水下升降式準實時通信潛標控制系統(tǒng)研制

胡賀崗 , 陳永華 , 于 非 , , 劉慶奎 王 蓓

(1. 中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院大學, 北京 100049; 3. 中國科學院海洋環(huán)流與波動重點實驗室, 山東 青島 266071; 4. 中國科學院海洋大科學研究中心, 山東 青島 266071; 5. 青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室 海洋動力過程與氣候功能實驗室, 山東 青島 266237)

潛標是海洋環(huán)境監(jiān)測中最可靠、最準確的手段之一, 在應(yīng)用海域范圍、觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量以及海上軍事監(jiān)測和預警上具有顯著優(yōu)勢, 可為深海動力環(huán)境預報與海洋軍事環(huán)境保障提供資料支撐[1]。隨著我國國家級海洋戰(zhàn)略的實施以及一帶一路戰(zhàn)略的推進, 海洋環(huán)境監(jiān)測成為海洋研究與開發(fā)的重要內(nèi)容和重要保障措施之一[2], 在海洋科學研究、經(jīng)濟建設(shè)及國防安全等領(lǐng)域?qū)崟r海洋環(huán)境感知能力提出了迫切需求[3]。

目前海洋資料的獲取有衛(wèi)星、浮標、潛標和科考船只、水下滑翔機等觀測方式[4-6], 而實現(xiàn)次表層海洋的長期、連續(xù)、定點、低成本的觀測難度都非常大, 其主要原因是缺乏兼顧實用性、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性和防生物附著的觀測手段和設(shè)備[7]。目前對次表層海洋剖面要素觀測方式中, 鏈式剖面觀測的成本高昂, 無法進行大規(guī)模普及, 水下滑翔機定點觀測續(xù)航性不足, 仍舊無法取代傳統(tǒng)潛標, 基于剖面升降的觀測設(shè)備尚未見到成熟的產(chǎn)品化應(yīng)用[3,8-13]。綜合考慮多種垂直剖面要素觀測方式的優(yōu)劣以及國家對海洋環(huán)境監(jiān)測任務(wù)的需求, 本文采取了基于潛標的剖面觀測方式, 研制了一套水下升降式準實時通信潛標,并提出了一種可以進行上層海洋垂直剖面要素連續(xù)觀測和數(shù)據(jù)的準實時傳輸?shù)目刂葡到y(tǒng)設(shè)計方案。

如圖1所示, 該型潛標主要包括垂直升降裝置和水下驅(qū)動裝置兩大部分。水下驅(qū)動裝置懸浮于水面下一定深度或者坐底于海底, 水下驅(qū)動裝置釋放通信纜,垂直升降裝置在浮力的作用下緩慢上浮, 在上浮期間利用搭載的傳感器連續(xù)進行剖面數(shù)據(jù)的采集與存儲,到達海面后通過通信裝置將獲取的數(shù)據(jù)以無線通信的方式發(fā)送到岸基服務(wù)器, 實現(xiàn)垂直剖面要素的連續(xù)觀測與數(shù)據(jù)的準實時傳輸, 通過建立潛標與服務(wù)器之間的雙向通信協(xié)議, 實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的補發(fā)和對潛標的遠程控制。數(shù)據(jù)傳輸完畢后, 垂直升降裝置下潛到水面下進行休眠以降低功耗。該方案具有一定的隱蔽性,能夠降低潛標受到人為和自然破壞的可能性, 同時由于水面下光強較弱, 且剖面?zhèn)鞲衅鞑捎昧藝液Ｑ蠹夹g(shù)中心抗污染CTD[14], 能夠大幅減小生物附著問題對儀器設(shè)備造成的負面影響, 從而實現(xiàn)長期、連續(xù)、定點、低成本的上層海洋剖面觀測。

圖1 水下升降式準實時通信潛標組成部分示意圖Fig. 1 Diagram of quasi-real-time communicating underwater winch buoy’s components

1 硬件設(shè)計

潛標控制系統(tǒng)硬件設(shè)計采用了自上而下的模塊化設(shè)計思路, 將潛標各個控制部分歸類為特定的功能模塊, 簡化了各個模塊之間的連接和通信方式,使得系統(tǒng)升級換代或模塊更換以后仍具有較好的兼容性和擴展性。

1.1 垂直升降裝置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

垂直升降裝置分為兩個部分, 分別是通信裝置和剖面數(shù)據(jù)采集裝置。通信裝置硬件設(shè)計上主要由GPS模塊和無線通信模塊和轉(zhuǎn)換電路組成。GPS模塊的作用一方面是進行定位, 另一方面是給控制系統(tǒng)進行校時; 無線通信模塊可以根據(jù)需求進行更換, 在近海區(qū)域可以采用CDMA模塊或4G通信模塊進行數(shù)據(jù)傳輸,成本非常低, 在遠海則可以使用銥星通信模塊, 但是通信費用較高; 轉(zhuǎn)換電路將CDMA模塊、4G模塊以及銥星通信模塊都轉(zhuǎn)換成了具有統(tǒng)一通信標準和輸入電壓的接口, 方便通信裝置的維修與更換。

剖面數(shù)據(jù)采集裝置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖2所示, 主要由電池組、DC-DC電源模塊、溫度深度(temperature depth, TD)傳感器、485通信模塊、MCU、SD卡、電源管理部分和外部傳感器等組成。電池組選用的34615型一次性鋰電池能量密度是常規(guī)可充電鋰電池的3～5倍, 容量達到42 Ah, 能夠滿足潛標對電池容量的需求; DC-DC降壓模塊采用了工業(yè)級MP1584降壓芯片, 輸入電壓達到28 V, 輸出電壓為5 V, 最大輸出電流為3 A, 靜態(tài)電流約100 μA, 滿足控制系統(tǒng)功耗需求; TD傳感器采用國家海洋技術(shù)中心SZC17-TD型號傳感器[15], 功耗低、體積小、可直接通過串口獲取溫度和壓力數(shù)據(jù), 其技術(shù)指標見表1; MCU1與MCU2均采用了意法半導體公司生產(chǎn)的STM32F103RET6單片機, 包含5個串口通信接口,支持SPI、I2C、USB等通信方式, 具有64 KB RAM和512 KB FLASH, 主頻最高可達72 MHz, 能夠滿足潛標計算任務(wù)需求; SD卡使用了閃迪Micro SD卡,容量為4 GB; 電源管理部分則是以P溝道金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET)作為固態(tài)開關(guān)對TD傳感器、485模塊、SD卡、外部傳感器等進行通斷電的管理控制的總稱。

表1 SZC17-TD傳感器技術(shù)指標Tab. 1 Technical parameters of SZC17-TD sensor

圖2 剖面數(shù)據(jù)采集裝置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計示意圖Fig. 2 Schematic of the hardware design of a profile data acquisition device control system

剖面數(shù)據(jù)采集裝置電路上設(shè)計有2片MCU、2片SD卡和2處電源管理部分。其中MCU1作為主控制單元, 直接控制SD1、電源管理1和MCU2, MCU2作為副控制單元, 只控制SD2、電源管理2和所搭載的傳感器。工作時, MCU2將所有傳感器讀取到的數(shù)據(jù)存儲到SD2當中作為原始數(shù)據(jù)的備份, 之后將這些數(shù)據(jù)通過串口通信的方式發(fā)送到MCU1, MCU1將數(shù)據(jù)存儲到SD1中。如果剖面數(shù)據(jù)采集裝置只搭載一臺傳感器, 那么可以將其連接到傳感器1的接口,直接通過跳線連接到MCU1, 就可以忽略掉MCU2、SD2和電源管理2的電路部分, 極大簡化了剖面數(shù)據(jù)采集裝置的硬件連接。

1.2 水下驅(qū)動裝置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

水下驅(qū)動裝置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖3所示, 主要分為水下絞車控制系統(tǒng)與BLDCM控制系統(tǒng)兩部分,主要由電池組、DC-DC電源模塊、TD傳感器、485通信模塊、MCU、SD卡、電源管理部分、ADCP接口、電流電壓監(jiān)測器、全橋逆變電路、BLDCM等組成。電池組采用了34615型鋰電池, 以7串54并方式進行連接, 電壓25.2 V, 電量為756 Ah; DC-DC模塊采用MP4462降壓芯片, 輸入電壓最高為36 V, 輸出5 V,最大輸出電流為3.5 A, 靜態(tài)電流120 μA; ADCP接口可搭載中國科學院聲學研究所研制的ADCP[16-18], 可通過串口將ADCP喚醒, 讀取最新測得的海流數(shù)據(jù);電流監(jiān)測芯片采用了ACS712-20芯片, 量程為±20 A,它通過霍爾效應(yīng)將電流信號直接轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號對外輸出, 精確度達到1.5%; 電壓監(jiān)測直接使用分壓電阻接入MCU內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter, ADC)進行轉(zhuǎn)換; 全橋逆變電路采用3片IR2101半橋芯片和6片N溝道IRF1405型MOSFET,MOSFET最大導通電流169 A, 遠遠超出電機額定電流, 能夠有效解決功率芯片在密閉空間散熱不足的問題; BLDCM額定電壓24 V, 額定功率200 W, 滿足潛標剖面運動的功率需求。其余部分與剖面數(shù)據(jù)采集裝置硬件設(shè)計基本一致, 這里不再贅述。

圖3 水下驅(qū)動裝置控制系統(tǒng)(左: 水下絞車控制系統(tǒng); 右: BLDCM控制系統(tǒng))硬件設(shè)計示意圖Fig. 3 Schematic of the hardware design of an underwater driving device control system (left: underwater winch control system;right: BLDCM control system)

2 工作流程

一套可靠完善控制系統(tǒng)是確保潛標進行正常工作的保障, 在實際應(yīng)用中總會出現(xiàn)各式各樣的意料之外的情況, 比如傳感器損壞、通信故障、電機堵轉(zhuǎn)等等問題, 因此軟件設(shè)計上需要充分考慮潛標各個部分所有可能發(fā)生故障情況并建立一定的應(yīng)對措施。

2.1 剖面數(shù)據(jù)采集裝置控制系統(tǒng)工作流程

考慮到潛標在海面受到風、浪、船只以及人為破壞的可能性比較大, 且在水面下光強較弱, 能夠在一定程度上減小生物附著問題, 因此設(shè)計方案優(yōu)先考慮將潛標整體均潛伏于海面下一定深度, 只有在通信時才會浮出水面。如圖4所示, 剖面數(shù)據(jù)采集裝置控制系統(tǒng)工作流程主要有啟動模式、上浮/下潛模式、通信模式和低功耗模式。啟動模式下控制系統(tǒng)首先進行初始化, 再進行參數(shù)配置, 從SD卡讀取并設(shè)置潛標的工作周期、剖面運行深度、設(shè)備編號、傳感器類型、服務(wù)器IP地址和端口等參數(shù)。隨后根據(jù)啟動方式的不同從而執(zhí)行不同的任務(wù), 如果是上電重啟, 即人為的啟動潛標, 則先進行潛標各項功能的檢查, 包括存儲器測試、水下驅(qū)動裝置通信測試、水下電機測試, 傳感器測試、GPS測試、遠程通信測試等等工作, 在潛標布放完畢后, 系統(tǒng)進行重啟, 隨后進入上浮模式。

上浮模式與下潛模式流程基本相同, 這里僅對上浮模式展開論述。潛標在上浮模式首先通過通信纜喚醒水下驅(qū)動裝置, 然后開啟攜帶的傳感器記錄數(shù)據(jù), 同時控制水下驅(qū)動裝置釋放通信纜從而緩慢上浮。由于潛標布放后在海上無人值守, 控制系統(tǒng)需要考慮到可能出現(xiàn)的各種故障現(xiàn)象, 如傳感器故障或者水下驅(qū)動裝置故障等等, 當出現(xiàn)故障時控制系統(tǒng)將自動進入下一工作模式, 確保程序不會在一個地方卡死, 必要時將會自動進行系統(tǒng)重啟。

通信模式下, 選用的通信模塊不同, 控制系統(tǒng)的具體控制步驟也有不同, 整體上按照圖4中所示首先開啟通信模塊進行配置, 再進行數(shù)據(jù)的發(fā)送,然后接收由岸基服務(wù)器發(fā)送的指令, 最后再進行GPS定位與校時。受海上應(yīng)用環(huán)境影響, 通信常常出現(xiàn)中斷, 為了提高服務(wù)器數(shù)據(jù)獲取率, 需要建立雙向通信協(xié)議和數(shù)據(jù)補發(fā)機制, 并開發(fā)相應(yīng)的服務(wù)器接收軟件。

當剖面數(shù)據(jù)采集裝置下潛到預定的深度后, 將設(shè)定鬧鐘進入低功耗模式, 在低功耗模式下, 系統(tǒng)將關(guān)斷圖2中除DC-DC模塊和MCU1模塊外的所有外圍設(shè)備的電源, MCU1將系統(tǒng)各項參數(shù)保存到SD卡以后也進入待機模式, 此時剖面控制系統(tǒng)待機電流為0.76 mA, 年待機消耗電量約為6.66 Ah?？紤]到海流增長與消退引起潛標姿態(tài)和浮體深度變化等問題, 控制系統(tǒng)會在低功耗模式下多次喚醒, 檢查是否出現(xiàn)了上浮跡象, 如果沒有異常便會再次進入低功耗模式, 否則便先下潛到預定的深度再進入低功耗模式。

2.2 水下驅(qū)動裝置控制系統(tǒng)工作流程

2.2.1 水下絞車控制系統(tǒng)工作流程

水下絞車控制系統(tǒng)系統(tǒng)工作流程如圖5所示, 系統(tǒng)上電后首先進入一分鐘倒計時的睡眠模式, 該模式下既可以降低功耗, 又可以完整接收串口指令。如果在倒計時一分鐘內(nèi)未收到任何指令, 控制系統(tǒng)將關(guān)閉圖3中除DC-DC模塊和MCU1模塊外的所有外圍設(shè)備的電源進入待機模式, 此時待機電流約0.86 mA,年待機消耗電量約7.53 Ah。當潛標開始工作時, 剖面數(shù)據(jù)采集裝置通過通信纜將水下驅(qū)動裝置進行外部喚醒, 水下絞車控制系統(tǒng)開始啟動, 當接收到開始工作的控制指令時便開啟BLDCM控制系統(tǒng)。

圖5 水下絞車控制系統(tǒng)工作流程Fig. 5 Program flowchart of an underwater winch control system

啟動BLDCM控制系統(tǒng)之后, 水下絞車控制系統(tǒng)主要有兩項任務(wù), 一項任務(wù)是接收剖面數(shù)據(jù)采集裝置發(fā)出的控制指令、調(diào)整工作時間、發(fā)送電機控制指令、解析BLDCM控制系統(tǒng)狀態(tài)然后對主機進行反饋, 另一項任務(wù)是監(jiān)測電壓、電流、工作時間和工作狀態(tài)。這兩項任務(wù)以中斷函數(shù)的方式并行執(zhí)行,其中任何一個任務(wù)當中出現(xiàn)異常狀況時都可直接使水下絞車控制系統(tǒng)及時切斷BLDCM控制系統(tǒng)電源,實現(xiàn)軟件上的對水下驅(qū)動裝置的保護。控制系統(tǒng)工作完畢后再次進入到睡眠模式并進行倒計時, 最終在計時完畢后進入待機模式。

2.2.2 BLDCM控制系統(tǒng)工作流程

BLDCM控制系統(tǒng)工作流程如圖6所示, 系統(tǒng)上電以后, 如果串口接收到開始工作的指令就初始化控制參數(shù)然后開始工作, 否則進入睡眠模式進行等待。BLDCM控制系統(tǒng)開始工作以后主要有5個任務(wù), 分別是主控制任務(wù)、定時器任務(wù)、脈寬調(diào)制(pulse width modulation, PWM)任務(wù)、串口任務(wù)和ADC任務(wù)。主控制任務(wù)負責監(jiān)測/計算電壓、電流、電機狀態(tài)、電機最小轉(zhuǎn)速、控制系統(tǒng)工作狀態(tài)等; 定時器任務(wù)負責對電機工作時間進行倒計時; PWM任務(wù)實時計算電機轉(zhuǎn)速并調(diào)節(jié)PWM脈寬輸出; 串口任務(wù)負責接收和解析水下絞車控制系統(tǒng)發(fā)送的指令并向其反饋當前電機狀態(tài); ADC任務(wù)一方面負責計算電壓和電流, 另一方面是當檢測到電路突然掉電時,在最短的時間內(nèi)將電機參數(shù)寫入到Flash, 避免其掉電丟失。

圖6 BLDCM控制系統(tǒng)工作流程圖Fig. 6 Program flowchart of a BLDCM control system

正常情況下BLDCM控制系統(tǒng)會在電機完全關(guān)閉后, 將電機參數(shù)寫入到內(nèi)部Flash中進行保存, 這一過程約占時500 ms, 而當控制系統(tǒng)意外掉電時,通過示波器觀察到電路電壓從24 V降低到5 V有約10 ms的掉電時長, 因此無法通過正常的方式及時保存電機參數(shù)。為了解決這一問題, 本文提出了兩級參數(shù)保存制, 即賦予ADC線程最高優(yōu)先級, 當監(jiān)測到控制系統(tǒng)意外掉電時立即將電機參數(shù)進行保存, 耗時僅約1 ms, 然后將正常的參數(shù)保存過程優(yōu)先級設(shè)為最低, 在控制系統(tǒng)重新啟動時, 就可以根據(jù)優(yōu)先級順序恢復電機參數(shù)。

3 堵轉(zhuǎn)檢測方案

海上環(huán)境復雜, 當因卡入異物出現(xiàn)電機堵轉(zhuǎn)時,對水下絞車的保護是極其關(guān)鍵的。傳統(tǒng)針對電機的堵轉(zhuǎn)檢測基本上都是基于監(jiān)測電流大小的方案, 如利用保險絲、硬件或軟件電流監(jiān)測等方法[8-9,11,13,19],這些方法簡單實用, 能夠充分保護電機不會燒毀,但是應(yīng)用在水下驅(qū)動裝置時存在兩個問題, 一個問題是電機經(jīng)過行星減速齒輪后輸出的力矩非常大,基于監(jiān)測電流的方案在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)并不靈敏,很多情況下電流閾值是出于經(jīng)驗選定的, 雖然保護了電機但是并不能充分保護水下驅(qū)動裝置的機械結(jié)構(gòu)不被破壞。另一個問題是由于電機低頻換相過程以及高頻脈寬調(diào)制的影響, 電流信號的噪聲非常大,其起伏幅度已經(jīng)超過了平均電流的大小, 即使對電流信號進行濾波, 效果仍不明顯, 且存在時間上的滯后性。

本文提出了一種基于監(jiān)測電機轉(zhuǎn)速的堵轉(zhuǎn)檢測方案: 假設(shè)電機轉(zhuǎn)速S=f(U,D,M), 其中U是系統(tǒng)電壓,D是PWM脈寬占空比,M是作用在電機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩?？梢岳斫?S應(yīng)當與U、D呈正相關(guān), 與M呈負相關(guān), 對電機的堵轉(zhuǎn)保護實質(zhì)上是當電機的轉(zhuǎn)矩大小超過一定閾值時便可認為發(fā)生了堵轉(zhuǎn)?？紤]到水下驅(qū)動裝置通過通信纜來拉動剖面數(shù)據(jù)采集裝置, 那么完全可以假設(shè)當通信纜上的拉力超過兩倍正常拉力大小時即認為是堵轉(zhuǎn), 可以在實驗室測定兩倍拉力大小下的電機轉(zhuǎn)速Sk, 然后再將電機轉(zhuǎn)速S與Sk進行比較來判斷是否出現(xiàn)拉力過大的情況。兩倍拉力大小下, 可認為M為定值, 則只需確定Sk與V、D的函數(shù)關(guān)系Sk=fM(V,D), 下面利用經(jīng)驗公式對該函數(shù)關(guān)系進行擬合。

圖7 不同電壓下電機轉(zhuǎn)速隨PWM脈寬占空比的變化Fig. 7 Rotate speed of motor changes with PWM output duty at different voltages

首先測定剖面數(shù)據(jù)采集裝置凈浮力, 然后在實驗室將水下驅(qū)動裝置加以凈浮力兩倍的恒定拉力,接著調(diào)整供電電壓啟動電機, 將PWM脈寬占空比與電機的轉(zhuǎn)速記錄下來并進行二次函數(shù)擬合, 然后調(diào)整供電電壓并記錄數(shù)據(jù)再次擬合, 最終得到了在不同電壓下電機轉(zhuǎn)速與PWM脈寬占空比的函數(shù)關(guān)系模型:

其中Sj表示第j次測試得到的電機轉(zhuǎn)速,aij是擬合系數(shù)矩陣a中第i行、第j列的元素,i表示擬合冪次。按照同樣的方式將系數(shù)矩陣a對系統(tǒng)電壓再次進行擬合:

其中aij是矩陣a中第i行、第j列的元素,bik是擬合系數(shù)矩陣b中第i行、第k列的元素,k表示擬合冪次,Uj表示第j次測試得到的系統(tǒng)電壓, 經(jīng)擬合可得到3×3系數(shù)矩陣b。在實際工作時, 根據(jù)當前系統(tǒng)電壓和PWM脈寬占空比作為輸入?yún)?shù), 利用擬合系數(shù)矩陣b計算電機轉(zhuǎn)速閾值Sk, 如果當前電機轉(zhuǎn)速小于Sk, 則可以判定此時屬于堵轉(zhuǎn)情況, 立即停止電機以保護水下驅(qū)動裝置。

圖8所示是電機轉(zhuǎn)速實測數(shù)據(jù)與模型計算的數(shù)據(jù)之間的相對誤差, 占空比小于30%時誤差較大不予考慮, 當脈寬占空比在30%～40%時, 模型計算出的Sk與實際測量得到的數(shù)據(jù)相對誤差約在4%以內(nèi),當占空比超過40%, 兩者相對誤差在2%以內(nèi)。為實現(xiàn)電機動力輸出效率最大化, 正常情況下PWM脈寬占空比最大值一般選在70%～75%左右, 因此能夠很好的檢測電機堵轉(zhuǎn)的情況。

圖8 電機轉(zhuǎn)速實測數(shù)據(jù)與模型計算數(shù)據(jù)相對誤差Fig. 8 Relative error between measured and calculated data of motor rotation speed

基于監(jiān)測電機轉(zhuǎn)速的堵轉(zhuǎn)檢測方案具有如下優(yōu)點: (1) 準確度高: 電壓信號比電流信號的信噪比更小; (2) 反應(yīng)速度快: 模型的輸入?yún)?shù)是可以直接獲取的, 無需繁瑣的步驟便可直接計算電機最小轉(zhuǎn)速Sk。在實際應(yīng)用中, 可將基于監(jiān)測電流的方案和基于監(jiān)測電機轉(zhuǎn)速的方案共同使用, 提高對水下驅(qū)動裝置的保護能力。

4 服務(wù)器遠程接收軟件設(shè)計

海上通信常常發(fā)生中斷, 為了提高服務(wù)器數(shù)據(jù)獲取率, 需要建立數(shù)據(jù)補發(fā)機制, 這就要求必須建立雙向通信協(xié)議, 開發(fā)服務(wù)器接收軟件。如圖9所示,本文以Visual Studio 2019為開發(fā)平臺, 開發(fā)出了一套服務(wù)器接收軟件。軟件兼容CDMA模塊、銥星通信模塊和4G通信模塊的通信協(xié)議, 并自動過濾協(xié)議相關(guān)內(nèi)容, 保留原始格式的數(shù)據(jù)信息, 將數(shù)據(jù)完整存儲到本地文本文檔和數(shù)據(jù)庫當中。

圖9 服務(wù)器接收軟件界面Fig. 9 Interface of the server’s data receiving software

與服務(wù)器建立通信必須按照一定的協(xié)議進行握手, 銥星模塊自帶通信協(xié)議, 潛標和服務(wù)器接收軟件只需按照協(xié)議通信即可; 對于CDMA通信模塊或4G通信模塊, 模塊進行連接時, 潛標首先發(fā)送握手消息,握手成功后再進行通信, 其通信協(xié)議如表2所示。

表2 服務(wù)器接收軟件通信協(xié)議Tab. 2 Communication protocol of the server’s data receiving software

潛標發(fā)送的數(shù)據(jù)包包含設(shè)備編號、文件號、數(shù)據(jù)包號、數(shù)據(jù)和校驗位信息, 其含義如下: 設(shè)備號即每臺設(shè)備單獨的編號, 最大不超過255; 與文件號對應(yīng)的是潛標的運行次數(shù), 由于通信模塊一次性最大發(fā)送數(shù)據(jù)量有長度限制, 因此潛標每次喚醒都會新生成一個數(shù)據(jù)文件, 避免數(shù)據(jù)文件過于龐大; 數(shù)據(jù)包號的高4位指的是當前數(shù)據(jù)文件的總數(shù)據(jù)包的數(shù)量, 低4位是當前數(shù)據(jù)包的編號, 當數(shù)據(jù)文件長度超出通信模塊最大發(fā)送長度時, 就把數(shù)據(jù)文件截斷成多個數(shù)據(jù)包,后期根據(jù)文件號和數(shù)據(jù)包號來進行拼接; 數(shù)據(jù)包從第5字節(jié)一直到第n–2字節(jié)(n是數(shù)據(jù)包總字節(jié)數(shù))是潛標獲取的數(shù)據(jù), 其長度和內(nèi)容并不固定; 數(shù)據(jù)包最后兩字節(jié)是加和校驗位, 高位在前低位在后。

服務(wù)器接收軟件會根據(jù)數(shù)據(jù)包校驗位自動向潛標回復校驗結(jié)果, 若潛標接收到校驗失敗的消息或者沒接收到任何消息, 都會再次發(fā)送該數(shù)據(jù)包, 重復發(fā)送數(shù)據(jù)的次數(shù)不超過3次, 否則認為通信失敗,并在下個潛標周期進行通信時把此前未能發(fā)送成功的數(shù)據(jù)文件進行補發(fā)。

在建立了雙向通信的基礎(chǔ)上, 本文提出了遠程修改潛標工作參數(shù)的方案。依照此通信協(xié)議, 服務(wù)器接收軟件實現(xiàn)了對潛標工作周期、喚醒周期、升降深度、升降速度、采樣深度間隔等數(shù)十項潛標工作參數(shù)的遠程修改, 具有很強的應(yīng)用擴展性。

5 系統(tǒng)測試

為驗證本文所述潛標的各項性能與控制系統(tǒng)穩(wěn)定性, 經(jīng)過對潛標的結(jié)構(gòu)以及搭載的儀器設(shè)備進行調(diào)整, 在近海和遠海進行了多次海上試驗。

圖10所示為2019年8月在山東威海褚島海域進行的海上試驗中獲取的剖面CTD部分數(shù)據(jù)。潛標結(jié)構(gòu)為半潛式結(jié)構(gòu), 在浮力材料的作用下懸浮在距水底10 m左右距離。潛標累計運行76 h, 高頻次累計進行了163次剖面觀測, 獲取了43 005條CTD數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)接收的完整率達到98.16%, 初步驗證了潛標控制系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性。

圖10 2019年威海海試潛標剖面CTD部分數(shù)據(jù)Fig. 10 Partial CTD data of underwater winch buoy of Weihai investigation in 2019

搭乘“向陽紅19”號科考船, 該型潛標于2020年5月21日成功布放于西太平洋海域進行試驗, 并于5月28日成功進行了回收, 布放點水深約5 500 m左右。潛標搭載剖面CTD 1臺, 國家海洋技術(shù)中心研制的感應(yīng)耦合式傳感器10臺[20-21]、中國科學院聲學研究所研制的75 kHz ADCP 1臺。圖11所示為海上測試期間獲取的剖面CTD的部分數(shù)據(jù)。經(jīng)統(tǒng)計,服務(wù)器共接收到339組數(shù)據(jù), 其中有15組重復數(shù)據(jù),潛標共運行333個完整觀測周期, 服務(wù)器數(shù)據(jù)獲取率達到97.3%。數(shù)據(jù)中可以看到, 受到海流的影響,水下驅(qū)動裝置和垂直升降裝置的深度會上下起伏,起伏深度超過了100 m。當強流出現(xiàn)時, 兩者均出現(xiàn)下壓現(xiàn)象, 水下驅(qū)動裝置釋放通信纜也無法使垂直升降裝置上浮到海面, 而當海流減弱時, 通信纜發(fā)生松弛, 仍舊無法正常進行剖面升降運動。

圖11 2020年西太平洋海試潛標剖面CTD部分數(shù)據(jù)Fig. 11 Partial CTD data of underwater winch buoy of West Pacific Ocean investigation in 2020

2020年11月20日, 搭乘“向陽紅14”號科考船, 再次將該型潛標布放于南海西北部, 布放點水深2 366 m,并于2021年5月27日搭乘海洋地質(zhì)4號科考船對該潛標進行了回收, 此次布放的潛標與2020年5月在西太布放的潛標對比如表3所示。經(jīng)統(tǒng)計, 潛標系統(tǒng)共計在位運行187 d, 剖面測量實際工作周期為753次, 共計獲得6 524條水下驅(qū)動裝置數(shù)據(jù)、23 227條抗污染CTD數(shù)據(jù)、13 0391條感應(yīng)耦合傳感器數(shù)據(jù)、18 036組ADCP數(shù)據(jù)和2 823組ACM數(shù)據(jù)。受海流影響, 水下驅(qū)動裝置深度在40 m至180 m深度之間, 剖面平臺CTD最深位置到達到了165 m。

表3 2020年南海海試潛標與2020年西太海試潛標對比Tab. 3 Differences in underwater winch buoys between the West Pacific Ocean investigation in 2020 and the South China Sea investigation in 2020

由于投放點位于南海西北部陸坡上, 衛(wèi)星高度計觀測資料顯示: 該地點受到中尺度過程的影響長期存在較大的海流, 導致垂直升降裝置難以正常進行的剖面要素觀測, 長時間的非正常運動導致水下驅(qū)動裝置通信纜長期暴露在外, 逐漸被海洋生物附著, 最后致使水下驅(qū)動裝置徹底無法進行工作, 而通信裝置也因生物附著的問題導致無法正常通信。圖12所示為潛標回收以后獲取的傳感器部分數(shù)據(jù)。

圖12 2020年11月南海海試潛標剖面CTD部分數(shù)據(jù)Fig. 12 Partial CTD data of underwater winch buoy of South China Sea investigation in 2020

6 結(jié)語

本文提出了一種以水下絞車為基礎(chǔ)的潛標控制系統(tǒng)設(shè)計方案, 該型潛標能夠?qū)崿F(xiàn)海洋垂直剖面要素長期、連續(xù)、定點、低成本的觀測, 提高了水下觀測數(shù)據(jù)的時效性, 對我國海洋環(huán)境監(jiān)測和預報具有重要意義。潛標搭載了大量國產(chǎn)化儀器設(shè)備, 對推動國產(chǎn)海上儀器設(shè)備的發(fā)展起到了積極和示范作用。通過建立服務(wù)器與潛標之間的雙向通信, 實現(xiàn)了潛標數(shù)據(jù)發(fā)送的補發(fā)機制和服務(wù)器對潛標的遠程控制,極大地提高了服務(wù)器數(shù)據(jù)獲取率, 對潛標的推廣具有重要的意義。根據(jù)BLDCM的固有特性, 針對性地提出了基于監(jiān)測電機轉(zhuǎn)速的堵轉(zhuǎn)保護方案, 兼顧堵轉(zhuǎn)監(jiān)測準確度與反應(yīng)速度。經(jīng)過多次海上試驗, 驗證了潛標控制系統(tǒng)設(shè)計方案的可行性與穩(wěn)定性。

經(jīng)過多次海上試驗, 對水下升降式潛標的未來研究方向有如下幾點展望: (1) 在深海布放潛標時,剖面運動容易受到海流的影響, 因此剖面數(shù)據(jù)采集裝置凈浮力需進一步提高, 同時為避免功耗進一步增加, 未來可將潛標結(jié)構(gòu)設(shè)計為浮心深度不變式,以抵消通信纜上的拉力; (2) 在近海測試時, 潛標體積過于龐大, 在小型船只上布放與回收過程較為繁瑣, 因此應(yīng)當展開對潛標的小型化設(shè)計的研究;(3) 剖面觀測消耗電量非常大, 因此降低水下電機的功耗或進行能量回收能在很大程度上推動基于水下絞車的潛標的發(fā)展; (4) 近海測試容易受到外部破壞, 尤其是漁網(wǎng)等海洋垃圾會對設(shè)備造成極大的損害, 潛標的電機堵轉(zhuǎn)檢測方案應(yīng)當繼續(xù)改進,提高設(shè)備的生存率; (5) 銥星通信費用高昂, 數(shù)據(jù)鏈路安全性較弱, 未來應(yīng)當逐步使用國產(chǎn)衛(wèi)星通信裝置, 同時提高控制系統(tǒng)國產(chǎn)化率, 為我國海洋監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展起到積極建設(shè)作用。