（通信与信息系统专业论文）基于铱星数据通信的海洋数据采集与实时传输通用平台的研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着人类对海洋探索和研究的不断深入，人们对海洋数据采 集传输技术提出了更高的要求。各种海洋环境参数传感器不断涌现，海洋 数据传输则朝着全球性、全天候的实时数据收集方向发展。 本文首先分析了海洋数据采集传输技术的现有技术和存在问题，从提 高海洋数据采集传输系统通用性和实用性的角度出发，提出了基于铱星通 信的海洋数据采集与实时传输通用平台的理念，该平台只需要通过软件参 数的改变，就可以配合不同的海洋环境监测仪器，在不同工作模式之间灵 活切换工作，从而满足用户对数据采集传输工作的不同需求。此外，通用 的理念还体现在海洋浮标的单片机控制器，在加载u l p 协议栈的基础上， 能实现与提供不同应用服务的数据收集工作站进行实时数据通信。 本文论述了基于铱星通信的海洋数据采集与实时传输通用平台的工作 原理和技术要点，重点阐述了系统控制器的硬件和软件设计。设计中始终 贯穿通用性和低功耗性的两大理念。硬件部分包括：电源管理电路设计、 控制器与铱星终端及控制器与传感器的接口设计等；软件部分设计了一套 不依赖于具体传感器和工作站服务类型的命令控制体系。 本文设计的平台已应用于实现海洋数据的采集与远程实时传输，且在 海试中取得了良好的效果，具有很好的应用前景。 关键词：铱星通信：实时传输；海洋数据 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y , t h ed e v e l o p m e n to fo c e a ne x p l o r a t i o n sa n dr e s e a r c h e sb r i n g sh i g h e r r e q u i r e m e n tt ot h et e c h n o l o g yo fo c e a nd a t ac o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o n v a r i o u s k i n d so fm a r i n es e n s o r sh a v ec o m ef o r t h ，a n do c e a nd a t at r a n s m i s s i o ni sd e v e l o p i n g t o w a r d sg l o b a lc o v e r a g e ，a l l w e a t h e rc a p a b i l i t ya n dr e a l t i m et r a n s m i s s i o n b ya n a l y z i n gt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n de x i s t i n gp r o b l e m so ft h et e c h n o l o g yo f o c e a nd a t ac o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o n ，an e w c o n c e p to fu n i v e r s a lp l a t f o r mo fo c e a n d a t ac o l l e c t i o na n dr e a l - t i m et r a n s m i s s i o nb a s e do ni r i d i u mi sr a i s e d t h i sc o n c e p t a i m st o i m p r o v et h eu n i v e r s a l i t ya n dp r a c t i c a l i t yo ft h e s y s t e mo fo c e a nd a t a c o l l e c t i o na n dr e a l - t i m e t r a n s m i s s i o n t h eu n i v e r s a lp l a t f o r mo fo c e a nd a t a c o l l e c t i o na n dr e a l t i m et r a n s m i s s i o ni s c o m p a t i b l ew k hd i f f e r e n tm a r i n es e n s o r s a n df l e x i b l ys h i f t sa m o n gd i f f e r e n tw o r k i n gm o d eo ft h em a r i n es e n s o r , s ot h a t d i f f e r e n tu s e r s d e m a n d so nd a t ac o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o nc a nb e f u l f i l l e d m o r e o v e r , t h ec o n c e p to fu n i v e r s a l i t ya l s ol i e si nt h ec o m p a t i b l e n e s sw i t hw o r k s t a t i o no fd if l b r e n ta p p l i c a t i o ns e r v i c e sf o r t h em c u c o n t r o l l e r i nt h i st h e s i s ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt e c h n i c a lp o i n t so ft h ep l a t f o r mi s j n t r o d u c e d ，t h e nt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g n o fs y s t e mc o n t r o l l e ri s e m p h a s i z e dd i s c u s s i n g t h ed e s i g nf o l l o w st w om a i np r i n c i p l e s ：u n i v e r s a l i t ya n d l o wp o w e rc o n s u m p t i o n t h ep a r to fh a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e sd e s i g nf o rp o w e r m a n a g e m e n tc i r c u i t ，t h ei n t e r f a c ed e s i g nf o rm c uc o n t r o l l e ra n dm a r i n es e n s o ra n d t h ei n t e r f a c ed e s i g nf o rm c uc o n t r o l l e ra n di r i d i u mm o d e m ，e t c a sf o rt h es o f t w a r e p a r t ，ac o m m a n ds y s t e mw h i c hi si n d e p e n d e n to fm a r i n es e n s o ra n da p p l i c a t i o n s e r v i c e so fr e m o t ew o r ks t a t i o ni sd e s i g n e d o u rd e s i g nh a sb e e na p p l i e dt ot h er e a l i z a t i o no fo c e a nd a t a c o l l e c t i o na n d t r a n s m i s s i o n t h ep l a t f o r mp e r f o r m e dw e l lo nt h es e at r i a la n dh a sp r o m i s i n g a p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：i r i d i u md a t ac o m m u n i c a t i o n ；r e a l t i m et r a n s m i s s i o n ；o c e a nd a t a h 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：冷擀签字日期：2 皆年p 月捌日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社 会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权| 书) 7 学位论文作者签名：斜侈亳俞导师签名：i 吁 签字日期：跏盼年p 月叫日 签字日期： 刖孵l 2 月旧 第1 煮引言 第1 章引言 1 1 论文的选题背景和技术现状 海洋覆盖地球面积的7 1 ，容纳了全球9 7 * 0 的水量，为人类提供丰富的资 源和广阔的活动空间，“海洋是全球生命支持系统的一个基本组成部分，是一 种有助于实现可持续发展的宝贵财富”，开发利用海洋对人类生存与发展有 着重要的意义。首先，在当今社会，随着社会经济和科学技术的不断发展，人 类面临人口膨胀，陆地资源紧缺的形式越来越，”峻，人类的生存和发展越来越 依赖于海洋。“重返海洋”已经成为人类解决这些问题的重要出路之一1 2 】，对 海洋的积极探索将能够为新能源和人类的生存环境可持续发展等问题提供有效 解决方案；其次。海洋为人类带来丰富资源的同时，也会给人类带来一定的灾 害威胁。如我国南部沿海经常遭受风暴潮和台风的袭击。我国有漫长的大陆海 岸线沿海人口众多，各种海洋灾害的频繁发生使社会经济发展和人民生命财 产受到重大影响。目前我国近海海洋灾害预报的最大问题是观测资料不足以及 资料收集不够及时。因此，为减轻海洋灾害，利用各种先进的科学技术及时获 取、处理和分析海洋环境的信息数据，建立和完善海洋观测系统，建设海洋预 报警报系统是我国乃至世界沿海各国面对的一项必要而十分紧迫的任务。 图1 i 美国c m a n 系统组成图 近年来，随着电子、机电和计算机科学的发展，以及全球对海洋环境的同 益重视，海洋数据采集和传输技术的应用取得了长足的进步，仪器灵敏度和探 霪 学：叶。囊。蠡 第1 章引言 测精度不断提高，并配合先进的电脑和通信技术，使人类第一时| 白j 获得完整细 致的海洋环境资讯成为可能。 美国在这个领域上的发展，无论从技术先进性、和产品的品种、数量上来 讲，都一直走在世界f i i f 歹u 。例如已建成的美国c m a n 系统，见图1 1 ，将5 8 个自 动站、7 1 个锚泊资料浮标和3 0 个高空剖面仪地面观测站，通过卫星和有线电话 数据通信网络组成了一个集数据采集、处理和传输为一体的自动观测系统；资 料中心可在1 5 - - 一6 0 m i n 内完成对美国各海域观测数据及全球海域定时观测资料 的收集和实况显示，成为目前世界上规模最大、业务运行状态最好的国家级海 洋立体自动监测网【3 ，4 。 自持式剖面循环探测漂流浮标是近年来国际上出现的新的调查设备，采用 拉格朗日法对海洋次表层温度、盐度进行剖面测量，布放后它自动潜入水下2 0 0 0 米以内的等密度层，随海流保持中性漂浮，到达预定时间仪器自动上浮直至水 面，在攀升过程进行温度、盐度剖面测量。到达水面后，通过a r g o s 卫星系统将 采集的测量及定位数据传送给用户。然后仪器自动下沉到预定深度，重新_ 丌始 下一个循环过程【5 】。该浮标在a r g o 计划的推动下得到了较快的发展，但目前仅 有美国和法国有商业化产品。 美国国家资料浮标中心( n d b c ) t 常重视海洋数据采集和传输新技术的研 究与更新。近年来开发的产品普遍采用高可靠性的微功耗计算机作为数据采集 控制的核一t l , ，应用同步卫星传输测量数据【3 6 | 。至1 9 9 5 年已研制出第六代资料浮 标数据采集、控制与传输系统，型号为m a r s ，取代了之前使用的各种型号资 料浮标第四、第五代数据采集控制及传输系统g s b p ( 通用业务浮标仪表舱) 和 d a c t ( 数据采集控制和遥测系统) 【3 ，1 ”。这种新的浮标数据采集系统的特点是 通用性广( 大小浮标通用) 、扩展性大、兼容性强、体积小、功耗小、可靠性 高；可与各种p c 兼容机、便携机联机操作，可方便与各种传感器连接，增减各 种测量要素。 英国、法国、同本、澳大利亚等国家都非常重视利用海洋资料浮标进行海 洋监测，都建立有自己的资料浮标监测网，常年都有数以十计的资料浮标工作 在各海域，为海洋环境监测预报发挥着巨大作用，欧洲各国之间建立了资料浮 标数据交换网，将各自监测海洋数据实行联网交换，做到了资料共享更有利于 海洋的管理、开发和利用【6 8 】。 我国是海洋大国，但还不是海洋强国，海洋科学与技术的发展水平与海洋 2 第1 章引言 强国存在很大差距。作为海洋科学和技术的一部分，海洋监测技术水平也落后 于先进海洋国家1 0 到1 5 年，大部分海洋监测站仍旧以人工监测为主，自动化水 平较低。国内自主研发的一些监测设备也由于缺乏成果的标准化鉴定，一直无 法进入市场，国内高档海洋仪器市场的9 5 被国外产品所占据【5 纠。 我国的海洋监测技术及其丌发的仪器设备，虽然与发达海洋国家相比尚有 较大差距，但经过几十年来的努力，特别是“九五”期间的海洋监测高技术研 究，已取得了一批成果，丌发了一系列产品，实现了跨越式发展，显著缩短了 与发达国家在海洋监测技术方面的差距【9 ，1 0 l 。为了进一步推进我国海洋监测技 术发展，国家在“十五”计划中持续加强对海洋监测技术的支持力度，确立了 国家“十五”攻关项目“海洋环境预测和减灾技术”，旨在加强海洋监测高技术 研究。而且将海洋监测技术主题确立为国家8 6 3 计划资源环境领域的四个主题之 一，目标是在g o o s ( 全球海洋监测系统) 框架下，建设中国近海海洋立体监 测系统，加强对近海环境的调查和监测，提高数据处理和数据产品服务能力， 促进人口、资源、环境的协调发展，支持海洋强国的建设【i i j 。 近年来国家海洋局持续对资料浮标的研究丌发注入资金，维持了浮标技术 的不断发展。在“十五”8 6 3 国家高新技术发展计划资助下国家海洋技术中心研 制成功了3 m 直径多参数海洋环境监测浮标【1 2 】。该浮标继承了技术中心原有的浮 标技术基础，并充分跟踪借鉴图际先进的浮标技术，具有以下一些特点： ( 1 ) 小型化、多参数和水文剖面参数测量。计算机技术、低功耗和太阳能 技术的应用，使浮标装载的测量仪器设备实现了小型化和低功耗，给浮标小型 化提供了足够的空间，并实现了多参数观测，同时有较好的水动力特性，能较 为方便地满足水文剖面监测对浮标的要求。大大减小了浮标的制造和运行费用， 使用方便、灵活，易于运输。 ( 2 ) 首次使用弹性绷紧系留系统：利用连接在系留系统中的弹性元件的调 节作用，使系留索处于绷紧状态。浮标始终运动在水面，随波性良好，使波浪 参数的测量更加准确。 ( 3 ) 感应耦合数据传输技术的应用：采用技术先进的感应耦合传输式温盐 深传感器，安装在水下系留索的不同深度，利用包塑系留钢索与海水构成感应 回路，通过系留缆将测量数据传输到浮标数据舱内，实现了从水面到水下的立 体实时观测。 ( 4 ) 性能优越的低功耗高可靠数据采集处理器。 第1 章引言 ( 5 ) a d c p d x 型浮标进行海流剖面测量中的应用：主要监测参数有风速、风 向、气温、湿度、气压、表层温度、盐度、剖面温度、盐度、波浪参数、海流 剖面等。 在国家8 6 3 高科技研究发展计划的资助下，国家海洋技术中心联合国家海洋 局极地考察办公室研制的极区海洋环境自动监测浮标【b l ，能够在极区寒冷条件 下工作，既町布放在浮冰上，也可漂浮在水中，采用a r g o s 通讯方式，并能跟踪 定位、探测气温、气压、风向j x l 速、冰温参数和冰下达5 0 米深度的温盐的多层 参数。 国家海洋技术中心一直跟踪国际海洋数据采集和传输技术的发展，从事海 洋数据监测和传输技术研究，尤其是近年来，在有关部门的支持资助下，开展 了大量相关技术的研究工作，具有较强技术基础和创新性科研能力的研究队伍 正在慢慢壮大。 近几年来在海洋采集和传输系统技术研究主要进行五个方面工作： ( 1 ) 研制新型传感器，增加测量项目，扩大系统的监测能力。 ( 2 ) 数掘采集、控制、遥测装置的通用化、标准化研究。 ( 3 ) 丌辟浮标能源新途径，广泛研究应用太阳能，降低造价及成本。 ( 4 ) 使用卫星传输技术，实现遥测遥控，增强应变能力。 ( 5 ) 加强海洋资料的质量控制与交换应用。 1 2 课题的研究意义 1 2 1 系统的需求分析 海洋数据采集与实时传输系统的主要任务是在茫茫大海中把海洋环境监测 仪器采集到的数据，通过无线通信的方式尽可能无丢失无错误地传回岸站。如 果监测系统提供的数据和信息不能及时反映自然界的急剧变化，将无法及时为 决策者提供及时有效的信息，满足不了人们的动态需求，因而系统设计对实时 数据传输的要求是比较高的。 海上工作环境复杂多变，对数据采集传输工作的稳定性和可靠性要求都非 常高，另外由于海洋资料浮标是完全依赖电池供电来工作的，因此尽可能地减 少系统工作的能耗也是我们设计的重要课题之一。总结起来，海洋数据实时传 4 第1 章引言 输有以下特点： ( 1 ) 环境条件恶劣； ( 2 ) 低功耗要求严格； f 3 ) 实时性强； ( 舢数据通信可靠性要求高。 当前世界的海洋数据实时传输技术已经达到相当水平，可以基本满足上述 海洋数据实时传输的需求，如普遍采用的卫星通信技术，突破了地面网络无法 到达的位置偏远、环境恶劣区域的限制，并且不受天气的影响，可以实现数据 全球全天候的自动监测和传输，但仍存在不少需要改进的地方，本文对现有技 术存在的问题作归纳的基础上，通过以下几方面的探讨，提出一个海洋数据采 集与实时传输的通用平台的新构想： ( 1 ) 卫星通信方式的选择问题。由于各沿海国家或者研究团体的海洋观测 和监测工作大都足孤立分散地进行的，利用自行研制的专用卫星，虽然可以达 到较高的数据接收率，但通讯费用往往很高，且最重要的问题是各团体之间观 测活动缺乏一致性，时空方面没有连贯性，数据交换上也存在困难。 ( 2 ) 与各种监测仪器的兼容性问题。海洋观测仪器种类繁多，且各种仪器 也可以根据不同的需求设定不同的工作模式。如果能设计一个通用型的数据采 集传输平台，在无需改变硬件电路的基础上，只需通过软件设置便可实现与各 种监测仪器进行通信，这将是一个全新的设计理念。 ( 3 ) 与搭载各种应用服务协议的数据收集工作站的兼容性问题。 1 2 2 系统的功能设计 本文以海洋数据采集与传输系统的需求和发展趋势为依托，结合当前国内 外先进的海洋数据采集与传输技术，提出一个全新的基于铱星通信的海洋数据 采集与实时传输通用平台的理念。在这个平台上，可以根据用户对海洋数据采 集与传输的不同需求，搭载不同的海洋环境监测仪器，或者在同一个监测仪器 的不同工作模式之问灵活切换，以配合不同的数据采集和传输要求工作。此外， 通用的理念还体现在与岸站服务器的通信方式上，根据不同类型的服务器，如 f t p 、h t t p 或专用串口服务器，采用相应的通信协议，以实现与服务器的数据 交换。海洋数据远程采集传输系统示意图如图1 2 所示。 第1 章引言 作为在海洋上应用的数据采集传输系统，设计中应具有低功耗性、数据传 输可靠性、安全性、完整性、即时性、兼容性、易维护性的技术指标”】。 ：5 竺兰) 。 ；，7 趣：，7 “t ； x 高二茁罐参7l 岸站服务器i 一 i r 图12 海洋数据远程采集传输系统示意图 1 , 3 课题研究的主要内容 本文的目标是研发一个适用于远洋数据采集传输的通用平台。该平台的主 要任务是采集海洋各种环境参数，通过卫星通信将采集的数据实对传送到数据 收集工作站，以供技术人员决策使用，技术人员也可以根据需要对海洋浮标进 行远程控制。作为一个通用平台的设计，在开发过程中力求做到系统可以在不 改变硬件电路的情况下，只通过软件参数的改变，就实现与一种或多种海洋环 境监测仪器的兼容，以及与搭载不同应用服务的数据收集工作站兼容。 课题在远程实时数据传输上采用了铱星数据通信，完成海洋浮标和数据收 集工作站之间的数据的双向传输。铱星数据通信具备覆盖面广、通信速率高、 传输可靠，误码率低等特点，可以满足本文对海洋数据远程实时传输的要求。 平台的控制器作为整个平台数据采集和传输工作的核心，在系统设计中占 据重要的地位，对控制器的设计也是本文的主要研究工作，包括硬件设计和软 件设计两个部分。硬件部分包括；控制器与铱星终端及传感器的接口设计，以 及电源管理电路设计等；软件部分的设计是本文的一大仓新点，通过定义一套 独立于具体传感器形式和数据收集工作站类型的命令控制体系，以及配置文件 的引入，不仅可使系统的通用性和灵活性得到最大限度地发挥，还便监控人员 筏、番 第1 章引言 能够随时随地根据实时地海洋数据反馈和自身对工作的要求，对海洋浮标工作 状态进行监测和控制。 最后论述的是本文设计的平台在实际海洋数据采集和传输中的具体应用。 平台研制成功并投入海试，取得了良好的效果，进一步验证了平台设计方案的 可行性。 7 第2 章海洋数据远程实时传输系统的设计 第2 章海洋数据远程实时传输系统的设计 2 1 系统方案的设计 从系统的需求出发，海洋数据采集传输系统主要由三大部分组成： ( 1 ) 海洋浮标。主要由单片机控制器、电源管理单元、通信终端和海洋环 境监测仪器组成。 ( 2 ) 数据收集工作站。主要由卫星地面接收系统或卫星通信终端，地面网 络和岸站服务器组成。 ( 3 ) 卫星数据通信系统。通过卫星通讯，可以实现海上工作现场和数据收 集工作站之间的数据上传和下载，使技术研究人员能够实时动态地了解浮标工 作现场的海洋环境情况，并可远程控制海洋浮标各工作模块的工作方式。 在参考了大量文献，结合现有的技术的基础上，针对系统的需求，本节将 对系统的各个部分的功能实现提出几种可行的方案，并最终确定最优方案。 2 1 1 微处理器及电源的选型 在浮标上应用的嵌入式系统，受特定的工作环境和资源的限制，对浮标上 装载的器件在体积、重量、能耗、系统电路板大小以及成本等方面都有特殊的 设计要求。 在微处理器的选型上，考虑到浮标工作是依赖电池供电的，因此低功耗设 计将是首要前提。市场上主流的几款单片机有c 8 0 1 5 繇列，p i c ，m s p 4 3 0 系列， 下面对这几款单片机性能作对照说明。 ( 1 ) c 8 0 5 l 睬列，是一种混合信号的单片机【1 5 】。其主要特点是可扩展性好， 因其三总线丌放的结构，可在芯片内部扩展a d 、d a 、p w m 、c a n 、u s b 等实 用附加功能，而p i c 和m s p 4 3 0 都是内部总线。其次是它具备的内置布尔操作器， 这使其位操作非常方便，速度快且占用代码空间小，适用于位操作频繁的场合。 它以5 1 为内核并在芯片上，而且它是j t a g 接口，调试非常方便。缺点是功耗大， 芯片本身内置的资源并不多，需要扩充外部时钟等，且芯片价格比较高。 ( 2 ) p i c 单片机是哈佛结构的，采用精简指令集，性能比较可靠，多用于工 第2 章海洋数据远程实时传输系统的设计 业产品中。缺点是它的在线调试与下载远没有c 8 0 5 l 啪j t a g 出色，经常需要断 电、重启j 能连接，且集成度较低，芯片和丌发系统价格也偏高【i 酬。 ( 3 ) m s p 4 3 0 系列单片机是专为电池供电的便携式产品而设计的单片机，其 优势在于体积小，功耗低，低电压供电，其灵活的时钟选择可大大延长电池的 使用寿命，基于此优势，该系列的单片机在浮标的数据采集和传输系统的应用 上占据绝对优势；另外，m s p 4 3 0 系列单片机采用精简指令，片上资源丰富，集 成了a d 、p w m 、l c d 等功能，j t a g 仿真调试，成本低，其性价比是其他单片 机无法媲美的。值得一提的是，m s p 4 3 0 系列的全部成员均为软件兼容，r a m 、 r o m 和全部外围模块都位于同一个地址空i 、日j 内，这样根据用户不同的需求而编 写的软件，可以方便地在系列各型号问移植”。 在电源的选择上，常用的是一次性电池或蓄电池，太阳能电池也可作为辅 助电能供应装置。应根据实际的工作场合和用户的需求而选择合适的电池。在 海洋浮标的应用上，装载的部件受重量、体积的限制，般宜采用能量密度高 的电池。近年来由于电子技术迅速发展，传感器、微型控制器和通讯终端的耗 电量大幅度下降，浮标总功耗的降低为使用一次性高容量电池创造了条件，同 时大大节省了浮标的有限空问和浮力，有利于浮标的小型化，方便浮标的投放 和回收；另外，浮标在海洋上工作，从投放到回收的整个过程都必须保证充足 的电能供应，因而有必要对电池容量作精准的估值。蓄电池经过反复的充放电 使用后，电池有效容量值将会改变，因而对蓄电池的电池容量估值会存在相对 较大偏差。从这个角度出发，一次性高容量电池比蓄电池更适合作为浮标的电 源；太阳能电池最大的优势是环保，但浮标上装载宽大的太阳能电池板，往往 会造成浮标随海风大幅度地摇晃，导致工作稳定性变差，太阳能接收效率也随 之降低。 2 1 2 数据通信方式的选择 海洋远程数据的实时传输的工作环境恶劣，常规通信手段难以使用，公用 移动通信网络女i ：i g s m ，g p r s ，c d m a 等，在海洋上没有基站没施，u h f v h f 无线电台的空间覆盖距离通常最大也只能达n 3 0 - - 一5 0 k m ，在海洋上能到达的领 域非常有限，因而为了在远洋区域实现海洋数据的实时传输，有必要采用卫星 通信技术【1 7 】。卫星通信的特点是通讯不受地理、环境、天气条件的制约，覆盖 9 第2 章海洋数据远程实时传输系统的设计 面积大，可以从根本上解决地面网络无法覆盖的通信盲区的数据通信难题。 近年来移动卫星通信系统发展迅速，陆续出现不同制式、不同用途的移动 卫星通信系统。在海洋上的应用可以有几种不同的方案： i n m a r s a t 系统。i n m a r s a t 系统属于静止轨道移动卫星通信系统，最初 作为海事专用卫星系统使用，随着业务的扩大，现已用于航空和陆地移动通信。 由于静止轨道移动卫星系统卫星数量很少，无法实现真正的全球覆盖，因此在 某些地方会出现盲区，且因为路径较长，以致信号时延相对较大。另外 i n m a r s a t 系统仅能支持便携终端，对于手持机是不支持的1 1 8 1 9 j 。 a r g o s 全球海洋观测网【2 。a r g o s 全球海洋观测网使用的是低轨道的极轨卫 星，是由美国等国家大气、海洋科学家于1 9 9 8 年推出的一个大型海洋观测计划。 可以实现快速、准确、大范围收集全球海洋上层的海水温、盐度剖面资料，以 提高气候预报的精度，有效防御全球日益严重的气候灾害( 如飓风、龙卷风、冰 暴、洪水和干旱等) 给人类千万的威胁。a r g o s 卫星数据通信存在的不足是数据 传输是单向性的，数据仅能从浮标传输会岸边工作站，岸边工作站无法实现对 浮标的远程监控和遥感；另外，a r g o s i 三星系统同样存在非全球性覆盖的问题， 若位置太偏，数据传输质量将得不到保证；最后，a r g o s 卫星系统的运营成本非 常高，一般若没有国家资金或大的财团支持，无法承担得起巨大的运营成本。 低轨道系统路径最短，时延最小，信号的路径衰耗也最小；且卫星数目比 较多，能够实现真正意义上的全球覆盖。从本文对全球性实时数据传输的需求 出发，显然低轨道移动卫星通信应该是我们的首选。当前最具代表性的是铱星 系统( i r i d i u m ) 和g l o b a l s t a r 系统【1 8 2 1 ，2 2 1 。铱星数据通信最大的特点有两个：一是 具有星际电路，而是具有星上处理能力，可见系统的性能比较先进；而g l o b a l s t a r 系统的最大特点是系统设计比较简单，既没有星际电路，也不需要作星上处理， 虽然该系统比较容易实施，投资费用也较铱星系统要小，但也因为少了这两个 关键技术，数据通信的可靠性也无法与铱星系统比拟。 2 1 3 远程数据接收工作站的设计及接续方式 远程数据接收工作站的基本功能足接收来自一个或多个海洋浮标采集的数 据，并将数据存入工作站以供研究人员作后期的解析、处理和决策使用。若要 进一步实现数据的管理、检索或共享，工作站就需要利用现有的数据库技术和 1 0 第2 章海洋数据远程实时传输系统的设计 i n t e m e t 技术，但由于海洋浮标的硬件资源非常有限，实现整套的网络协议往往 比较困难，因此有必要采用精简的网络协议来实现与 n t e m e t 的接入。 从数据收集的实时性和工作站使用的方便性角度出发，不仅需要有固定的 数据收集工作站，而且需要有移动的数据收集工作站，以便随时随地实现对浮 标数据的采集的监控。图2 1 显示了两种浮标与数据收集工作站的接续方式，其 中图a 的方式是通过卫星地面接收站接收数据，再将数据通过电话交换局传送到 固定位置的工作站。图b 的方式是卫星移动终端通过卫星通信，接收到来自远端 的浮标数据，然后通过串口传送至移动的工作站。 周定数据收集工作站 2 2 系统方案的确定 圈2i 工作站的连续方式 b 移动数据收集工作站 上一节对系统各个部分的设计方案作了详细综台的分析和考虑，本文从海 洋数据采集传输的实际要求出发，选取最优设计方案。 在浮标嵌入式控制系统中采用m s p 4 3 0 系列的单片机，和一次性高容量电 池；在数据通信方式上，我们选用铱星数据通信系统：在远程数据接收工作站 上，需要实现的是最基本的数据收集功能，则一台装载了串口通信软件的计算 机即可满足要求。 图22 为系统总体框图。系统的工作原理是：在没有数据采集传输任务时， 系统处于非工作状态，在微处理器的控制下，整个系统始终维持在低功耗状态 ( 处理器采用m s p 4 3 0 系列芯片，待机电流仅为l o 2 0 , u d 4 4 1 ) 。 当数据采集传输任务开始时，控制器根据具体的工作要求，启动海洋监测 传感器进入对应的工作模式，传感器将采集到的数据通过传感器接口向控制器 第2 章海洋数据远程实时传输系统的设计 请求中断，控制器在得到中断请求后进入中断响应服务程序，将数据读入内 存缓存区。由于控制器资源有限，且对于不同的海洋监测传感器，或是| 司一个 图2 2 系统总体殴计框凹 传感器的不同工作模式，在数据采集量要求和工作时序安排上都有所不同，举 个例子说明，在应答式数据采集传输的场合，传感器接到命令后立即返回应答， 这时并不需要很大的数据缓存空自j ；而在间隔式数据采集传输的场合，数据缓 冲到一定程度或到达预定传送时间时爿拔起传送请求，这时则需要预留足够的 缓存空间，以保证数据无丢失无覆盖地传输到数据收集工作站。因而在设计的 时候必须充分考虑各种情况，以求达到内存充分合理的利用。 当数据需要上传到数据收集工作站时，系统控制器启动卫星通信终端，利 用卫星通信建立起海洋浮标和数据收集工作站之间的通信链路，实现海洋数据 的远程传输。数据收集工作站在配置方面首先要求有足够的数据存储空间，在 此基础上工作站装载串行通信软件以数据的自动接收和存储。另外，工作站可 根据实际需要配置成不同的服务器，通过i n t e r n e t 为研究人员提供实时数据，以 供参考和决策。数据收集工作站可以接收来自多个海上工作现场的数据资料， 根据数据的来源，种类和采集时间等对数据进行分类存储。为了提高数据通信 第2 章海洋数据远程实时传输系统的设计 的可靠性，在系统的实际应用中常常需要增加备用的工作站，这样即使默认工 作站在通信过程出现异常状况，数据采集传输工作也不至于受到影响。 当一轮数据采集传输工作完成后，若数据收集工作站没有对监测传感器提 出新的工作要求，则控制器将终止与数据收集工作站的联系，控制器控制铱星 m o d e m 回复关机状态，传感器继续默认工作模式下的数据采集工作。若传感 器已完成指定的采集工作，或接到工作终止的命令请求，则控制器控制传感器 回复关机状态，控制器本身也将回复到低功耗状态。 对海洋浮标的控制和管理是通过一个自定义的配置文件实现的。配置文件 中记录了全部系统控制的参数和操作，控制器是根据配置文件执行工作的，通 过改变配置信息可以很方便地对海上工作现场各工作模块，包括系统控制器、 电源管理单元、通信终端和海洋环境监测仪器进行控制和管理。系统控制器和 数据收集工作站开辟固定存储区存放配置文件，当控制器从数据收集工作站下 载更新的配置文件时，原配置文件将被覆盖。 对于海洋浮标的工作状态，数据收集工作站是无法准确把握的，因此海洋 浮标总是处于主动通信状念，数据收集工作站处于被动通信状态，即双方通信 请求的发起总是来自海洋浮标，数据收集工作站始终处于接收数据的状态。 2 3 本章小结 从海洋数据采集与实时传输的需求分析入手，构造了系统的总体框架。结 合海洋数据采集与实时传输的特殊性，根据现有的技术，从微处理器及电源选 型到卫星通信方式的选择等方面，确定最优实现方案，即采用了以m s p 4 3 0 单片 机为控制核心，利用铱星数据通信完成海洋数据的远程实时传输的方案。根据 系统的总体设计框图，阐述了整个数据采集和传输的工作原理。 第3 章铱星数据通信系统 3 1 铱星系统简介 3 1 1 铱星系统概述 第3 章铱星数据通信系统 铱星系统( i r i d i u m ) 是美国摩托罗拉公司( m o t o r o l a ) 于1 9 8 7 年设计的低轨全球 个人卫星移动通信系统，它与现有通信网结合，可实现全球数字化个人通信。 系统历经1 1 年筹建、耗费5 0 亿美元，于1 9 9 8 年1 1 月正式投入运营。该系统原设 计为7 7 颗小型卫星，分别围绕7 个极地圊轨道运行，因卫星数与铱原子的电子数 相同而得名。后来改为6 6 颗卫星围绕6 个极地圆轨道运行，但仍用原名称。极地 圆轨道高度约7 8 0 k m ，每个轨道平面分布1 1 颗在轨运行卫星及1 颗各用卫星，每 颗卫星约重7 0 0 k g 。铱星系统是基于卫星网络，以提供话音、数据为主的全球个 人通信系统，最显著的特点是星际链路和基地轨道，它是唯一实现南北两极通 信的卫星系统1 2 3 - 2 5 1 。 誉。努蒜鲶；缈：舄_ _ _ j 髻 图31 铱星数据通信系统构成筒国 第3 章铱星数据通信系统 3 1 2 铱星系统组成 铱星系统主要由4 部分组成：空间段、系统控制段( s c s ) 、用户段、关口站 , 9 3 ( g w ) 1 2 6 ，2 7 1 。 空间段：由分布在6 个极地圆轨道面的7 2 颗星( 6 颗备用星) 组成。铱星系 统星座设计能保证全球任何地区在任何时i 、日j 至少有一颗卫星覆盖。铱星系统星 座网络提供手机到关口站的接入信令链路、关口站到关口站的网路信令链路、 关口站到系统控制段的管理链路。每个卫星天线可提供9 6 0 条话音信道，每个卫 星最多能有两个天线指向一个关口站，因此每个卫星最多能提供1 9 2 0 条话音信 道。铱星系统卫星可向地面投射4 8 个点波束，以形成4 8 个相同小区的网络，每 个小区的直径为6 8 9 k m ，4 8 个点波束组合起来，可以构成直径为4 7 0 0 k m 的覆盖 区，铱星用户可以看到一颗卫星的时间约为1 0 m i n 。铱星系统的卫星采用三轴稳 定，寿命约5 年，相邻平面上卫星按相反方向运行。每个卫星有4 条星际链路， 一条为自仃向，一条为反向，另两条为交叉连接。星际链路速率高达2 5 m b p s ，在 l 频段中1 6 1 6 0 m h z - 一1 6 2 6 5 m h z 的频率范围将1 0 5 m h z 的带宽按f d m a 方式划 分为1 2 个频带，在此基础上再利用t d m a 纬构，其帧长为9 0 m s ，每帧可支持4 个5 0 k b p s 用户连接。 系统控制段( s c s ) ：s c s 是铱星系统的控制中心。它提供卫星星座的运行、 支持和控制，把卫星的运动轨迹数据交付给关口站，利用寻呼终端控制器( m t c ) 进行终端控制。s c s 包括三部分：遥测跟踪控南t ( t t a c ) 、操作支持网( o s n ) 矛i 控制设备( c f ) 。s c s 有三方面功能：空j h j 操作、网络操作、寻呼终端控制。s c s 有两个外部接口，一个接口到关口站，另一个接口到卫星。 用户段：该段指的是使用铱星系统业务的用户终端设备，主要包括手持机 ( i s u ) 和寻呼机( m t d ) ，将来也可能包括航空终端、太阳能电话单元、边远地区 电话接入单元等。i s u 是铱星系统移动电话机，包括两个主要部件：s i m 卡及无 线电活机，它可向用户提供话音、数据( 2 4 k b p s ) 、传真( 2 4 k b p s ) 。m t d 类似于 目前市场上的寻呼机，分两种：数字式和字符式。 关口站段：关口站是提供铱星系统业务和支持铱星系统网络的地面设施。 主要任务是连接地面网络系统与铱星系统，并对铱星系统的业务进行管理。它 提供移动用户、漫游用户的支持和管理，通过p s t n 提供铱星系统网络到其它电 信网的连接。一个或多个关口站提供每一个铱星系统呼叫的建立、保持和拆除， 第3 章铱晨数据通信系统 支持寻呼信息的收集和交付。关口站由以下分系统组成：交换分系统s s s ( 西门 子d 9 0 0 交换机) 、地球终端( e t ) 、地球终端控制器( e t c ) 、消息发起控制器( m o c ) 、 关口站管理分系统( g m s ) 。关口站有4 个外部接口：关口站到卫星，关口站到国 际交换中心( i s c ) ，关口站到铱星系统商务支持系统( i b s s ) ，关口站到系统控制 段( s c ) 。 3 1 3 铱星数据通信的特点 与目前使用的静止轨道卫星通信系统相比，铱星数据通信具有以下两大特 点：一是轨道低，通信速率高，信号时延低，信号损耗小，使可靠性高的实时 卫星通信成为可能；二是不需要专门的地面接收站，每部卫星移动手持电话都 可以与卫星连接，这就使地球上人迹罕至的不毛之地，地面网无法到达的边远 区域、自然灾害现场的通信变得畅通无阻。 铱星系统有别于其他卫星移动通信系统，主要体现在两大特点上：一是采 用星际链路。铱星系统的复杂、先进之处在于采用了星上处理和星问链路技术， 相当于把地面蜂窝网倒置在空中，使地面实现无缝隙通讯；另一先进之处是铱 星系统设计的漫游方案除了解决卫星网与地面蜂窝网的漫游外，还解决地面蜂 窝网间的跨协议漫游。铱星系统丌创了全球个人通信的新时代，被认为是现代 通信的一个罩程碑，使人类在地球上任何”能见到的地方”都可以相互联络。其 最大特点就是通信终端手持化，个人通信全球化，实现了5 个“任何”( 5 w ) ，即 任何人( w h o e v e r ) 在任何地点( w h e r e v e r ) 、任何时问( w h e n e v e r ) 与任何人 ( w h o m e v e r ) 采取任何方式( w h a t e v e r ) 进行通信冽。 3 1 4 铱星数据通信的业务和应用 铱星网络提供电话、传真、数据、寻呼、集群通信、追踪业务，如图3 2 所 示。铱星网络支持五种不同模式的数据通信业务包括【2 5 ，2 6 】： 拨号上网连接( d i a l u pi n t e m e t ) 直接上网连接( d i r e c ti n t e m e t ) 突发短数据传输( s b d s h o r tb u r s td a t a ) 短信服务( s m s s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) 网络路由数据连接( r u d i c s ) 1 6 第3 章铱星数据通信系统 一一，沪一- 矿， ：o 一| 帅d i e ”、 ， 1 i ：i 囊安) 一，、 r 。撬，；一 翻3 2 铱星数据通信业务类1 4 下面以本文将用到的拨号数据连接( d i a l u pd a t a ) 服务为例，对铱星通信接 续过程作简要介绍。 铱星数据连接服务是一种基于电路转换的双向异步串行通信，支持a t 命令 和标准的r s 2 3 2 接口，以2 4 k b p s 带宽传输数据。串行链路的建立可以有两种方 式：铱星用户终端与p s t n 之间的连接，以及铱星用户之间的连接，分别如图3 3 和图3 4 所示。 0 避：一二f i 熹t 蘑葬彩 图33 铱星用户终端l j p s t n 之间的连接例 根据铱星数据通信的特点，铱星用户和不同通信对象进行通信的拨号方式 及接续方式都有所不同，以下对铱星用户和p s t n 用户虬及铱星用户之间进行通 。 沪，氘 第3 章铱星数据通信系统 信的过程进行简要说明。 f 1 ) 铱星用户呼叫国p q p s t n 用户。拨打0 0 8 6 x y z p q r a b c