海洋资料浮标观测系统通讯和导航的一种新方法

1、第31卷第1期2010年1月宇 航 学 报Journal of AstronauticsVol.31JanuaryNo.12010海洋资料浮标观测系统通讯和导航的一种新方法宁春林1,2,施浒立2,于卫东1,李圣明2,胡 超2,崔君霞2(1.海气相互作用及气候变化实验室国家海洋局第一海洋研究所,青岛266061;2.中国科学院国家天文台,北京100012摘 要:提出了利用中国区域定位系统(Chinese Area Posi tioning System,CAPS和CAPS 终端开展海洋资料浮标通讯和导航的一种新方法。根据海洋资料浮标发送数据量大而接收数据量小的特点,创新性地提出利用复合导航电文的

2、方法,将通信地面站出站发送给通信卫星转发改为导航系统下行转发,将CAPS 终端通信部分接收改为导航定位部分接收,成功地把CAPS 终端发展到C APS OC(Chinese Area Positioning System Ocean Communication,CAPS OC终端。海上实验表明C APS OC 终端及CAPS 系统可以满足各种海洋资料浮标的通讯和导航定位的功能要求,目前有两台C APS OC 终端已经成功地应用在浅海大型锚系浮标观测系统的数据传输中。 收稿日期:2009 07 22; 修回日期:2009 08 19基金项目:国家重点基础研究发展计划(2007CB815500项目

3、;(973计划(2006CB4036020 引言海洋资料浮标是海洋环境监测的一种重要手段,它可以搭载各类海洋、气象传感器,通常配备卫星通讯和定位终端,海洋资料浮标的控制器可以将定位数据和各种传感器测量数据实时地回传到地面中心处理站,使浮标用户获得现场的海洋环境数据1-2。随着卫星技术的发展,在海洋资料浮标中常用的卫星定位系统包括美国GPS 系统和法国Argo(Ar ray for Real time Geostrophic Oceanography,Argo系统,常用的卫星通讯系统包括美国铱星系统3-6、国际海事卫星组织(International Maritime Sa tellite Or

4、ganization,Inmarsat的Inmarsat C 系统7和法国Argo 系统8。采用此类卫星通讯系统进行通讯时,浮标获得数据需要经过国外卫星的转发。随着我国海洋观测业务需求增长和自主卫星技术发展,有必要在海洋环境监测等领域发展利用自主卫星系统进行定位和数据传输的技术和终端装备。C APS9-12属于我国自主创新的卫星导航和通信一体化系统,为了推动C APS 系统在海洋领域的应用,中国科学院国家天文台与合作单位共同研制了C APS OC 卫星通讯定位终端,该终端可以满足海洋浮标所需要的位置服务和双向通信的要求。1 CAPS 及C APS OC 终端介绍2002年11月,中国科学院国家

5、天文台艾国祥院士等提出了 转发式卫星导航原理 9-12,在此原理基础上研发成功了C APS9-12,其导航原理如图1所示。图1 CAPS 导航原理示意图Fig.1 Principle of CAPS navigation它采用地球同步轨道通信卫星作为导航星,构成了导航的空间位置基准,并对导航星实行精确测定轨。在地面设置高精度的原子钟,把测距码和导航电文从地面导航站发射上行,经通信卫星转发器转发后广播下行。这样接收机接收信号并对信号处理后就可以实现定位、测速和授时。同时,CAPS 是基于同步轨道通信卫星的导航系统,在星座设计上增加了小倾角倾斜同步轨道通信卫星12后,可以有效利用星上丰富的转发器资

6、源,在C APS 系统中实现基于位置、时间和状态等服务的双向短报文、语音、图像等通信,通信原理如图2 所示。图2 CAPS 通信原理示意图Fig.2 Principle of C APS communication2 海洋资料浮标介绍海洋资料浮标主要包括锚系(如浅海锚系浮标和深海锚系浮标和自由漂浮(如漂流浮标和Argo 浮标两大类,尽管不同种类的海洋资料浮标在工作方式、测量要素和通讯方式等方面均有不同,但是它们的基本原理是相同的1-8,如图3所示。整个观测系统主要包括供电模块、控制模块、数据采集模块、数据存储模块和数据传输模块,其中供电模块给其它四个模块提供稳定和合适的电压,控制模块控制数据采

7、集模块的工作方式和工作过程,并且把采集到的数据存入到数据存储模块,同时把需要实时发送给用户的数据通过数据传输模块发送给卫星,卫星转发后广播下行,最后由地面接收站接收,接收后发送给用户,从而实现用户对 海洋环境的的远程、自动监测。图3 海洋资料浮标观测系统基本组成示意图Fi g.3 Observation sys tem of ocean data buoy下面以浅海大型锚系浮标为例介绍CAPS 终端和C APS OC 终端的应用。3 CAPS 终端和C APS OC 终端在浅海大型锚系浮标上的应用3.1 CAPS 终端在浅海大型锚系浮标上的应用将CAPS 终端不经过任何改进直接应用到浅海149

8、第1期宁春林等:海洋资料浮标观测系统通讯和导航的一种新方法大型锚系浮标上的工作流程示意图如图4所示。海洋资料浮标导航通信一体化系统整体由四个子系统构成,即CAPS 子系统、浮标子系统、通信中心站子系统和用户中心子系统。C APS 子系统包括CAPS 终端、导航主控站和CAPS 卫星;浮标子系统包括浮标控制器和各种传感器组成;通信中心站子系统包括天线系统和通信终端;用户中心子系统包括数据接收系统和决策系统。浮标子系统利用CAPS 子系统中CAPS 终端的导航部分进行定位,利用CAPS 子系统中CAPS 终端的通信部分经过通信卫星向通信中心站进行通信的入站传输,同时接收通信中心站发给通信卫星转发给

9、CAPS 终端的指令。通信中心站通过天线系统和通信接收机接收浮标数据,并将数据通过地面网络传递给用户中心,以及接收用户中心的指令后将指令发射到通信卫星。用户中心子系统的数据接收系统接收浮标数据,根据决策系统做出判断,将判断结果以指令的形式发 送给通信中心站子系统。图4 C APS 终端应用到浅海大型锚系浮标原理示意图Fi g.4 Principle of C APS terminal on the shallow sea large mooring buoy3.2 复合导航电文根据3.1的说明,可以看出浅海大型锚系浮标需要发送的数据包括定位数据和海洋环境监测的数据,需要接收的指令包括数据正常指

10、令、重发指令、调整参数指令和自销毁指令等。海洋资料浮标要发送的数据量远大于要接收的数据量,针对这个特点,提出了利用复合导航电文13方法简化终端的新设计。复合导航电文是由导航定位系统的导航电文和辅助导航通信电文组合而成。辅助导航通信电文与导航定位系统导航电文的区别除了传输内容是基本导航电文的补充参数外,还实现了报文通信、短信通信和广播通信的功能,并使传输速率提高,传输数据量增大。辅助导航通信电文的传输频点和主导航电文的传输频点是互相独立的,辅助导航通信电文的传输速率原则上应高于主导航电文速率,从而较快地广播传送数据和信息。辅助导航通信电文内容分为两种情况:用来构成广域和局域差分模型,或广域或局域

11、增强系统差分的修正数据;对流层时延修正模型的影响参数等。预先编制好的规范性的通信内容,用代码表150宇航学报第31卷示,电文中只传递代码,这也有利于保密。辅助导航通信电文,传送广播类通信报文和为了进一步改善导航系统精度和性能的导航参量修正补充电文。在增加卫星导航电文广播的信息量的同时,做到既能提高导航定位精度,又不延长导航用户捕获测距码测伪距以及定位解算的时间。辅助导航通信电文设计时需满足下述要求: 不干扰现有接收机接收主导航电文信号; 提供最大可能的修正能力和提供尽可能多的修正数据;辅助导航电文的传输频点要与主导航电文的传输频点错开,建议选用相邻转发器。3.3 C APS OC 终端在浅海大

12、型锚系浮标上的应用根据复合导航电文的方法,将需要发送的指令通过导航主控站发送,对整个应用系统需要做相应的改动如下:增加用户中心到导航主控站的地面通信网络,将用户中心的指令通过地面通信网络传递给导航主控站。导航主控站将指令作为复合导航电文中的辅助导航通信电文的指令,按照正常导航电文的格式和方法调制到通信频点后发送到卫星;其中定位和下行通信所用频段都为C 波段,根据辅助导航电文的设计要求,辅助导航电文的传输频点要与主导航电文的传输频点错开,主导航电文所用频点为4143.15MHz,下行通信频点则选择4092MHz 。对于CAPS 终端来讲,通信部分的接收机天线和接收机模块可以省去;定位部分在天线和

13、软件上做些变化。定位部分天线的功能上要求改变,即可以接收定位信号,也应可以接收下行的通信信号。上述主导航电文频点和下行通信频点的选择使得定位和通信中心频率相差较小,为51.15MHz,这样,接收导航电文和接收辅助导航电文完全可以用同一个天线 接收。图5 CAPS OC 终端应用到浅海大型锚系浮标原理示意图Fi g.5 Principle of C APS-OC termi nal on the shallow sea large mooring buoy151第1期宁春林等:海洋资料浮标观测系统通讯和导航的一种新方法定位软件既要根据定位信号解算出定位信息,还要根据通信信号输出用户中心发送的下行

14、指令信息。在定位阶段,C APS OC 终端CPU 控制器将4143.15MHz 定位信号转换为1575.42MHz 定位信号,软件按照定位接收机的正常流程对定位信号的粗码进行捕获、跟踪、导航电文提取及定位解算,通过串口将定位信息输出;在下行通信阶段,C APS OC 终端C PU 控制器将4092MHz 定位信号转换为1575.42MHz 下行通信信号,软件按照定位接收机的正常流程对信号的粗码进行捕获、跟踪、通信电文提取,通过串口将定位信息以及下行通信命令输出。经过上述改变的CAPS 终端称为CAPS OC 终端;对于通信中心站的通信机来讲,只需要保留接收机部分,发射机部分可以省去。改动的优

15、点是简化了系统设计的复杂度,大大降低了成本,有利于产品的推广。经过这样改动之后,CAPS OC 终端应用到浅海大型锚系浮标的原理示意图如图5所示。整个工作过程如图6所示,海洋资料浮标控制器按照设计流程在一定的时刻,利用电源控制线给C APS OC 终端供电。C APS OC 终端进行定位、发射数据、接收通信下行指令等过程工作,实现了海洋资 料数据的有效传输。图6 CAPS OC 终端工作流程图Fig.6 Working flowchart of CAPS OC terminal4 实验在经过对C APS OC 终端的实验室模拟转发器联合调试实验、北京室外地-星-地实验后,国家海洋局在2007年

16、12月17日至2007年12月27日期间在东海海区组织开展了C APS OC 终端的海上实152宇航学报第31卷第 1期 宁春林等: 海 洋资料浮标观测系统通讯和导航的一种新方法 153 验。实验主要在 9 号大型浅海锚系浮标上开展, 通 过与浮标上标配 Inmarsat - C 终端( 含 GPS 导航 功 能 的数据传输情况进行对比, 测试 CAPS OC 终端 的双向通信和定位的性能。在经过岸上测试之后, 使用国家海洋局调查船拖带浮标从上海码头启航, 到达最终锚系地点( 29. 5 N, 124 E 后完成浮标的锚 泊, 开始进行 CAPS OC 终端的测试。 4. 1 实验设计 为了测

17、试 CAPS- OC 终端的性能, 分别设计了 三种现场实验。 海洋数据的自动回传通信实验, 作业频率为 1 次 3 小时; 在加密情况下, 回传频率为 2 次 1 小时; 出站广播指令通信实验, 主要是完成数据重 发功能; 定位实验。 4. 2 实验结果分析 CAPS OC 终端 提供 的定 位信 息精 确 到 0. 001 分, Inmarsat C 终端提供的 GPS 系统定位信息精确到 分, 二者的比较结果如表 1 所示。 表 1 CAPS OC 与 GPS 定位比较 T able 1 Position of CAPS OC and GPS 系统 CAPS GPS 经度( 均值 123

18、 59. 5860 123 59 纬度( 均值 29 29. 9760 29 29 4. 3 CAPS OC 终端的稳定性 根据海 洋仪 器 基本 环境 实验 方法, 出海 前对 CAPS OC 终端进行了力学环境模拟实验和温度循环 实验, 均满足设计要求。从浮标起锚到锚地布放实验 的海上航行期间, 为保证浮标的安全拖引, 分别采取 侧拖和尾拖的两种方式。CAPS OC 通信终端先后经 历侧拖时浮标与船之间的强烈撞击震动和尾拖时浮 标的摆动, 遇到过五级海况, 浮标终端始终正常工作, 表明终端已具有良好的稳定性和适应性。在海洋实 验期间, 终端经历了雨淋风吹, 在湿度 100% 时, 终端 依

19、旧正常工作。海上风高浪急, 终端始终工作良好, 表明终端接口水密性好, 满足了海上使用环境。 5 结论 本文提出了一种使用 CAPS 系统实现海洋资料 浮标观测系统定位及数据传输的新方法, 海洋资料 浮标发送数据量远大于接收数据量的特点, 采用复 合导航电文方法, 将 CAPS 终端进行简化设计, 发展 为 CAPS OC 终端。海上 实验结果 表明, CAPS 系统 及 CAPS OC 终端可以很好地满足海洋资料浮标观 测系统的通讯和导航定位要求。目前, 已经有两台 CAPS OC 终端在浅海大 型锚系浮 标观测系 统中使 用, 其中一个已经有八个月连续正常运转。本文工 作证明了 CAPS

20、OC 终端在海洋资料浮标上的适用 性, 将进一步完善来推动它的业务化应用。 参考文献: 1 刘岩, 王昭正. 海洋环境监测技术综述 J . 山东科学, 2001, 9, 14( 3 : 30- 35. LIU YAN , WANG Zhao zheng. Review on ocean ecological environment monit oring technologies J . Shandong Sci ence, 2001, 9, 14( 3 : 30- 35( in Chinese . 2 李民, 盛岩峰, 等. 国内大型海 洋水文气 象资料浮 标的现状 及 发展方向 J . 气

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23、t ion on ocean data buoy of iridium data communicat ion J . Shandong Science, 2006, 10, 19( 5 : 16- 19 ( in Chinese . 4. 2. 1 定位结果 4. 2. 2 数据接收率和误码率 对地面中心站接收到的原始观测数据进行了统 计, 计 算 得 到 CAPS OC 终 端 原 发 数 据 接 收 率 为 100% , 重发数据接收率为 99. 39% 。CAPS OC 终端 原发数 据没 有出 现误 码, 因 此 认为 误 码率 < 1 10 。CAPS OC 终端 重发数据存

24、在误码, 计 算得到 -6 误码率为 1. 2 10 。INMARSAT - C 终端丢失了两 次回传数据, 分别在 12 月 23 日 8 点和 12 月 26 日 11 点, 数据接收率为 97. 8% , 同样不存在误码, 认为 误码率< 1 10 。比较结果如表 2 所示。 - 6 - 6 表 2 CAPS OC 与 Inmarsat C 接收数据比较 T able 2 Receiving data of CAPS OC and inmarsat C 系统 CAPS Inmarsat C 原发数据 接收率 100% 97. 8% 原发数据 误码率 < 1 10- 6 <

25、; 1 10- 6 重发数据 接收率 97. 75% * 重发数据 误码率 1. 2 10- 6 * * Inmarsat- C 未做此功能实验 154 5 宇航学报 第 31 卷 G : Physics, Mechanics & Astronomy, 2009, 52( 3 : 472- 488. 王波, 陈远知. 基于 DSP/ GPS/ 铱星通信的远 程监测系 统 J . 中国传媒大学学报自然科学版, 20076, 14( 2 : 80- 84. WANG Bo, CHEN Yuan zhi. Long distance monit oring syst em based on

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31、型 锚系 浮 标、 深海观测浮标。 通信地址: 山东青岛市崂山区 仙霞岭路 6 号 国家海 洋局第 一 海洋研究所海气室( 266061 电话: 151* E mail: ningcl 126. com 7 8 张少永, 林玉, 池熊焰. Argos 卫星发射平台研究与 Argos 通讯 系统应用 J . 海洋技术, 20053, 24 ( 1 : 25 - 28. ZHANG Shao yong, LIN Yu chi , XIONG Yan. Study on argos transmit ter terminal and its applications J . Ocean Techno

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