(论文)海王星海底长期观测系统的技术分析 a technology analysis of neptune.pdf

海王星海底长期观测系统的技术分析 罗续业19李彦2 1 国家海洋信息中心9 天津 3001 1 2 国家海洋技术中心9 天津 300111 摘要 美国和加拿大为建立全球最大海洋观测网而联合开展的海王星计划被誉为人类的水下n哈勃 o文中首先 介绍了海王星计划的由来与背景9然后分析了其基础架构及实现的关键技术9并对我国海底观测技术的发展提出 了建议o 关键词 海王星计划 海底观测 传感器网络 中图分类号 p 15 5文献标识码 b文章编号 1003 2029 2006 03 0015 04 1 引言 20世纪90年代中期9人们开始积极探索区域性海洋海 底观测平台的概念设计 一个基于电缆的能够提供持续充 足电能和实时高带宽数据传输的 一个使水下观测与陆地 连接的光缆 电缆上的分布式传感器网络系统o于是9 1998 年美国启动 加拿大于1999年加入 东北太平洋时间系列 海底网络实验 neptune9north east pacific time series undersea networked experiments 计划9即海王星计划o迄 今已完成了主要系统的研究设计及部分原型试验9计划生 命周期30 ao 海王星计划的最终目标就是建立区域性的 长期的 实 时的交互式海洋观测平台9在几秒到几十年的不同时间尺 度 几微米到几千米的不同空间尺度上进行多学科的测量 和研究o其主要研究方向包括了深海的三大领域 一是板块 构造研究9特别是美 加西海岸外的板块构造9主要用来预 测地震可能发生的地点及其所产生的影响 二是海洋对气 候的影响以及南部富氧洋流9而南部富氧洋流对太平洋沿 岸生态和鱼产量都有着决定性的影响 三是各种深海生态 系统研究9观察这些由成千上万种生物组成的各种生态环 境在自然环境变化时作出的反应o这个计划预计设立33个 观测中心9每个中心将安装摄像头 监测海水物理化学变化 的遥感器 地震监测站 测量洋流的水文仪器 温度计 养 分测量器和海底钻头等9利用水下光缆 电缆组成传感器网 络9实现与深海环境动力过程的实时交互o 作为海王星计划的原型试验9美国和加拿大分别建立 了 小 型 试 验 观 测 系 统 mars monterey accelerated research system 和venus victoria experimental 收稿日期 2006 02 18 network under the sea o对海王星计划涉及的相关技术进 行了试验9取得了良好的试验结果9进一步验证了海王星计 划的可行性o 2 海王星系统组成 海王星计划环绕 n胡安 德富卡 板块在500 km 1 000 km的海域铺设3 000 km 长的光缆 电缆9进行为量化 海洋学与板块相关过程间的关系而设计的实时 四维 3 d加时间 实验o具体海底观测网络布局如图1所示 图1海王星系统观测布局 海王星海底观测系统从功能上主要包括水下通讯控制 链路系统和数据管理系统9其中水下通讯控制链路系统又 划分为四个子系统 供电子系统 通信子系统 定时子系统 监控子系统o它们与相关硬件设备一起实现科学家用户与 传感器 传感器网络数据间的实时交互o如图2所示 2 1 供电子系统 负责整个系统的电能供给与管理9决定着整个系统的 生命周期o该系统分散在三部分 岸站 电缆 仪器接口o 第25卷第3期 2006年9月 海洋技术 ocean technology vol 259no 3 sept92006 图2海王星系统基础架构组成 岸站负责将有用功率转化为适于电缆传输的形式 并且控 制负载o仪器接口作为海底电能的远程终端节点 负责传输 稳定的低压电 监听供电系统命令 执行负载管理和转发与 保护功能o如图3 图4分别给出了岸站和水下节点的供电 接口示意图o 图3岸站供电功能接口 图4节点供电功能接口 2 2 通信子系统 主要功能是用电缆或光缆在岸站和水下节点之间建立 高速链路o岸站类似于internet上的服务器站点 负责多用 户 多接口的通信需求 包括用户与岸站间数据与元数据的 传输 岸站与水下间请求与命令的传输 以及监视通信系统 性能 提供防火墙 提供必要的缓存等o水下节点由单个或 多个仪器组成 每个节点可作为海底通信系统的远程终端 采用网状拓扑结构 每个节点可存储毗邻节点表或与非毗 邻节点间的路由表 通过冗余与交叉连接 这样当网络拓扑 结构发生变化时或某些节点出现异常时 可实现资源共享 以保证整个网络的稳定性与可靠性o此外 节点还负责协议 转化 提供必要缓存 分发时间信号等o图5 图6给出岸 站 水下节点通信功能接口示意图o 图5岸站通信功能接口 图6节点通信功能接口 2 3 定时子系统 对科学实验来说 无论是测量数据还是系统同步 都要 求准确而精确的时间量 这就需要一个时间信号分发的参 考标准o该子系统负责为整个系统提供精确的时间信号 不 同于其它系统的是采用单向设计o时间在岸站设定 然后分 发给仪器和数据获取系统进行时间定标o如图7所示o时间 的修正采用下面公式 t t t t0 r t t0 l 2d t t0 式中 t 为当前时间 t 为在最近更新时间t0上的偏移量 r 6l 海洋技术第25卷 为频率偏移量g d为长期漂流g 通过重置时钟将t减少为 og 通过调节振荡器频率来减少频率误差 rg 纠正前两个误 差的任何一种方法都可以用来纠正漂流误差 dg 图7定时子系统功能 z 4 监控子系统 负责对供电系统和通信系统进行持续监控g当环境观 测发生变化时 利用该系统的监控信息调整网络电能或通 信资源的分配g该系统允许操作人员远程控制重新配置电 能网络 包括必要时断开与用户的连接 同时 允许操作人 员干涉和解决通信拥挤或断开的问题g图8给出了监控子 系统与供电和通信系统的接口功能示意g 图8监控子系统功能及与供电与通信系统间的接口 z 5 数据管理系统 数据管理系统本质上是一软件系统 负责接收与存储 来自海底观测设备的数据 并将数据传输给用户 同时监控 海底设备的运行状态g具体功能要求如下 1 能够接收来 自海底观测系统的数据流 并能随数据流的变化进行相应 的处理g z 能够对数据进行长期存储 并可提供多种存储 方式的转变和移植g 3 数据存储格式是标准的 目前为 xml格式 数据访问机制是友好的g 4 系统是可扩展的 包括仪器数据的改变和用户需求的改变 与已有海洋数 据系统间是可集成的g 5 系统安全机制对于数据文件的接 收与传输是授权控制的 并且保护未授权的仪器控制g 3 海王星系统的关键技术 海底观测系统是一项复杂的工程系统 除在水下布设 以外涉及到多方面技术问题 主要有 1 水下传感器网络是海王星系统实现的关键部分 主 要由传感器 接线盒 rov auv 电缆及其它仪器等组成 涉及关键技术包括供电技术 通信技术 定时与定位技术 rov auv技术 传感器技术 深海仪器研制与安装维护技 术 数据管理技术g z 供电技术包括岸站电能供给 电缆电能传输 节点 电能分配等技术g难点在于如何保证系统正常稳定运行 这 要求采用合理的供电策略与供电方式为海底仪器设备供 电 显著特点就是海水回流的利用g 3 通信技术 包括网络协议 通信带宽 节点连接方 式等技术g在满足上述功能的同时还要考虑以下三个因素 一是尽可能利用cot 组件降低成本 提高可靠性g二是技 术必须在需满足需求的同时避免额外特征的复杂性g三是 满足某些特定需求如 适当大小的压缩包 适度的电能消 耗 高可靠性与容错能力 简单而有效的管理 可升级能力 等g 4 定时与定位技术 包括时间信号校准与传输技术 仪器设备的故障定位技术g 5 rov auv技术 包括数据转驳 供电 控制 导 航 定位等技术g 6 传感器技术 包括深海ctd剖面仪技术 大深度 的声相关海流剖面测量技术 相控阵adcp技术 以及生物 与化学传感器技术等g 7 深海仪器的研制 安装与维护技术 包括 节 点 设 备 灯光仪器 摄像仪器 运载设备以及电缆等g 8 数据管理技术 包括节点数据处理技术 岸站数据 处理与存储技术 数据共享访问技术 及数据质量控制技术 等g 4 结束语 海底观测平台已成为继对地观测的空中 陆地 海洋之 后的第四个平台g海底观测系统在海洋预测 海洋科学研 究 海洋资源开发 地震观测 国家安全等方面具有重大的 科学和现实意义 目前已成为国际竞争的焦点技术领域 除 了美国和加拿大联合推出的海王星计划外 欧洲有关国家 联 合实施了欧洲海床观测网络计划e onet european 71 第3期罗续业等 海王星海底长期观测系统的技术分析 seafloor observatory network 9其观测范围 从挪威海域 到 地中海 亚洲日本也推出了arena advanced real time earth monitoring network in the area 计划0而我国 在深海观测研究领域9无论是科学成果还是技术水平9都远 不能与发达国家相比0因此9当务之急就是制定深海观测发 展战略计划9发展海底观测技术9建立海底观测试验系统0 深海观测发展战略计划是发展我国海底观测技术的前 提9是立体监测系统计划的重要组成部分0深海研究的高技 术集中 经费投入大9必然走国际合作研究与自主创新相结 合之路0要在国际合作研究中提升我国科技实力9需要制定 符合国内需求 有利于与国际接轨的战略发展计划0 发展我国海底观测技术9进行海底组网技术研究与试 验9包括海底观测网络节点的供电与通信集成技术9深海传 感器技术 ro au 技术9数据处理与管理技术等9将我 国海洋观测技术不断推向深海大洋0 利用6十五 863取得的海床基观测系统 水下生态自 动观测站等课题技术成果9针对特定应用目标建立水下多 节点 小区域海底观测试验系统9为实现我国海洋环境立体 监测系统的建设目标奠定技术基础0 参考文献 1 9neptune feasibility study prepared for the national oceanographic partnership program nopp 9 june 2ooo 2 9 institute for pacific ocean science s technology9 october 2ooo 3 9bruce m owe and timothy mcginnis9applied physics laboratory9 university of washington 4 http www neptune washington edu 5 http www neptunecanada ca a technology analysis of neptune luo xu ye 19 li yan2 1 nc zoncl mcrzne dc c slnformc zon seruz e9 tzcnjzn 3oo171 chznc 2 nc zoncl o ecn te hnology cen er9 tzcnjzn 3oo1119 chznc abstract the neptune north east pacific time series undersea networked experiments developed by us and canada has been reputed as 6underwater ubble ere introduce