北斗一号卫星导航定位系统在抛弃式海洋移动观测平台的应用

作为抛弃式海洋移动观测平台,自持式剖面探测漂流浮标和海表面漂流浮标已经为国际上大量使用,该两类平台一般采用Argos卫星系统定位和传输数据。随着我国具有全部自主知识产权的北斗系统的逐步完善和发展及通信单元的小型化和低功耗化,北斗系统取代Argos系统,成为两类平台的数据传输和定位手段成为可能。文章简要介绍了自持式剖面探测漂流浮标和海表面漂流浮标的技术发展及我国北斗系统的发展情况,重点介绍了具有全部自主知识产权的采用北斗系统的C-Argo浮标和海表面漂流浮标的研制和应用情况。     

北斗剖面浮标数据服务系统设计与业务运行

北斗剖面浮标数据服务系统主要由北斗剖面浮标数据自动接收/监视子系统和北斗剖面浮标数据解码、处理及分发共享子系统组成,具备自动、批量、业务化接收国产北斗剖面浮标数据,以及业务化处理和分发浮标数据的能力,为我国主导建设南海或“21 世纪海上丝绸之路”Argo 区域海洋观测网提供了关键技术保障。催生的中国北斗剖面浮标数据服务中心,也为北斗剖面浮标走出国门、参与国际竞争奠定了坚实基础,成为世界上 3 个有能力为全球 Argo 实时海洋观测网提供剖面浮标观测数据服务的国家平台之一。     

Huffman与LZW算法在海洋观测浮标通信数据压缩中的应用研究

在现有两种比较主流无损压缩算法基础上(Huffman算法和LZW算法),根据海洋观测浮标采集的观测数据特点,比较两种压缩算法的优缺点,并通过布放在西太平洋海域的一套观测浮标数据进行数据验证。结果表明,使用Huffman算法和LZW算法分别对海洋观测浮标数据进行压缩,两者的压缩率都基本可达50%左右甚至更低,Huffman算法压缩率较优,而LZW算法复杂度较优。通过分析,可证明这两种无损压缩算法都能有效地提高深远海通信效率和降低通信成本,同时也提高了科学观测数据的安全性和保密性,可根据实际情况选择在深远海观测浮标数据通信中应用。     

基于ARM和北斗通讯的水声浮标技术应用研究

水声浮标是进行海洋声学调查的重要设备,传统的浮标采用基于计算机的数据采集方式和短波通信方式,其可靠性较差。文中介绍了基于ARM的数据采集存储系统和北斗通讯方式的浮标工程技术应用设计方案,结合传统浮标系统对比分析了其系统集成的实用性、先进性、适应性,并提出了进一步的改进措施。     

基于北斗通信的海洋多要素观测系统设计

以低功耗、多参数、安全可靠为设计目标,提出一种基于北斗卫星通信的海洋多要素观测系统设计。设计以嵌入式微控制器STM32F103RET6为核心,实现以漂流浮标为载体的海洋环境噪声测量,同时实现对海洋气温、气压、风速、风向及表层海温的多要素观测;以可充电锂电池组和太阳能电池板组合方式供电,同时进行必要的电源管理,有效提高漂流浮标的工作寿命;采用我国自主知识产权的北斗系统进行定位及双向通信,安全性高。实验表明,基于北斗通信的海洋多要素观测系统设计具有可行性,满足低功耗、多参数、安全可靠的设计要求,为以表面漂流浮标为载体的海洋多要素数据采集控制提供新的硬件设计方法。     

北斗定位通信系统在自持式剖面循环探测漂流浮标的应用初探

中国自行研制生产的北斗卫星导航系统特别适用于需要导航与移动数据通信场所,该系统的成功运行及相关通信部件的小型化,使其在自持式剖面循环探测漂流浮标的应用成为可能.     

基于全球导航卫星系统和铱星通讯的表面漂流浮标设计及其试验性应用

本文基于可以同时接收包括北斗、GPS和GLONASS在内的全球导航卫星系统的定位模块和铱星远程通讯模块,介绍了长航时、适用于全球水域和极地冰区的表面漂流浮标设计和组成,并对其测流性能进行了理论分析。通过中国第10次北极科学考察队在北极楚科奇海和白令海的试验性应用表明,相比目前常用的Argos表面漂流浮标,该浮标具有数据传输频率和有效性高、定位精度和流速反演高、功耗低和寿命周期长、适用于高海况和海冰密集度高的恶劣海域,并可进行后期功能拓展等特点。这一浮标技术的研究对于支撑我国极地观测网和全球海洋视测网建设可以起到重要作用。     

适用于中国近海观测研究浮标的北斗/GPS双模信标系统的研制与应用

为了提高海洋观测研究浮标在位运行的安全性,自主设计了一种北斗/GPS双模定位信标。该信标采用传统的GPS技术进行定位结合“北斗”卫星特有的报文通信和定位功能,通过解决传统GPS信号盲区问题,为中国近海海洋观测研究浮标安全运行提供了更加有力的保障,同时提高了数据保密能力。该系统采用外部供电和内部自主供电相结合的模式,即使外部供电中断,也可保证正常运行不低于1 a,而且基本上不需要对信标进行专门维护,大大降低了运行和维护成本。与该信标配套的岸站管理系统具备发送和短信和邮件报警的功能,可实现浮标运行状态实时监控。     

水面无线自组网装备研发与水动力学监测应用研究

应用窄带物联网技术,研发了一种能够快速构建半径100 km的水面无线网络,并通过投放大量抛弃式带北斗定位的微型浮标,动态采集水动力学数据.该技术能够解决采用传统海洋水动力学监测利用锚泊式大型浮标,固定在一个位置上采集数据的方法成本高、数据精细化程度不够的问题.由大量的海洋试验和研究证明,该方法在泥沙沉积、漂浮垃圾追踪、...     

实时传输潜标平台中的水上通信浮标设计

介绍了实时传输潜标中水上通信浮标的设计方案。该浮标通过红外模块与潜标的主浮体通信,存储主浮体发送的测量数据;在收到主浮体释放命令后,水上通信浮标上浮至水面通过北斗卫星发送数据,北斗指挥机作为岸站接收端接收数据,完成潜标数据的准实时传输;介绍了水上通信浮标的结构组成、硬件和软件流程设计。海上试验表明,该技术方案实现了对潜标数据准实时传输的预期目标。     

New buoy observation system for tsunami and crustal deformation

We have developed a new system for real-time observation of tsunamis and crustal deformation using a seafloor pressure sensor, an array of seafloor transponders and a Precise Point Positioning (PPP ) system on a buoy. The seafloor pressure sensor and the PPP system detect tsunamis, and the pressure sensor and the transponder array measure crustal deformation. The system is designed to be capable of detecting tsunami and vertical crustal deformation of ±8 m with a resolution of less than 5 mm. A noteworthy innovation in our system is its resistance to disturbance by strong ocean currents. Seismogenic zones near Japan lie in areas of strong currents like the Kuroshio, which reaches speeds of approximately 5.5 kt (2.8 m/s) around the Nankai Trough. Our techniques include slack mooring and new acoustic transmission methods using double pulses for sending tsunami data. The slack ratio can be specified for the environment of the deployment location. We can adjust slack ratios, rope lengths, anchor weights and buoy sizes to control the ability of the buoy system to maintain freeboard. The measured pressure data is converted to time difference of a double pulse and this simple method is effective to save battery to transmit data. The time difference of the double pulse has error due to move of the buoy and fluctuation of the seawater environment. We set a wire-end station 1,000 m beneath the buoy to minimize the error. The crustal deformation data is measured by acoustic ranging between the buoy and six transponders on the seafloor. All pressure and crustal deformation data are sent to land station in real-time using iridium communication.     

水下升降式准实时通信潜标控制系统研制

为实现长期、连续、定点、低成本的上层海洋垂直剖面要素的准实时观测,提出了一种以STM32单片机(microcontroller unit,MCU)为主控器、采用国产温盐深传感器(conductivity temperature depth,CTD)和声学多普勒剖面流速仪(acoustic doppler current profilers,ADCP)等仪器进行剖面观测、搭载铱星通信模块或其他通信设备、适用于近海和远海的低功耗水下升降式准实时通信潜标控制系统设计方案。介绍了潜标的结构组成、控制系统硬件和软件设计,以及服务器接收软件的设计;实现了基于无线双向通信的数据补发机制和对潜标的远程控制;提出了一种适用于霍尔无刷直流电机(hall brushless direct current motor,HBLDCM)的堵转保护方法。近海和远海试验表明,该型潜标可以实现海洋垂直剖面的连续观测和数据的准实时传输,验证了潜标控制系统设计方案的可行性与稳定性。     

一种用于海洋综合观测浮标的多种通信方式集成系统

为了优化海洋综合观测浮标的通信系统,设计了一种通信方式集成系统,将多种通信模块进行集成管理,并在每个数据发送周期进行通信信号检测,经过比较选择最优的通信方式进行数据传输。该系统具有采集数据完整、数据冗余小、运行功耗低等优点,有效增强了浮标的通信能力,完善了原有通信系统的功能,并且后期还具备较强的可扩展性功能,如浮标舱内环境监测和独立定位等,进一步增强浮标的安全性。该系统已经完成12个月的海上试运行,系统运行稳定,功能达到预期,可满足海洋综合观测浮标对多种通信方式进行优化管理的需求。     

一种新型多功能海洋浮标

介绍一种多功能海洋考察与观测用浮标的结构、性能。浮标带有短波无线电遥控和数据传输功能、可外挂多种传感器;该浮标采用小水线结构,在较高海况下,具有较好的安定性。浮标配置了差分型全球定位（DGPS）接收机和短波电台,可对浮标的位置和工作状况实施实时监测,对浮标的工作程式实时遥控并进行必要的数据传输。浮标电子舱内具有大容量多通道数据采集记录系统,DGPS的lpps（1 pulse per second）信号被用于多浮标数据采集的精确同步。浮标可用于海洋监测、考察;也可用于水下目标高精度大地坐标测量等海洋工程。     

一种轻小型S波段卫星中继通信机的设计与实现

针对远海无人值守浮标与岸基站间的实时、可靠和高速率通信需求,研制了一种轻小型S波段卫星中继通信机。通过采用高集成度的零中频接收单元和25 W高效率GaN功放发射单元,实现了对岸站遥控指令(2 kbps)的接收和浮标载荷数据(2 Mbps)的实时回传。通过提高收发隔离度和实时解算接收信噪比,确保了海上卫星通信的高可靠性。通过射频前端和信号处理单元等硬件的一体化设计,实现了整机的轻小型化(尺寸约为192 mm×134 mm×92 mm,质量小于2.0 kg)和低功耗(低于80 W)。四级海况下的海上试验表明,S波段中继通信机能够满足复杂海况条件下远海浮标的实时高速率双向通信需求,大回路数据通信误码率Pe10-5。     

基于水下绞车的实时传输潜标研制及海上试验

针对“透明海洋”工程对水下实时、长期、连续观测的迫切需求,开展基于水下绞车的实时传输潜标研制。该型潜标采用水下绞车牵引卫星通信浮标的方式,将潜标上搭载的测量仪器观测数据通过铠装通信缆传输到卫星通信浮标,当卫星通信浮标浮出水面时,再通过卫星通信传输至数据接收处理装置,完成数据传输后,水下绞车牵引卫星通信浮标至海面以下50 m,从而实现潜标系统的实时传输功能。本文详细介绍了基于水下绞车的实时传输潜标系统设计及关键组部件设计,并通过海上试验验证了该型潜标海上应用的可行性。     

改进型中心管模型能量转换性能试验及样机设计

为了提高中心管振荡水柱波浪能利用技术能量转换效率,基于新的认识和目前常用的2.4米导航灯标,对中心管尾部设计了三种模型并在造波水槽中进行能量转换性能试验。试验结果表明:直管型中心管俘获宽度比最高达到了70.25%,但通频带宽度窄;加长喇叭口型中心管略好于喇叭口型中心管;在喷咀比为0.02条件下,加长喇叭口型中心管浮体有较高双峰俘获宽度比,波峰为40.0%,波谷为31.6%,通频带宽,为随机波下高效转换创造了条件。最高俘获宽度比和双峰通频带特性实验数据结果都优于历史文献值。根据试验数据对一些适合小型海洋仪器供电的样机进行了设计,设计的样机具有较高的性价比。     

"采用SCADA通信系统通过国内卫星传输资料浮标数据研究"及其应用

海洋资料浮标测量数据传输的安全、可靠、经济和方便,是多年来浮标工程研究的课题。文中介绍我国海洋资料浮标数据传输方式的变革,国内卫星(中卫-1号)的性能及覆盖海域,"全线通"双向数据卫星通信系统原理特点以及"采用SCADA通信系统通过国内卫星传输资料浮标数据研究"成果在我国东海、南海的应用情况。