王永鼎，陳小鋒

(上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306)

0 引言

2020年7月31日上午，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS-3）正式開通[1].近幾年，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)正在逐步進(jìn)入國民生產(chǎn)生活的各個(gè)部分，許多通訊公司已成功研制兼容BDS的導(dǎo)航芯片，并向各行業(yè)推廣.BDS未來也將在我國的海洋漁業(yè)、海洋工程裝備、遠(yuǎn)洋通信等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，服務(wù)于我國的現(xiàn)代化建設(shè)和國民的日常生活.

無論是在近淺海或是深遠(yuǎn)海域，由于海洋面積廣闊，海洋環(huán)境復(fù)雜多變，波浪起伏的海面上無法像陸地一樣定點(diǎn)安裝通信基站或者供電基站，海上設(shè)備的能源供應(yīng)（如電力供應(yīng)）和信息傳輸（如與岸基數(shù)據(jù)傳輸和通信）一直制約著海上設(shè)備的陣列化和大型化發(fā)展.海洋能發(fā)電裝置尤其如此.海流機(jī)在實(shí)現(xiàn)離岸化的過程中，與岸基的通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐栴}一直以來是困擾海洋能開發(fā)的棘手問題之一.海流機(jī)的工作狀態(tài)、故障信息檢測、海上精確定位、數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制等問題是近幾年海洋設(shè)備研發(fā)的熱點(diǎn)問題之一.將BDS短報(bào)文通信應(yīng)用到新型海流機(jī)中，是探索解決海流機(jī)離岸化過程中通信問題的有效途徑.

1 海流機(jī)工況分析

潮流能是離海岸線距離最近的一種海流能形式[2].2000年杭州灣跨海大橋橋址潮流調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，多處潮流流速達(dá)4～5m/s，最大可達(dá)5m/s以上，可見我國綿長的海岸線蘊(yùn)含豐富的海流能，開發(fā)應(yīng)用前景廣闊.據(jù)有關(guān)資料記載，在我國東南沿海地區(qū)，海洋表面水流速度約2.1m/s，平均流速約1.7m/s.海流機(jī)實(shí)際工作在水深1.2～3.0m，來流水速在1.58～1.99 m/s之間，平均速度約為1.8m/s[3].以半徑R為3.15m、設(shè)計(jì)功率為100 kW的水平軸海流機(jī)為例，表1是該機(jī)型常見的三種工況.

表1 三種常見工況

其中P表示在該工況下的葉片表面載荷.水平軸海流機(jī)通常系留在近海的海底，運(yùn)行工況比較復(fù)雜多變，葉片和傳動(dòng)系統(tǒng)等設(shè)備的日常檢修和維護(hù)，故障檢測等比較困難，因此傳感器和檢測裝備與岸基的通信和數(shù)據(jù)傳輸顯得尤為重要.

2 海流機(jī)的定位和短報(bào)文通信

BDS-3包括有源和無源雙模體制，具有定位、測速、授時(shí)和短報(bào)文通信等功能.BDS由空間的北斗衛(wèi)星、主控站和若干地面站、用戶端的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)芯片三部分組成[4].

2.1 海流機(jī)實(shí)時(shí)定位

在研制海流機(jī)的過程中，經(jīng)常需要進(jìn)行小型樣機(jī)的海試實(shí)驗(yàn)，由于海況的不確定性，試驗(yàn)樣機(jī)的丟失時(shí)有發(fā)生，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，樣機(jī)的實(shí)時(shí)定位意義重大.BDS具有兩種工作模式，衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)（RNSS）模式只能進(jìn)行定位，但可實(shí)現(xiàn)每秒定位.衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)（RDSS）模式可同時(shí)進(jìn)行定位和雙向短報(bào)文通信，頻率為1次/m in.因此BDS-RNSS可以對(duì)海流機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度的實(shí)時(shí)定位.假設(shè)海流機(jī)坐標(biāo)（X0，Y0，Z0），定位衛(wèi)星坐標(biāo)為（Xi，Yi，Zi），i=1,2,3,4，據(jù)此可得如下公式：

式中：C為衛(wèi)星信號(hào)的速度，Di為衛(wèi)星i與海流機(jī)的直線距離，?ti衛(wèi)星信號(hào)從衛(wèi)星到達(dá)海流機(jī)的時(shí)間，Vti和Vt0分別為衛(wèi)星和海流機(jī)的時(shí)鐘差[5].

2.2 海流機(jī)與岸基短報(bào)文通信

海流機(jī)在實(shí)際工作過程中需要采集的數(shù)據(jù)有很多，例如葉片表面載荷、葉輪轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)、發(fā)電機(jī)實(shí)際功率、電流電壓大小、海流溫度、流速等.海流機(jī)的故障檢測、與控制總站的遠(yuǎn)距離通信和數(shù)據(jù)傳輸都需要一種高效的通信方案，在此選用短報(bào)文通信解決這些問題.

BDS-RDSS的短報(bào)文傳輸帶寬由用戶卡決定，每張用戶卡有兩個(gè)參數(shù)，傳輸容量和傳輸頻率.其中單個(gè)用戶卡的傳輸容量為7～120漢字/次，即報(bào)文最大長度為120 B/條，傳輸?shù)念l率為1次/min或者2～3次/min，這取決于ID卡級(jí)別.若按照單向1次/m in數(shù)據(jù)傳輸計(jì)算，每條短信報(bào)文容量約100 B，單張用戶卡可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為6 KB/h，60KB/10 h，144KB/d[6].

3 數(shù)據(jù)位拼接-LZW兩重?cái)?shù)據(jù)壓縮

BDS-RDSS相比于其他幾個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)功能已非常先進(jìn)，但單次允許的傳送數(shù)據(jù)量小，單次傳輸不超過78 B的二進(jìn)制數(shù)據(jù)[7].其次，相鄰兩次通信至少間隔1m in.如果數(shù)據(jù)量過大，一個(gè)完整數(shù)據(jù)包完成傳輸將經(jīng)過較長時(shí)間.海流機(jī)未來的陣列化和大型化發(fā)展所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，很難在有限時(shí)間內(nèi)完成傳輸.目前BDS通信是根據(jù)用戶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量收費(fèi)的，衛(wèi)星通信的費(fèi)用會(huì)隨著設(shè)備工作時(shí)間的增長而遞增，這必然導(dǎo)致海洋能發(fā)電成本大幅增加，影響海洋能的開發(fā)利用和商業(yè)化發(fā)展進(jìn)程[8-10].基于上述情況，需考慮將數(shù)據(jù)壓縮應(yīng)用到BDS短報(bào)文通信中.

位拼接是指在位的層面將數(shù)據(jù)拼接，節(jié)省數(shù)據(jù)間的位空間浪費(fèi)[7].海流機(jī)的參數(shù)量都有固定類型，而且都在一定范圍內(nèi)，比如流速在0～10m/s，葉輪轉(zhuǎn)速在1.5～6 rad/s之間.故可根據(jù)上述物理量的實(shí)際范圍，來確定最小的數(shù)據(jù)表達(dá)位數(shù).

在數(shù)據(jù)采集端，只需將各類物理量對(duì)應(yīng)的最小位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)在位的層面拼接起來，再斷截為字節(jié)；在數(shù)據(jù)接收端，用位拼接算法反解出各物理量，再加上偏移量便得到所需數(shù)據(jù)值.位拼接具有顯著的節(jié)省位空間的優(yōu)點(diǎn).海流機(jī)的20多種數(shù)據(jù)需要155 B，位拼接壓縮后只需55 B，有效節(jié)省了100 B的空間，壓縮率約為28%.

LZW無損壓縮是1984年TA Welch對(duì)LZ編碼中的LZ78算法修改而成的一種字典壓縮算法，是對(duì)LZ78算法的改進(jìn)[7].LZW算法（串表壓縮算法）的高效在于字典是在編解碼過程中動(dòng)態(tài)形成且不必將字典傳給解碼器.LZW算法基本思想是根據(jù)待壓縮的字符流，動(dòng)態(tài)生成一個(gè)字典，將輸入字符串映射成定長的碼字輸出，具體流程如圖1和圖2所示.

圖1 LZW壓縮算法

圖2 LZW解壓縮

4 海流機(jī)主控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于BDS的海流機(jī)主控制系統(tǒng)由泰斗微電子設(shè)計(jì)研發(fā)的TD3201型BDS-RDSS通信模塊和BDS-RDSS天線、STM 32F103VBT6型單片機(jī)、W 25Q128FVSIG型Flash芯片、數(shù)據(jù)采集器和電源等構(gòu)成[4].數(shù)據(jù)采集模塊用于采集通信協(xié)議中所列數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)經(jīng)過加密和壓縮后，通過RS485串口總線進(jìn)入STM 32F103VBT6單片機(jī)中，由BDS通信終端通過衛(wèi)星發(fā)送給地面.BDS地面控制中心接收數(shù)據(jù)，通過RS485總線將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)庫，主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)庫中的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將結(jié)果發(fā)送給客戶端.STM 32F103VBT6型單片機(jī)具有數(shù)據(jù)延時(shí)收發(fā)、時(shí)鐘信號(hào)控制、BDS通信控制等功能，同時(shí)具有2MB的Flash存儲(chǔ)容量和128 KB的RAM存儲(chǔ)容量，數(shù)據(jù)處理較快，滿足系統(tǒng)要求.圖3是海流機(jī)主控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，包括閃存、單片機(jī)、電源降壓等模塊.一體機(jī)通過串口與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互.RS485接口電路采用差分電平進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有較強(qiáng)的抑制共模干擾能力，適合數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，最大傳輸距離可達(dá)3 000m[4].

圖3 主控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

工作原理：數(shù)據(jù)采集模塊通電后，主控制系統(tǒng)先對(duì)數(shù)據(jù)采集終端的各類傳感器、BDS-RDSS等模塊進(jìn)行初始化，然后對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行循環(huán)檢測，當(dāng)檢測到BDS信號(hào)后，以10 s/次的頻率讀取所有傳感器的數(shù)據(jù)緩存，當(dāng)BDS模塊1m in發(fā)送間隔時(shí)間到達(dá)后，把6次緩存的海流機(jī)數(shù)據(jù)通過BDS模塊發(fā)送到岸基數(shù)據(jù)中心.當(dāng)個(gè)別數(shù)據(jù)采集周期比較長時(shí)（比如10m in/次），系統(tǒng)會(huì)在數(shù)據(jù)采集完后，讓BDS功耗較大的模塊處于休眠模式，在下次采集周期開始時(shí)自動(dòng)喚醒，以節(jié)約功耗，保護(hù)設(shè)備.

5 海流機(jī)-岸基通信協(xié)議和方案

BDS通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸單元是BDS通信協(xié)議下的短報(bào)文.BDS短報(bào)文的數(shù)據(jù)類型采用ASCII碼和BCD碼結(jié)合的方式，ASCII碼用于表示漢字，BCD碼用于表示阿拉伯?dāng)?shù)字.海流機(jī)和岸基通信協(xié)議[9-13]和通信原理圖如表2所示.

表2 海流機(jī)-岸基通信協(xié)議

表2 （續(xù)）

根據(jù)王世明等[10]設(shè)計(jì)的海上設(shè)備與岸基的通信方案，本著節(jié)約經(jīng)費(fèi)，提高設(shè)備利用率的原則，在其通信方案的基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化.初步擬定如圖4所示的通信方案，方案的具體實(shí)施因設(shè)備的差異而有所不同.

海流機(jī)上的各類傳感器和故障監(jiān)測系統(tǒng)等采集的數(shù)據(jù)，利用BDS海上用戶機(jī)的收發(fā)功能，經(jīng)過BDS中繼后傳輸給岸基控制站.地面控制站將海量數(shù)據(jù)存入大型數(shù)據(jù)庫或者云端存儲(chǔ)，然后再將數(shù)據(jù)存入上海海洋大學(xué)本地?cái)?shù)據(jù)庫，利用主機(jī)進(jìn)行解碼和數(shù)據(jù)處理，將結(jié)果發(fā)送到PC端.通過以上路線，用戶可以對(duì)海流機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和發(fā)出指令，并通過數(shù)據(jù)分析了解實(shí)時(shí)發(fā)電狀況和海況信息.整體方案的各模塊的組成如圖5所示.

數(shù)據(jù)采集包括海水溫度、海水流速、裝置振動(dòng)、故障檢測、數(shù)據(jù)傳輸、發(fā)電情況等信息.主控中心根據(jù)海況對(duì)海流機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出指令，及時(shí)調(diào)整槳葉攻角，避免海流機(jī)因惡劣海況導(dǎo)致轉(zhuǎn)速波動(dòng)大、發(fā)電不穩(wěn)定、設(shè)備發(fā)生共振等不良現(xiàn)象.終端對(duì)數(shù)據(jù)庫的訪問通過Java語言開發(fā)的VS2010軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，如圖6所示.

圖4 海流機(jī)-用戶通信示意圖

圖5 各模塊組成圖

圖6 用戶機(jī)界面

6 結(jié)束語

BDS通信的短報(bào)文和有源-無源雙模定位功能可在未來幾年為海洋裝備的海上作業(yè)提供高效精確的通信和導(dǎo)航定位服務(wù)，進(jìn)一步推動(dòng)我國海洋能的開發(fā)進(jìn)程.通過BDS-RNSS實(shí)現(xiàn)高效實(shí)時(shí)定位，BDS-RDSS短報(bào)文通信有效解決海流機(jī)與岸基之間的遠(yuǎn)距離通信和數(shù)據(jù)傳輸問題.將位拼接-LZW兩重?cái)?shù)據(jù)壓縮應(yīng)用到數(shù)據(jù)采集終端，可保證數(shù)據(jù)的高效，快速傳輸.擬定海流機(jī)主控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行初步驗(yàn)證.結(jié)果表明，總體通信過程合理，可以實(shí)現(xiàn)海流機(jī)至岸基用戶的有效通信.下一步待解決的問題是如何在降低成本的前提下，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)海上裝備和岸基之間高效、安全、快速的遠(yuǎn)距離通信.