基于声学和无线电通讯的海洋中继浮标技术

杨会金，王嘉鑫，姚武军

（大连测控技术研究所，辽宁大连 116013）

0 引言

海流区域监测系统属无缆水下测量设备，可在无人值守及海况恶劣条件下长时间工作。如何实现无缆式水下测量装置测量数据的实时传送，接收岸基的指令遥控及状态反馈，是海洋测量技术中的一个关键环节。

本文主要针对海流区域监测系统数据传输及控制的需要，论证了中继浮标技术方案，进行了系统研制，给出海上试验与应用结果。

1 系统方案

1.1 系统组成

中继浮标主要由无线数传电台、GPS单元、声学Modem、控制器、电池组、天线、锚灯、浮标罐体、锚和系缆等部分组成。主要完成水下测量装置与水面舰船平台或岸基平台之间的数据传输和指令中继，本体具有定位功能。中继浮标组成如图1所示。

中继浮标具备长期值守、可靠工作的特点，它替代了舰船作为搭载平台完成数传及双向通讯的功能。具有可靠、成本低、作用距离可延伸的特点。

1.2 主要技术指标

通讯浮标技术指标如表1所示。

1.3 工作原理

中继浮标布放前，打开电源开关，浮标进入初始化和自检状态，并经指示灯确认。常态下浮标水声Modem和无线数传模块均处于接收状态，为保证海洋环境特性数据的可靠上传，控制器置水声Modem接受中断优先，对接收到的水声Modem数据，采用记忆重发的方式，传送至甲板单元或岸站平台。中继浮标电气原理如图2所示。

图2 中继浮标原理图Fig.2The electronic construction of communication relay buoy

2 系统研制

系统研制采用成熟技术进行系统集成，优化系统性能，保证系统满足总体技术指标要求。

2.1 无线数传模块

无线数传模块实现岸基与中继浮标的双向通讯。

无线通信性能由发射机的射频输出功率、接收机的接收灵敏度、系统的抗干扰能力及发射/接收天线的类型和增益等因素决定。

根据路径损耗公式:

其中:L os为传播损耗，dBm;d为距离，km;f为工作频率，MHz。

中继浮标选择日精ND889A数传电台［1］，ND889A数传电台工作频率范围为220～240 MHz，频率稳定度为±2 ppm，发射功率为2W/5W/10W/ 15W/25W五级功率编程设置，浮标端天线采用全向中增益（6.5 dB）天线，岸站端采用8木定向（11 dB）天线。

浮标端发射功率设定为10W（40 dBm），接收机灵敏度0.2 μV（－121 dBm），如大气、遮挡等造成的损耗为25 dB，由式（1）可得:

实际上，空气及海面等介质对电磁波吸收、衰减的影响很大;其次是考虑发射天线和接收天线的效率，接收机的抗干扰能力，以及各种电磁干扰的影响。实际传输距离按理论的10%计，传输距离大于50 km，满足系统设计要求。

2.2 GPS定位单元

中继浮标长期锚定在任务海区，无人值守，在风浪等恶劣条件影响下，可能出现走标现象，或受渔船拖拉，恶意打捞等安全因素影响而改变锚位。因此，对浮标的定位就显得十分必要。

中继浮标采用Trimble公司的Lassen-IQ OEM模块处理单元实现，该处理单元技术成熟，接口简单，体积小，功耗低，单点定位精度＜5 m CEP，数据更新率为1 Hz，数据协议为NMEA0183标准协议。

GPS定位信息（NMEA 0183输出语句）数据格式如表2所示。

算例:

$GPRMC，051552.00，A，3852.0213，N，12139.8838，E，000.0，075.7，170407，06.8，W，A*10。

（北京时间（+8）:2007年4月17日13:15:52，北纬38°52.0213'，东经121°39.8838'）。

2.3 声学Modem

本系统设计传输距离要求大于3 000 m，锚定海域水深约70 m，属于浅水区域。因此，声学通讯应选择具有抗多途干扰强的产品。LinkQuest公司UWM3000H型声学调制解调器［2］采用了先进的高速数字调制解调器技术、宽带换能器技术、宽带扩频技术，信道均衡技术抗多途干扰。该型产品在高发射功率状态下作用距离可达6 000 m，实际作用距离与水深和背景噪声有关。净荷载数据速率320 bit/s，接收模式功耗小于1 W，休眠状态0.9 mW。

2.4 控制器与外部接口

控制器实现中继浮标时序和指令控制，是中继浮标的核心。

控制器连接的4个功能模块均为串行接口方式，并应达到长期值守过程中功耗低的要求。因此控制器选择TI公司超低功耗处理器MSP430F5438，该处理器外部有4个独立串行接口，值班模式下功耗小于1 mA，适合用于各种自持式系统。

儿童及青少年甲状腺癌手术治疗上首选甲状腺全切除术。这是由于其双侧及多灶性病变的发生率高，并且，通过长期随访观察显示，甲状腺全切除术与单侧叶切除术相比，局部复发率从35%降低到6%[27]，同时，甲状腺全切术优化放射性核素的显像及治疗，也优化Tg水平对持续或复发病灶的术后监测。对于是否进行中央区或颈侧方的淋巴结清扫取决于肿瘤大小、数量、细胞学结果、浸润程度及淋巴结转移等情况，对于细胞学提示恶性、临床提示甲状腺外较大浸润和/或术前或术中发现存在局部转移患者，推荐行中央区淋巴结清扫术，可降低二次手术风险并提高无病生存率。

声学Modem通过8芯水密连接器与浮标舱体连接，数据传输方式有RS-232和RS-422两种。考虑其布放深度的不确定性，选用适合长缆传输的RS-422接口方式。

数传天台和GPS模块均采用同轴电缆与天线连接，连接器选用BNC高频接插件，并进行防水处理。

2.5 结构设计

浮标结构设计原则为“对称、低重心、小惯性”［3］，浮标组件便于安装维护。

根据测量对浮标稳定性的要求，浮标体成圆柱体型，浮体材质为标准304不锈钢，从而达到较强的抗冲击和耐海水腐蚀能力。

电子舱电池组安装于浮标下部，起到配重压舱的作用。支架固定在浮体上，采用小截面耐腐蚀材料焊接，支架上端架设天线，支架要求牢固可靠，在强风和波浪摇摆情况下不变形。

中继浮标标体表面静电喷涂，参照《GB 4696－1999－中国海区水上助航标志》黄色涂装。浮标结构组装图如图3所示。

图3 中继浮标结构组装图示Fig.3The mechanical construction of communication relay buoy

2.6 中继浮标参数计算

1）浮标基本数据

浮力舱尺寸:φ750 mmD×700 mm H;

浮力舱可提供的最大浮力（浮力舱体积）:309 kg;

浮标体重量（不含电池、控制板、锚系缆绳）:约160 kg;

电池重量:约40 kg;

浮标体重心:中轴线，舱体底面以下127 mm。

2）海流推力对浮标的影响

①浮标体受横向海流推力计算

其中:FD为海流推力;CD为标体水阻系数，流速在3 m/s以下时，根据标体尺寸和形状，取0.7;ρ为海水密度;V为流速;A为标体迎水面截面积。

在3 m/s流速下，标体浮力舱全部没入水中时所受水阻力为:

②浮标受力分析

当浮标体刚好完全浸入水面以下时，浮标受力情况如图4所示。

图4 通讯浮标受力图Fig.4The hydromechanical analyse of communication relay buoy

在平衡状态下，有:

其中，F为标体净浮力;h为海水深度;h1为浮筒高度;L1为浮标与锚横距。

缆绳水中重量按20 kg计算（约150 m），当电池等舱内负载重量为60 kg时，标体净浮力

3 海上试验结果

2010年4月，在大连海域进行了中继浮标海上试验验证，浮标海上布放图示如图5所示。

试验期间，中继浮标完成了多日、多组全天候测量数据的传送和岸基指令的转发，可靠地实现了岸基与水下监测系统的信息交换和数据传输。

试验结果表明，浮标无线通讯和水声通讯效果良好，海流区域监测系统定时或在岸基遥控下向岸基发送测量数据，通讯距离达到设计指标要求，在5级以下海况工作稳定、可靠。

图5 中继浮标海上布放图Fig.5Maritime screen of communication relay buoy

4 结语

中继通讯浮标解决了水声通讯和无线通讯转换的关键技术，建立了远岸水下系统和岸基联系的手段，实现了水下测量系统与岸基系统之间指令、数据的双向、实时传输，可广泛应用于海上试验研究及长时间水下环境监测数据远程传输和控制的场合。

［1］NISSEI DENKI．230 MHz BandDataTransceiver ND886A/ND889A OPERATING MANUAL［M］．2008．

［2］LinkQuset Inc．Underwater Acoustic Modem Momel No UWM3000H User's Guide Version 3000.3.0 h，2009．

［3］唐原广．多功能波浪浮标研制［J］．海洋科学．1998，（3）．12－13．