方案，完成GPS接收機(jī)與無線傳輸電臺(tái)的選型；在完成硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上編寫了海洋定位通信平臺(tái)聲吶數(shù)據(jù)與定位數(shù)據(jù)的時(shí)序邏輯，并通過FPGA平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳；初步測試了無線電通信模塊的最大傳輸距離。經(jīng)過多次驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)傳輸距離在7 km以內(nèi)，誤碼率為1.5%，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求且滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。