段國文 馬力 李志成

（1.海軍裝備部裝備項目管理中心 北京市 610071 2.天津航海儀器研究所 天津市 300131）

我國領(lǐng)海面積位居世界前列，海洋生物、礦產(chǎn)、石油等資源豐富。進入21 世紀新時期，海洋已成為全球競爭的焦點，在我國經(jīng)濟發(fā)展格局中的地位更加突出，促使高科技海洋環(huán)境觀探測技術(shù)手段逐漸呈現(xiàn)多樣化，衛(wèi)星移動通信技術(shù)自主研發(fā)水平進一步提高，海洋環(huán)境集成監(jiān)測應用前景更加廣闊。為實現(xiàn)全天候獲取我國領(lǐng)海海洋環(huán)境信息，守護“水下國門”，需建設(shè)以固定式觀測、機動式觀測、投棄式觀測等多種手段組合的海洋環(huán)境立體監(jiān)測網(wǎng)，其中，以水下滑翔機為代表的機動式觀測手段在各海洋強國監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)和軍事保障應用中的作用日益凸顯。

水下滑翔機（AUG）是一種專用于水下環(huán)境監(jiān)測的機器人，可利用自身浮力和姿態(tài)角調(diào)整獲得推進力，根據(jù)需要搭載聲、光、溫、鹽等傳感器，完成海洋要素剖面數(shù)據(jù)的自動采集和傳輸，具有能耗低、續(xù)航強、可重復使用和大量投放的特點，適用于對大范圍海域的長期監(jiān)測。水下滑翔機研制始于1957 年美國海軍研究辦公室與華盛頓大學聯(lián)合研制的實驗性海底飛行器“SPURV”，并于90 年代進入成果爆發(fā)階段，相繼誕生了波浪能、太陽能混合驅(qū)動的Wave Glider 和Sterne Hybrid Glider 等水下滑翔機產(chǎn)品。經(jīng)過近40 年的攻關(guān)，我國在水下滑翔機及其監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)領(lǐng)域取得了諸多成果，中科院沈自所于2008 年研制出了我國首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、采用銥星通訊和GPS 導航的水下滑翔機，2014 年在南海完成剖面試驗，下潛深度首次突破1000 米，2017 年試驗了新研的“海翼1000”水下滑翔機，基于北斗短報文通信完成數(shù)據(jù)傳輸，連續(xù)工作時長達到3 個月；天津大學于2014 年自主研發(fā)了“海燕”號水下滑翔機，并在南海完成1500 米海深測試，連續(xù)工作30 天，航程突破600 千米；2020 年7 月，由天津大學和青島海洋試點國家實驗室共同研發(fā)的“海燕-X”水下滑翔機完成10619 米的潛深觀測，獲得了大量深淵的溫鹽、影像、聲學調(diào)查等資料，標志著我國在萬米級水下滑翔機關(guān)鍵技術(shù)方面取得重大突破。

海洋環(huán)境信息保障工作對數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性、保密性和完整性要求較高，水下滑翔機、波浪能滑翔器、長航程AUV 等平臺實測數(shù)據(jù)的岸海傳輸主要依賴衛(wèi)星通信，而銥星等國外衛(wèi)星雖然在傳輸速率和穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢，但不符合自主可控的要求，存在信息安全風險。本文對當前國內(nèi)外水下滑翔機常用的衛(wèi)星通信方式進行了對比，綜合考慮傳輸速率和數(shù)據(jù)安全兩個維度，選取國產(chǎn)的天通移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為岸海數(shù)據(jù)傳輸手段，設(shè)計了基于天通的水下滑翔機綜合監(jiān)測系統(tǒng)，獲取實測的海洋溫鹽剖面、環(huán)境噪聲等數(shù)據(jù)，完成設(shè)備和環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測，并聯(lián)合相關(guān)單位開展了海上試驗驗證。本文所做研究和試驗對于海洋環(huán)境監(jiān)測與應用項目的建設(shè)具有一定的參考意義。

1 水下滑翔機常用通信技術(shù)分析

水下滑翔機一般用于離岸200 海里以外的中遠海海洋環(huán)境觀測，受通信距離限制，不宜使用岸基移動通信和短波無線通信，國內(nèi)外水下滑翔機優(yōu)先選用的衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要有銥星、海事衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星、天通衛(wèi)星，配套的定位系統(tǒng)主要為全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)（BDS）。

銥星移動通信系統(tǒng)是美國摩托羅拉公司設(shè)計的全球性衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其衛(wèi)星網(wǎng)絡由66 顆環(huán)繞地球的低軌道衛(wèi)星組成，可提供覆蓋全球的通信服務，標準IP 的一般傳輸速率為128kbps，2019 年推出傳輸速率達704kbps 的Certus 寬帶服務；海事衛(wèi)星由國際海事衛(wèi)星組織聯(lián)合開發(fā)，可提供南北緯75°以內(nèi)的海陸空通信服務，通信速率4.8 kbps-492 kbps；北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國著眼國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主建設(shè)運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，融合了導航與通信能力，其北斗二號系統(tǒng)分鐘卡短報文單次通信數(shù)據(jù)量為78.5 字節(jié)，在我國浮標通信領(lǐng)域受到廣泛應用，北斗三號報文傳輸能力雖大幅提高，但尚未實現(xiàn)業(yè)務化運營；天通一號作為我國自主研發(fā)的第一套衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，首要任務是確保我國遭受嚴重自然災害時的應急通信，填補國家軍民自主衛(wèi)星移動通信服務的空白，全網(wǎng)建成將有4 顆衛(wèi)星，截止2021 年2 月已發(fā)射3 顆衛(wèi)星，覆蓋中國本土、中國領(lǐng)海、東南亞、北印度洋、部分西北太平洋等區(qū)域，通信速率為9.6kbps-384kbps，支持語音、短信、數(shù)據(jù)、視頻等業(yè)務，近年來多次應用于我國海洋環(huán)境觀測領(lǐng)域。

由表1 可知，銥星、海事衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星、天通衛(wèi)星各有優(yōu)缺點，在通信速率、傳輸穩(wěn)定性以及業(yè)務化成熟度方面，銥星最優(yōu)、海事衛(wèi)星其次，但兩者通信費用較高，且由英美等國家控制，存在數(shù)據(jù)安全風險。北斗二號能夠保證安全傳輸，但單次數(shù)據(jù)傳輸量不足80 個字節(jié)，難以確保諸如水下滑翔機、潛標、C-Argo 等大剖面數(shù)據(jù)的實時、完整傳輸，且北斗二號短報文通信卡目前資源緊缺，北斗三號報文通信業(yè)務化過渡尚未完成。天通衛(wèi)星通信雖投入使用時間較短，但通信速率、通信費用、數(shù)據(jù)保密性等方面優(yōu)勢明顯，在南海、東海等海域，已有多家涉海科研機構(gòu)使用天通衛(wèi)星通信開展海上平臺觀測數(shù)據(jù)的傳輸，因此，可以選用天通通信系統(tǒng)搭建水下滑翔機的海洋環(huán)境觀測數(shù)據(jù)傳輸鏈路。

表1： 水下滑翔機衛(wèi)星通信方式對比

2 水下滑翔機綜合監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成與信息流程

基于天通衛(wèi)星移動通信的水下滑翔機綜合監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計使用場景為中遠海海域，最大工作水深1500m，適應6 級以內(nèi)海況，系統(tǒng)主要由水下滑翔機、天通衛(wèi)星通信鏈路和岸基綜合處理與應用分系統(tǒng)組成。

本系統(tǒng)的水下滑翔機探測模塊配置CTD、矢量水聽器等傳感器，并搭配天通通信模塊。信息流程如圖1，各傳感器產(chǎn)生的信號，在數(shù)據(jù)采集與控制模塊完成匯集和處理，按照與岸基天通指揮機約定的傳輸協(xié)議，由滑翔機天通衛(wèi)星通信模塊經(jīng)天線定時發(fā)送給天通衛(wèi)星，天通衛(wèi)星將信號傳送至地面信關(guān)站恢復原始監(jiān)測數(shù)據(jù)，再將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送給岸基通信指揮機，指揮機接入岸基綜合處理與應用平臺的岸基應用分系統(tǒng)完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收、質(zhì)控、綜合管理與可視化等系列工作，此外，岸基應用分系統(tǒng)通過天通指揮機可發(fā)送指令信號，經(jīng)上述通信鏈路完成對海域水下滑翔機運動航線和觀測參數(shù)的調(diào)整，實現(xiàn)對水下滑翔機的遠程控制。

圖1： 數(shù)據(jù)傳輸流程

2.2 水下滑翔機結(jié)構(gòu)組成

水下滑翔機機體內(nèi)一般設(shè)置有兩個類似魚鰾的囊體，其中灌注了能夠?qū)崿F(xiàn)熱能與機械能相互轉(zhuǎn)化的輕于水的介質(zhì)，通過調(diào)節(jié)兩個囊體內(nèi)的介質(zhì)流向，改變滑翔機總體體積，從而利用重力和浮力實現(xiàn)沉浮運動，同時通過機翼和尾翼調(diào)整船體姿態(tài)，實現(xiàn)螺旋式、鋸齒式兩種航行軌跡的運動。

基于上述工作原理和使用場景，設(shè)計水下滑翔機結(jié)構(gòu)如圖2，滑翔機主體艙采用水密性優(yōu)良的耐壓強化材料制造，確保在深海海域的高抗壓性和防水滲透能力，天通衛(wèi)星通信模塊配置于機尾，在滑翔機上浮至水面時，完成實時定位、數(shù)據(jù)傳輸和指令接收，按需配置BD 和GPS 雙定位子模塊，2 個導流罩分別裝配在艙體頭部和尾部，水聽器置入艙體頭部內(nèi)獲取噪聲數(shù)據(jù)，CTD 置于艙體中后部內(nèi)獲取溫鹽數(shù)據(jù)，控制模塊和姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置位于艙體中部，以微處理器為核心，掌控滑翔機全程的運動規(guī)劃和觀測參數(shù)。

圖2： 水下滑翔機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計[9]

2.3 水下滑翔機通信協(xié)議設(shè)計

天通衛(wèi)星通信雖傳輸速率較高，但目前使用民用信道的窄帶接收機單次接收數(shù)據(jù)量上限為180 字節(jié)，單次發(fā)送上限為200 字節(jié)，水下滑翔機一個完整剖面的觀測數(shù)據(jù)一般大于5000 字節(jié)，需要進行分包傳輸設(shè)計。

在充分考慮觀測數(shù)據(jù)需求與衛(wèi)星通信能力關(guān)系的基礎(chǔ)上，為減輕衛(wèi)星通信資源負擔，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，簡化了傳輸內(nèi)容，設(shè)計了由數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和遠程控制協(xié)議組成的水下滑翔機通信協(xié)議體系，如圖3，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議規(guī)定了本地終端狀態(tài)查詢指令和加密傳輸數(shù)據(jù)格式，本地終端狀態(tài)查詢一般滿足查看本地終端GPS/BD 的設(shè)置參數(shù)、設(shè)定定位信息發(fā)送間隔、查看當前天通信號強度等需要，加密傳輸數(shù)據(jù)格式主要滿足定位數(shù)據(jù)和觀測要素數(shù)據(jù)的傳輸需要，協(xié)議中約定開始標識符、日期時間、經(jīng)度、緯度、經(jīng)度標識、緯度標識、設(shè)備ID、溫度、鹽度、壓強、噪聲特征值、系統(tǒng)狀態(tài)值、結(jié)束標識符等，如表2。遠程控制指令參考美國國防部無人機航線遠程控制水平等級的評估方法進行分級，主要調(diào)整航跡規(guī)劃和剖面觀測頻次等內(nèi)容。

表2： 水下滑翔機加密傳輸數(shù)據(jù)格式

圖3： 水下滑翔機通信協(xié)議體系組成

2.4 水下滑翔機天通通信設(shè)備端設(shè)計

水下滑翔機天通衛(wèi)星通信設(shè)備端主要負責與天通網(wǎng)絡建立數(shù)據(jù)通信鏈接，向岸基發(fā)送海上實測數(shù)據(jù)和接收遠程控制指令，通信設(shè)備端由衛(wèi)星天線和天通通信模塊兩部分組成，采用一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計，天線裝備在尾翼末端，通信模塊安裝在機體尾部內(nèi)，設(shè)備端組成及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4： 天通通信設(shè)備端組成示意

衛(wèi)星天線包含天通S 移動天線、BD 天線和GPS 天線，前者實現(xiàn)入網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信，后兩者實現(xiàn)雙模式定位。天通通信模塊由電源管理單元、射頻開關(guān)、射頻前端處理單元、射頻收發(fā)器芯片、26M 溫補晶振、天通基帶芯片、應用處理器組成，電源管理單元為天通通信設(shè)備端各部分提供電能，晶振選用TG3225CEN 溫補晶振，具備高溫定性、CMOS 輸出等特點。天通通信模塊從數(shù)據(jù)采集單元獲取需要向岸基傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)，并傳遞到衛(wèi)星通信鏈路，同時把從岸基接收到的控制指令傳遞給運動控制模塊。

水下滑翔機天通通信模塊的數(shù)據(jù)接口設(shè)計有RS232、RS485 兩種可選，模塊供電電壓為5V，為保證水下滑翔機在大潛深、長航程任務下的正常工作，匹配了低功耗方案，設(shè)定每次出水完成數(shù)據(jù)傳輸后轉(zhuǎn)換為休眠模式，非必要外圍電路減少或停止工作，同時將微處理器的運行頻率調(diào)至最低，僅維持姿態(tài)調(diào)整和數(shù)據(jù)采集功能。

2.5 岸基綜合處理與應用分系統(tǒng)設(shè)計

岸基綜合處理與應用分系統(tǒng)部署在岸基中心站，完成對水下滑翔機監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收、質(zhì)控、綜合管理、可視化，以及對滑翔機發(fā)布遠程控制指令等系列工作，系統(tǒng)服務器和多個水下滑翔機之間建立一對多的通信關(guān)系，水下滑翔機之間無通信行為。

系統(tǒng)硬件由天通衛(wèi)星通信指揮機、聯(lián)想SR850 服務器、臺式計算機、98 英寸高清大屏、衛(wèi)星天線等組成，軟件為綜合處理與應用軟件，軟件部署在服務器上。天通天線、BD/GPS 定位天線均通過射頻接口接入指揮機，通過RS232、RS485 兩種串口通信方式接入聯(lián)想SR850 服務器完成數(shù)據(jù)交互。

服務器操作系統(tǒng)按照自主可控原則，選配國產(chǎn)中標麒麟操作系統(tǒng)V8.0 版本，數(shù)據(jù)庫考慮快捷、跨平臺、高性能、多編程語言API 接口等需求，選用MySQL8.0 數(shù)據(jù)庫。

綜合處理與應用軟件在國內(nèi)自主研發(fā)的成熟MapGIS 平臺基礎(chǔ)上進行開發(fā)，由GIS 平臺提供空間數(shù)據(jù)管理、二維和三維可視化、地圖標繪等基礎(chǔ)服務。系統(tǒng)軟件開發(fā)貫徹模塊化思維，以提高系統(tǒng)可維護性和架構(gòu)靈活性，系統(tǒng)功能主要為信息接收與處理、設(shè)備信息地圖可視化、數(shù)據(jù)分析與可視化、設(shè)備監(jiān)控與遠程指控以及數(shù)據(jù)綜合管理：

（1）信息接收與處理：系統(tǒng)具備基于天通衛(wèi)星通信網(wǎng)絡接收水下滑翔機實測數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息的能力，完成數(shù)據(jù)包的解析和拼接，數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制和格式轉(zhuǎn)換，質(zhì)量控制至少包含日期檢驗、位置檢驗、著陸檢驗、要素范圍檢驗、相同剖面檢驗等典型質(zhì)控內(nèi)容，同時具備人工導入數(shù)據(jù)的接口；

（2）設(shè)備信息地圖可視化：系統(tǒng)可調(diào)用MapGIS 的二維地圖（遙感影像數(shù)據(jù)、矢量地圖、DEM 數(shù)據(jù)、高德地圖等），實現(xiàn)各滑翔機圖標在地圖上的顯示，實時展現(xiàn)設(shè)備位置、設(shè)備名稱、設(shè)備編號等信息，支持在二維地圖上的縮放、平移、截圖以及測距，支持對點、線、面等集合對象的添加、刪除、編輯、屬性設(shè)置等操作；

（3）數(shù)據(jù)分析與可視化：系統(tǒng)能夠基于MapGIS 平臺對實測數(shù)據(jù)進行可視化，在二維地圖上以時序圖、剖面圖、斷面圖等形式展現(xiàn)溫度、鹽度等要素的時序變化或空間變化，并基于實測數(shù)據(jù)實現(xiàn)聲速、躍層的分析，輸出躍層性質(zhì)、躍層厚度、躍層站位子圖等信息或圖件；

（4）設(shè)備監(jiān)控與遠程指控：系統(tǒng)能夠?qū)λ禄铏C電壓值、是否進水、通信信號強度等狀態(tài)信息進行監(jiān)控和顯示，并在通信中斷大于12 小時提供報警措施，能夠通過天通指揮機遠程向水下滑翔機發(fā)送航向角度、潛水深度、上浮深度、懸停時間、剖面數(shù)量等參數(shù)調(diào)整指令，實現(xiàn)對滑翔機運動狀態(tài)和航行規(guī)劃的修改；

（5）數(shù)據(jù)綜合管理與統(tǒng)計：系統(tǒng)能夠?qū)铏C實測數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息進行入庫、更新、清除、分類、修改等管理，并對每日接收的數(shù)據(jù)量、通信成功率、質(zhì)量控制過關(guān)量進行統(tǒng)計分析，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的綜合管理。

3 海上試驗

2021 年12 月，將配置了天通通信模塊的4 臺水下滑翔機（2 臺水文觀測型、2 臺聲學觀測型）部署于南海某海域，在2-6 級海況下進行了為期6 天的海上試驗，試驗觀測剖面深度1200 米，設(shè)計觀測間隔10 米一層，觀測層數(shù)約100 層。

在為期6 天的試驗期間，水文觀測型水下滑翔機實測單剖面數(shù)據(jù)要素包含時間、位置、溫度、鹽度、深度、滑翔機與傳感器狀態(tài)參數(shù)、滑翔機ID、數(shù)據(jù)校驗參數(shù)等，共計約7000 字節(jié)，最長傳輸時間4 分50 秒，最短傳輸時間1 分56 秒，平均時間2 分35 秒，應接收36 個剖面數(shù)據(jù)，實際完整接收34 個剖面數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收率94.4%，天通指揮機與單臺滑翔機之間通信共計1659 次，成功率97.3%。

在為期6 天的試驗期間，聲學觀測型水下滑翔機實測單剖面數(shù)據(jù)要素包含時間、位置、溫度、鹽度、深度、聲學特征參數(shù)、滑翔機與傳感器狀態(tài)參數(shù)、滑翔機ID、數(shù)據(jù)校驗參數(shù)等，共計約10150 字節(jié)，最長傳輸時間6 分35 秒，最短傳輸時間2 分03 秒，平均時間4 分24 秒，應接收24個剖面數(shù)據(jù)，實際完整接收22 個剖面數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收率91.7%，天通指揮機與單臺滑翔機之間通信共計2092 次，成功率95.2%。

本次海上試驗的數(shù)據(jù)接收率和雙向通信成功率較高，符合試驗預期，岸基綜合處理與應用分系統(tǒng)基本具備實時展現(xiàn)溫鹽要素的變化趨勢和各水下滑翔機的工作狀態(tài)，并遠程控制滑翔機運動參數(shù)的能力。

4 結(jié)論

天通衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)填補了國家和地方自主衛(wèi)星移動通信服務的空白，是自主可控的衛(wèi)星通信方式，相比于銥星、海事衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星等通信技術(shù)，具有傳輸速率高、費用低、安全保密性強、終端使用靈活等優(yōu)勢。本文根據(jù)水下滑翔機的工作原理，結(jié)合天通衛(wèi)星通信的優(yōu)勢，設(shè)計了基于天通通信的水下滑翔機綜合監(jiān)測系統(tǒng)，海上試驗表明，本系統(tǒng)可為水下海洋環(huán)境要素的監(jiān)測提供效率更高、數(shù)據(jù)回傳完整性更好的通信方式，具備實測數(shù)據(jù)分析與可視化、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控及遠程控制等功能，可推廣應用到未來中遠海域海域的海洋環(huán)境監(jiān)測與應用項目中。