李文彬，張少永，商紅梅，鄔海強

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

基于新一代Argos衛(wèi)星系統(tǒng)的表面漂流浮標設(shè)計

李文彬，張少永，商紅梅，鄔海強

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

介紹了改進的表面漂流浮標的功能、組成和設(shè)計過程。該浮標加裝了Argos衛(wèi)星收發(fā)器和GPS模塊，相比目前的表面漂流浮標，該浮標具有數(shù)據(jù)傳輸有效性高，功耗低，采集數(shù)據(jù)量大，可雙向通信等特點。浮標在布放后可通過網(wǎng)絡申請對浮標參數(shù)進行設(shè)置，再由衛(wèi)星將設(shè)置參數(shù)發(fā)送給浮標；浮標利用GPS模塊對其直接定位，且定位精度顯著提高。浮標測量的數(shù)據(jù)可服務于水產(chǎn)養(yǎng)殖、環(huán)境保護和生態(tài)治理、氣象和海洋監(jiān)測預報、軍事監(jiān)測等多個領(lǐng)域。

表面漂流浮標；PMT；數(shù)據(jù)傳輸

近十幾年來,隨著衛(wèi)星跟蹤觀測技術(shù)的發(fā)展,越來越多的衛(wèi)星跟蹤浮標 (主要有表面漂流浮標及ARGO剖面浮標)被用來觀測海流。Argos系統(tǒng)是在衛(wèi)星跟蹤浮標中應用十分廣泛的衛(wèi)星系統(tǒng)。Argos系統(tǒng)中衛(wèi)星發(fā)射平臺將各種傳感器測量環(huán)境要素按照一定格式向上發(fā)射給衛(wèi)星。衛(wèi)星接收到衛(wèi)星收發(fā)器的信號，一方面從經(jīng)過調(diào)制的載波中提取出測量數(shù)據(jù)，另一方面根據(jù)定位計算的需要測量載波本身的多普勒頻率偏移值，然后把這兩類數(shù)據(jù)向下轉(zhuǎn)發(fā)給地面各種接收站。地面站接收到數(shù)據(jù)后先進行初步處理，再轉(zhuǎn)送到數(shù)據(jù)處理中心進行最后處理，形成文件，并通過各種途徑把結(jié)果分發(fā)給用戶。

表面漂流浮標是一種隨流漂移、利用Argos衛(wèi)星系統(tǒng)定位、具有數(shù)據(jù)實時傳輸功能的海洋儀器，浮標裝載溫度傳感器來獲取表層水溫，用拉格朗日法大尺度測量表層流速和跟蹤海流走向，并由此分析觀測海域海流及水體表層溫度的分布特征，進一步認識和了解觀測海域的表層海流及其流路等。然而在實際應用中由于天氣、海況等因素，如果Argos衛(wèi)星接收到由漂流浮標發(fā)送的數(shù)據(jù)次數(shù)較少（少于4條），就導致其無法計算出浮標的準確定位。由于沒有浮標的定位信息，搭載Argo的衛(wèi)星發(fā)射器（PTT）的浮標所采集的數(shù)據(jù)也就無效。由于Argos衛(wèi)星發(fā)射器是單向通信，無法得知衛(wèi)星過頂時間，只有按照一定的時間間隔不間斷的發(fā)送浮標采集的數(shù)據(jù)。當沒有衛(wèi)星過頂時，衛(wèi)星就接收不到Argos衛(wèi)星發(fā)射器發(fā)送的數(shù)據(jù)，增加了整個系統(tǒng)的功耗，減少了浮標的工作壽命。

新一代的Argos衛(wèi)星收發(fā)器（PMT）具有雙向通信、衛(wèi)星過頂時間可預測、大容量數(shù)據(jù)存儲和較高的數(shù)據(jù)上傳速率等特點。本文研究的主要目的是根據(jù)衛(wèi)星收發(fā)器的特點，將其應用在表面漂流浮標上，當衛(wèi)星過頂時，衛(wèi)星收發(fā)器發(fā)射浮標搭載傳感器采集到的數(shù)據(jù)；當衛(wèi)星離開后，衛(wèi)星收發(fā)器停止發(fā)射以減少系統(tǒng)功耗，延長漂流浮標工作壽命；同時，在浮標上搭載GPS模塊，對于每次測量點的位置信息都可以通過GPS模塊獲得，保證每次測量數(shù)據(jù)的有效性。

在2006年，法國發(fā)射第一顆Argos-3衛(wèi)星（METOP A），在2009年發(fā)射第二顆Argos-3衛(wèi)星，并在未來幾年還要發(fā)送2～3顆Argos-3衛(wèi)星。而表面漂流浮標搭載的衛(wèi)星通信系統(tǒng)基本是第二代Argo衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星發(fā)射器（PTT）。目前，我國生產(chǎn)的漂流浮標還沒有搭載可雙向通信的衛(wèi)星收發(fā)器，并且在其他觀測浮標也沒有搭載這種衛(wèi)星收發(fā)器。而雙向通信的衛(wèi)星收發(fā)器的應用是將來衛(wèi)星通信系統(tǒng)的趨勢。

1 表面漂流浮標設(shè)計

1.1 表面漂流浮標系統(tǒng)組成

系統(tǒng)在水面漂流時，主要受到海流、波浪和風的作用。由于浮標既要用拉格朗日法測流，又要獲取海表面其它參數(shù)數(shù)據(jù)，因此在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計上，既要保證浮標具有很好的隨流性，又要滿足其它傳感器測量對安裝位置的要求。浮標結(jié)構(gòu)主要由標體和水帆組成，如圖1所示，其中浮標標體為圓柱形密封殼體，由上端蓋和下端蓋組成。殼體材料選用非金屬材料，各處連接采用O形圈密封。殼體直徑約140 mm，高約800 mm（不含天線），耐壓和密封性能達0.1 MPa。標體內(nèi)部裝有控制模塊、通訊模塊、GPS模塊和電池組。水帆呈“十”字交叉狀，與標體上下端蓋連接，可拆卸。水帆的作用是使整個浮標有良好的隨流性，提高海流測量和海流跟蹤的準確性。同時浮標重量、浮力的配置安裝盡可能使浮標露出水面部分很小。

圖1 表面漂流浮標結(jié)構(gòu)圖

浮標總體設(shè)計：總高約1.6 m；水帆展開尺寸1140 mm×800 mm。

總體積約22.4 L；排水體積約18.7 L；重心高度約458 mm；穩(wěn)心高度525 mm。

浮標橫搖固有周期為2.5 s，在5級海況下，波浪作用下最大橫搖角為11.2°。

浮標縱蕩運動激發(fā)力只有波浪力，浮標自由縱蕩運動固有周期為1.49 s，5級海況下，最大振蕩幅值約為300 mm。

表面漂流浮標主要由電源系統(tǒng)、溫度傳感器、浸沒傳感器、數(shù)據(jù)采集處理電路、Argos通訊電路、GPS模塊、天線等組成。

1.2 表面漂流浮標的主要功能

該浮標功能：浮標布放后按照預定采樣間隔采集溫度數(shù)據(jù)和位置信息，通過接口將測量數(shù)據(jù)發(fā)送給衛(wèi)星收發(fā)器，衛(wèi)星收發(fā)器對數(shù)據(jù)進行暫存，當Argos衛(wèi)星過頂時，衛(wèi)星收發(fā)器自動向衛(wèi)星發(fā)射數(shù)據(jù)。該衛(wèi)星收發(fā)器發(fā)射周期的缺省值為90 s，用戶可通過衛(wèi)星對衛(wèi)星收發(fā)器的發(fā)射周期修改，其發(fā)射周期可在30～255 s之間選擇，當浮標進入重點海域后，用戶可通過衛(wèi)星向浮標發(fā)送命令減少浮標工作間隔，增加對該海域的觀測密度；該浮標還可將每20次測量數(shù)據(jù)作為一個數(shù)據(jù)包寫入衛(wèi)星收發(fā)器，當Argos-3衛(wèi)星經(jīng)過時，利用衛(wèi)星收發(fā)器的高速模式將該數(shù)據(jù)包發(fā)送，確保測量的數(shù)據(jù)不丟失；該浮標發(fā)送的數(shù)據(jù)中包括浮標的位置信息，可將浮標的數(shù)據(jù)加密后發(fā)出，同時將Argos衛(wèi)星中心計算的位置信息屏蔽，保證數(shù)據(jù)的保密性。相對于原先漂流浮標僅返回衛(wèi)星經(jīng)過時浮標測量的溫度數(shù)據(jù)，這種加裝GPS的漂流浮標可以將每個測量點的溫度數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星發(fā)回，其測量密度大大增加，且真實的反映海流的流向。

1.3 Argos系統(tǒng)衛(wèi)星收發(fā)器

Argos衛(wèi)星收發(fā)器如圖2所示，其主要指標:

上傳頻率：401.65 MHz；

下載頻率：465.987 5 MHz；

調(diào)制方式：相位調(diào)制；

位速率：4 800 bps，9 600 bps；

電源：DC，5.5～14 V；

靜態(tài)電流：90 μA；

發(fā)射功率：1～5 W。

根據(jù)不同的需要，Argos衛(wèi)星發(fā)射平臺可以組裝成各種不同的形式，例如可以安裝在浮標等各種平臺上進行數(shù)據(jù)采集、傳輸，可以安裝在動物身體上進行動物的遷徙跟蹤等。

1.4 GPS模塊

本浮標選用美國GARMIN的12通道GPS接收機，如圖3所示。該產(chǎn)品的主要指標：

（1） 電氣指標

輸入電壓：DC，4～5.8 V；輸入電流：140 mA（峰值）；接收機靈敏度：-165 dBW（最?。?/p>

（2） 技術(shù)指標

通道數(shù)：12；冷啟動：45 s；定位時間：5 min（最長）；更新率：1 s；定位精度：≤15 m（95%）

（3） 物理指標

尺寸：46.48 mm×69.85 mm×11.43 mm；重量：38 g

（4） 環(huán)境指標

工作溫度：-30～80 ℃；存貯溫度：-40～90 ℃

圖2 衛(wèi)星收發(fā)器

圖3 GPS接收機

2 數(shù)據(jù)采集控制電路設(shè)計

數(shù)據(jù)采集控制電路的功能是按照預定的時間間隔對海區(qū)進行實時數(shù)據(jù)采集并存儲采集的數(shù)據(jù)；控制GPS模塊，并通過GPS模塊獲得浮標的即時位置信息；將傳感器采集的數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)寫入衛(wèi)星收發(fā)器，控制衛(wèi)星收發(fā)器工作，通過衛(wèi)星將采集的數(shù)據(jù)返回到地面用戶進行處理；處理衛(wèi)星收發(fā)器接收的下載命令，根據(jù)下載命令改變浮標的工作參數(shù)。

2.1 浮標電路硬件設(shè)計

圖4 浮標電路框圖

該數(shù)據(jù)采集控制電路以美國微芯（Microchip Technology）公司8位單片機PIC16F877為核心，帶有電源變換、實時時鐘、外部串行EEPROM數(shù)據(jù)存貯器、外部A/D、串行異步通訊接口等外圍電路。

為了保證整機的長時間可靠運行，要求數(shù)據(jù)采集控制電路進行耐低溫和低功耗設(shè)計，主要采取了以下措施：

（1）選用耐低溫的低功耗PIC16F877單片機。PIC16F877單片機的特點是采用14位的精簡指令集（RISC）、低功耗、高速度、體積小、功能強、耐低溫。并且此型號的單片機內(nèi)部帶有EERPROM存貯器、A/D轉(zhuǎn)換器、I2C接口、異步串行通訊（USART）接口、FLASH程序存貯器等。

目前該單片機開發(fā)工具除了微芯公司的匯編語言開發(fā)環(huán)境外，還有第3方提供的HI_TECH PICC C語言開發(fā)環(huán)境。

（2）外圍電路關(guān)鍵件選用軍品級或工業(yè)品級器件，并進行篩選和測試。

（3）整機電路板進行環(huán)境試驗，保證在-10～50℃仍正常工作。

（4）浮標體內(nèi)電路板盡可能安裝于浮標底部。當浮標布放后，電路板所處位置基本處于海水溫度范圍，避免氣溫劇烈變化影響電路正常工作。

2.2 浮標軟件設(shè)計

該浮標軟件設(shè)計主要考慮數(shù)據(jù)控制采集電路板對PMT的控制，浮標按照設(shè)定時間間隔采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)控制采集電路將每次采集的時間信息、溫度數(shù)據(jù)和浮標的位置信息存儲在數(shù)據(jù)存儲器中，同時將其寫入PMT。當衛(wèi)星過頂時，PMT將數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星返回到用戶。同時為防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中丟失，將每20次測量的數(shù)據(jù)作為高速率數(shù)據(jù)包寫入PMT中，當Argos-3衛(wèi)星經(jīng)過時，將該數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ谲浖O(shè)計中，程序考慮了以下措施：

（1）硬件和軟件設(shè)計中采用看門狗措施，在軟件中有抗干擾自復位功能，防止外部強干擾造成的死機。

（2）數(shù)據(jù)傳輸中加入CRC校驗，保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性和真實性。

（3）用戶向PMT傳送具有一定格式的下載命令，防止對PMT誤操作。

浮標的主要工作流程如圖5所示：

圖5 浮標程序框圖

3 試驗情況

經(jīng)過整機拷機試驗，浮標用電按15 min工作1次，每次工作1 min，在電池14.4 V供電情況下，浮標的靜態(tài)工作電流約為10 mA；GPS工作電流約為90 mA，每次工作40 s；PMT發(fā)射電流約為350 mA。每次工作約1 s，間隔為45 s，每天發(fā)射數(shù)據(jù)約700次；系統(tǒng)工作時平均耗電72 mA，按壽命600 d計算，可得總耗電為：

選用高容量、具有大電流輸出能力、小體積的ER34615鋰電池（單節(jié)3.6 V，12 Ah）作為浮標電源。采用4節(jié)電池串聯(lián)成組，考慮電源冗余，7組并聯(lián)的形式，共計電量 12×7=84 Ah。

通過改進浮標數(shù)據(jù)采集和傳輸方式，提高數(shù)據(jù)壓縮率，選擇合適的發(fā)射周期和采樣間隔，浮標將每條數(shù)據(jù)重發(fā)5次，并將每20次采集的數(shù)據(jù)作為高速率數(shù)據(jù)包寫入PMT中，當Argos-3衛(wèi)星通過時，PMT可以將高速率數(shù)據(jù)包發(fā)射出去。

圖6 用戶對PMT操作界面

用戶可通過Argos數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)站向PMT發(fā)射命令，PMT將下載命令傳給主控電路，主控電路根據(jù)命令改變浮標的工作參數(shù)。如圖6所示，用戶向浮標發(fā)射字符串：1045，其中10為該命令的字頭，45為浮標每次采樣的工作間隔，浮標每45 min采集1次數(shù)據(jù)；用戶也可向PMT發(fā)射命令改變PMT的發(fā)射數(shù)據(jù)的間隔。

根據(jù)浮標數(shù)據(jù)通信效果，通過計算和陸地連續(xù)拷機測試，數(shù)據(jù)傳輸有效率到達90%以上。

4 結(jié)論

（1）保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行裕和ㄟ^設(shè)置合適的浮標采樣間隔和發(fā)射周期，并采用PMT可發(fā)射高速數(shù)據(jù)包的功能，確保采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴?/p>

（2）降低浮標的功耗：由于浮標上搭載的衛(wèi)星收發(fā)器具有過頂可預測的功能，浮標只有衛(wèi)星過頂時才會發(fā)射數(shù)據(jù)，其發(fā)射數(shù)據(jù)的功耗可大大降低。

（3）提高位置精度：加裝GPS的漂流浮標測量點的位置精度大大提高。其浮標位置的誤差范圍由原來的1 000 m減小到30 m，通信費用不會因位置精度的提高而增加，而保持其費用不變。

（4）增加浮標測量點：該浮標可將每次測量的數(shù)據(jù)傳回，而不是傳回僅在衛(wèi)星通過時測量的數(shù)據(jù)，獲得的數(shù)據(jù)量大大增加。

（5）浮標具有雙向通信的功能，用戶可在浮標布放后修改在位浮標的工作參數(shù)，如浮標的采樣間隔、數(shù)據(jù)的發(fā)射周期等，以實現(xiàn)對不同海域的觀測方式。

[1]M Guigue.PMT RFM-YTR-3000 USER MANUAL.2010.

[2]商紅梅.使用Argos衛(wèi)星系統(tǒng)對Argo浮標進行定位和數(shù)據(jù)傳輸[J].海洋技術(shù)，2001，20（3）：41-43.

[3]余立中，山廣林.表層漂流浮標及其跟蹤技術(shù)[J].海洋技術(shù),1997,16（2）：1-11.

[4]吳少軍，劉光斌.實用低功耗設(shè)計－原理、器件與應用[M].北京：人民郵電出版社,2002.

[5]求是科技編著.PIC單片機典型模塊設(shè)計實例導航[M].北京：人民郵電出版社,2005.

[6]http://www.argos-system.com

Abstract：The function,component and design process of the improved surface drifting buoy are introduced.The platform message transceiver and GPS are mounted in the buoy.Compared to current surface drifting buoy,the improved buoy has the characteristics of large data transmission,low power consumption,large data collection and transmission in dual-way etc.The parameter of deployed buoy can be set through the web and sent to the buoy through the satellite in delayed time.Meanwhile,the buoy could be located through the GPS module and the precision of the buoy position can be appropriately improved.The application includes agriculture,environment protection,ecological treatment,meteorology and ocean monitoring and forecast and military measurement etc.

Key words：surface drifting buoy;PMT;data transmission

Design of Surface Drifting Buoy Based on Argos Satellite System

LI Wen-bin,ZHANG Shao-yong,SHANG Hong-mei,WU Hai-qiang
（National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

P715.2

A

1003-2029（2011）01-0001-05

2010-08-03

國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術(shù)重點實驗室2010年度開放基金項目（201001）

李文彬（1982－），男，山西人，碩士生；研究方向：海洋觀測技術(shù)。