天通、北斗雙模衛(wèi)星通信在海洋水文監(jiān)測(cè)終端的應(yīng)用

［李聽(tīng)聽(tīng) 劉銘 陳劉偉］

1 引言

中國(guó)是海洋大國(guó)，擁有漫長(zhǎng)的海岸線、廣袤的管轄海域和豐富的海洋資源。當(dāng)前，以海洋為載體和紐帶的市場(chǎng)、技術(shù)、信息、文化等合作日益緊密，中國(guó)提出共建21 世紀(jì)海上絲綢之路倡議，希望促進(jìn)海上互聯(lián)互通和各領(lǐng)域務(wù)實(shí)合作，推動(dòng)藍(lán)色經(jīng)濟(jì)發(fā)展，推動(dòng)海洋文化交融，共同增進(jìn)海洋福祉。海洋水文氣象觀測(cè)是認(rèn)識(shí)、研究、保護(hù)、開發(fā)海洋的基礎(chǔ)[1]。然而，當(dāng)前海洋水文監(jiān)測(cè)終端主要以美國(guó)銥星、歐星、海事衛(wèi)星等為主，存在衛(wèi)星覆蓋范圍有限、數(shù)據(jù)安全得不到保證等問(wèn)題。針對(duì)當(dāng)前海洋水文監(jiān)測(cè)終端主要以美國(guó)銥星、歐星、海事衛(wèi)星等為主[2]，本文提出基于天通、北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)的海洋水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸終端，可滿足我國(guó)海洋數(shù)據(jù)傳輸需要，擺脫數(shù)據(jù)傳輸依賴國(guó)外并保證數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的安全。

2020 年7 月31 日，習(xí)近平總書記在人民大會(huì)堂莊嚴(yán)宣布：北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，這標(biāo)志著北斗事業(yè)進(jìn)入到全球服務(wù)新時(shí)代。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自行研制、自行建設(shè)、自行管理，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有雙向短報(bào)文通訊能力，以北斗衛(wèi)星作為中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)北斗終端接收機(jī)之間的通信[3]。

除北斗外，天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)也是我國(guó)自主研制建設(shè)的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，由空間段、地面段和用戶終端組成。在技術(shù)層面，它標(biāo)志著我國(guó)打破了國(guó)外技術(shù)封鎖，進(jìn)入了地球同步軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星俱樂(lè)部，在海事衛(wèi)星系統(tǒng)和銥星系統(tǒng)之外，有了中國(guó)人具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)；標(biāo)志著我國(guó)在新載荷、大平臺(tái)的研制與應(yīng)用等領(lǐng)域進(jìn)入了國(guó)際領(lǐng)先行列。同時(shí)，也表明我國(guó)在衛(wèi)星的設(shè)計(jì)制造能力、平臺(tái)技術(shù)、載荷技術(shù)、基礎(chǔ)元器件、原材料和地面仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)領(lǐng)域，達(dá)到了較高的技術(shù)水準(zhǔn)。該系統(tǒng)已于2017 年上半年投入使用，具備話音、短信、數(shù)據(jù)、傳真等衛(wèi)星業(yè)務(wù)，目前實(shí)際場(chǎng)景應(yīng)用的最高數(shù)據(jù)速率可達(dá)384 kbit/s。

海洋水文監(jiān)測(cè)終端例如浮標(biāo)等，放置地點(diǎn)遠(yuǎn)離陸地，通常采用衛(wèi)星通信的方式。海洋水文監(jiān)測(cè)終端常用通信方式主要包括銥星、海事衛(wèi)星、北斗、天通，這些衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)成熟，可以在全球范圍內(nèi)（除南北極區(qū)外）為海洋水文監(jiān)測(cè)終端提供全時(shí)、穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)通信渠道。這幾種衛(wèi)星通信方式各有優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)，如表1 所示。

表1 為常用衛(wèi)星通信方式對(duì)比[4][5]

依據(jù)表1 可以看出，銥星、海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)自主可控性差、設(shè)備和通信資費(fèi)高[6，7]，同時(shí)采用天通、北斗兩種衛(wèi)星通訊模式的終端，利用天通、北斗各自的優(yōu)勢(shì)，可以有效支撐當(dāng)前海洋水文監(jiān)測(cè)終端可靠通信。

借助天通、北斗各自的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)業(yè)務(wù)需求和衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量，自適應(yīng)選擇信道，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)互補(bǔ)、互為備份，增加衛(wèi)星通信的可靠性。天通、北斗可以很好地解決海洋水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，用戶不僅可以獲得海洋水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，而且可以對(duì)海洋浮標(biāo)等多種類型的終端進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視和控制。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1 所示，基于天通、北斗的雙模衛(wèi)星通信海洋水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)終端、天通衛(wèi)星、信關(guān)站、北斗衛(wèi)星、指揮機(jī)、海洋水文數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[8，9]。其中監(jiān)測(cè)終端通過(guò)判定天通衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度、北斗衛(wèi)星的波束信號(hào)功率來(lái)選擇數(shù)據(jù)通信鏈路，大大增加了通信的可靠性。終端集成雙衛(wèi)星通信模式，可以通過(guò)北斗短報(bào)文、天通短信、天通數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將傳感器數(shù)據(jù)、終端自身狀態(tài)信息發(fā)送到后臺(tái)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)上。其中北斗短報(bào)文首先發(fā)送到指揮機(jī)上，然后指揮機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；天通業(yè)務(wù)都需要經(jīng)過(guò)地面信關(guān)站再轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以通過(guò)指令查詢、控制終端參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互、狀態(tài)監(jiān)控。

圖1 基于天通、北斗的監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 終端硬件設(shè)計(jì)

電路系統(tǒng)主要由微處理器、自主觀測(cè)傳感器、高精度數(shù)字姿態(tài)補(bǔ)償儀、調(diào)試接口、天通通信模塊、北斗通信模塊、多模天線、電源供電系統(tǒng)等組成。電路系統(tǒng)組成框圖如圖2 所示，微處理器按照設(shè)定時(shí)序，對(duì)各個(gè)海洋水文觀測(cè)傳感器喚醒、數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、衛(wèi)星傳輸、休眠等流程操作。為集成自主觀測(cè)傳感器設(shè)備，并能在高海況條件下開展海氣通量觀測(cè)，設(shè)計(jì)高穩(wěn)定性抗擾動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)，使用基于運(yùn)動(dòng)姿態(tài)方位傳感器的高頻高精度數(shù)字姿態(tài)補(bǔ)償儀，提供晃動(dòng)平臺(tái)三維脈動(dòng)風(fēng)速測(cè)量準(zhǔn)確度，同時(shí)開發(fā)智能化、模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高海況下通量測(cè)量的穩(wěn)定可靠。

圖2 電路系統(tǒng)框圖

傳感器是海洋水文監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，傳感器的質(zhì)量和性能直接影響到海洋水位監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度。基于各姿態(tài)傳感器的互補(bǔ)特性進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，數(shù)字式姿態(tài)儀以更高的測(cè)量精度獲取終端平臺(tái)的實(shí)時(shí)姿態(tài)。為了測(cè)量浮游植物光合作用消耗的二氧化碳，激光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒鈧鞲衅髡{(diào)制激發(fā)光驅(qū)動(dòng)信號(hào)，濾波解調(diào)探測(cè)信號(hào)，采用深度濾光技術(shù)，消除外界光影響，提高熒光收集效率及檢測(cè)靈敏度。

多頻段天線通過(guò)分枝、倍頻、寄生添加等幾種設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)多個(gè)工作頻段接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)，它包含的工作頻段有北斗RDSS 收頻點(diǎn)、北斗RDSS 發(fā)頻點(diǎn)、北斗GNSS 頻點(diǎn)、天通頻點(diǎn)。

2.2 終端軟件設(shè)計(jì)

終端的軟件設(shè)計(jì)采用RT-Thread 系統(tǒng)。RT-Thread 是一個(gè)國(guó)產(chǎn)集實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）內(nèi)核、中間件組件和開發(fā)者社區(qū)于一體的技術(shù)平臺(tái)。RT-Thread 也是一個(gè)組件完整豐富、高度可伸縮、簡(jiǎn)易開發(fā)、超低功耗、高安全性的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)[10]。

系統(tǒng)創(chuàng)建多個(gè)線程來(lái)監(jiān)控各個(gè)模塊的狀態(tài)。系統(tǒng)的主要處理流程是：監(jiān)測(cè)到傳感器數(shù)據(jù)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)線程完成數(shù)據(jù)的拆包存儲(chǔ)，隨后啟動(dòng)天通、北斗通信模塊，通過(guò)查詢天通衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度、北斗衛(wèi)星的波束信號(hào)功率，選擇最優(yōu)的衛(wèi)星通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完成數(shù)據(jù)傳輸后設(shè)置所有模塊進(jìn)入低功耗狀態(tài)。所有模塊進(jìn)入低功耗狀態(tài)，等待下次使用時(shí)被喚醒。系統(tǒng)可以通過(guò)傳感器設(shè)定的IO 電平變化喚醒，也可以通過(guò)接收傳感器的串口數(shù)據(jù)喚醒。主線程的處理流程如圖3 所示。

圖3 主線程處理流程

3 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)分包

由于北斗、天通衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸單次通信容量有限，而部署在監(jiān)測(cè)終端各種傳感器全天候的獲取數(shù)據(jù)，會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，一次傳輸這些數(shù)據(jù)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的[11]。因此在傳輸大量海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)需要進(jìn)行分包傳輸，在接收端需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分包重組，從而獲取完整的傳感器數(shù)據(jù)。

3.2 傳輸協(xié)議

北斗短報(bào)文單次通信只能傳輸77 個(gè)字節(jié)內(nèi)容，監(jiān)測(cè)終端使用的是北斗民用卡，用戶屬于三類用戶機(jī)，服務(wù)頻度60 秒鐘；天通短信單次短信傳輸?shù)淖畲笞止?jié)為144。假設(shè)衛(wèi)星通信每次通信傳輸?shù)淖止?jié)為長(zhǎng)度最大為L(zhǎng)。設(shè)計(jì)傳輸協(xié)議格式如表2 所示數(shù)據(jù)分包傳輸協(xié)議。

表2 傳輸協(xié)議格式

接收端首先通過(guò)傳感器類型確定當(dāng)前傳輸數(shù)據(jù)類型，然后通過(guò)總幀數(shù)、幀計(jì)數(shù)兩個(gè)字段來(lái)完成整包傳感器數(shù)據(jù)的重組。

如果傳輸通道采用天通數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，最大長(zhǎng)度L 就可以設(shè)置為大于1 024，每包可以傳輸更多數(shù)據(jù)，傳輸速率明顯優(yōu)于天通短信、北斗短報(bào)文。

3.3 重傳機(jī)制

由于空間環(huán)境、星載設(shè)備和海況等因素的影響，北斗短報(bào)文或者天通短信單次通訊成功率實(shí)際約為σ。假設(shè)需要傳輸?shù)拇笕萘總鞲衅鲾?shù)據(jù)共計(jì)N字節(jié)，則傳輸完所有數(shù)據(jù)的最大幀數(shù)tf

本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β蕄os 如下公式所示,

由公式可見(jiàn)隨著幀數(shù)tf 的增加，數(shù)據(jù)傳輸成功率將隨之呈指數(shù)趨勢(shì)下降。使用天通數(shù)據(jù)傳輸時(shí)L可以足夠大，傳輸?shù)某晒β蕦?duì)比天通短信、北斗短報(bào)文有很大的優(yōu)勢(shì)，但是也有一定的丟包概率。因此，引入重傳機(jī)制保證大數(shù)據(jù)的成功率是非常有必要的。

這里引入應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸重傳機(jī)制，保證大容量傳感器數(shù)據(jù)成功率為100%。重傳機(jī)制的幀格式按照表2 中格式傳輸，在傳感器數(shù)據(jù)傳輸完成后，接收端對(duì)數(shù)據(jù)的完整性進(jìn)行檢驗(yàn)。當(dāng)接收端檢測(cè)到傳感器數(shù)據(jù)有丟失，會(huì)向監(jiān)測(cè)終端發(fā)送丟失幀的幀計(jì)數(shù)。監(jiān)測(cè)終端接收到對(duì)應(yīng)的幀計(jì)數(shù)，將對(duì)應(yīng)幀計(jì)數(shù)的數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端。重傳機(jī)制的概述圖如圖4 所示。

圖4 重傳機(jī)制的概述圖

4 結(jié)語(yǔ)

基于自主可控的天通、北斗雙模衛(wèi)星通信用于海洋水文的監(jiān)測(cè)終端，在傳輸數(shù)據(jù)應(yīng)用層高效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分包、重傳機(jī)制，保證大容量傳感器數(shù)據(jù)的傳輸成功率。該技術(shù)的應(yīng)用為認(rèn)識(shí)、研究、保護(hù)、開發(fā)海洋資源提供了一種更安全、高效數(shù)據(jù)傳輸方式，為中國(guó)21 世紀(jì)建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)添磚加瓦。使用完全自主的衛(wèi)星系統(tǒng)，促進(jìn)海洋水文觀測(cè)以自主可控技術(shù)為先導(dǎo)的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，同時(shí)，對(duì)國(guó)民社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大促進(jìn)作用。