張錚，劉昭輝，曹守啟

(1.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306；2.上海海洋可再生能源工程技術(shù)研究中心,上海 201306)

0 引言

我國是海洋漁業(yè)大國，海洋捕撈業(yè)、海洋養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達，但也正面臨著傳統(tǒng)漁業(yè)向智慧漁業(yè)轉(zhuǎn)型的巨大挑戰(zhàn)[1].示位標是船運中廣泛應(yīng)用的應(yīng)急無線電定位設(shè)備，在漁船發(fā)生故障時扮演重要角色.傳統(tǒng)示位標定位精度差，功能單一，僅能在沉船事故時發(fā)送求救短報文信息.2020 年北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS-3)全球組網(wǎng)完成之后，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)可以為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的短報文通信、定位、導(dǎo)航和授時(PNT)服務(wù)[2].根據(jù)我國海洋漁業(yè)企業(yè)建設(shè)智慧漁業(yè)的需求，新型示位標在位置服務(wù)功能的基礎(chǔ)上，還應(yīng)具備船-岸的信息交互功能，提高漁船的信息化和智能化水平.

本文基于北斗定位和短報文通信技術(shù)，設(shè)計了一種新型多功能示位標.此示位標的工作模式有兩種：一是正常模式，當漁船正常航行時，利用北斗短報文上傳船位、航速、航向以及漁獲物信息到岸上管理平臺，提供漁業(yè)信息服務(wù)；二是遇險模式，漁船遇險下沉后，示位標通過靜水壓力釋放器脫離船體上浮至水面，按照預(yù)設(shè)的周期向岸上管理平臺發(fā)送報警信息.

1 示位標工作原理和硬件設(shè)計

1.1 工作原理和系統(tǒng)組成

示位標求救北斗短報文傳輸過程如圖1 所示.正常模式下傳輸過程為：船載漁業(yè)信息通過船載無線局域網(wǎng)發(fā)送至示位標，示位標通過北斗模塊將漁業(yè)短報文信息發(fā)送至北斗衛(wèi)星，網(wǎng)關(guān)負責漁業(yè)數(shù)據(jù)信息的接收和轉(zhuǎn)換，并與企業(yè)云平臺對接，供用戶訪問和查看；遇險模式下傳輸過程為：示位標終端將求救短報文發(fā)送至衛(wèi)星，衛(wèi)星接收到短報文信息后，立即根據(jù)接收端的地址進行廣播，應(yīng)急搜救控制中心收到此信息后，將求救信息轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)急搜救中心由其確認并發(fā)送救援命令[3-4].

圖1 短報文傳輸過程示意圖

1.2 硬件設(shè)計

示位標硬件主要有控制單元、北斗模塊、電源管理模塊、Wi-Fi 模塊等組成，其系統(tǒng)組成原理圖如圖2所示.

圖2 示位標系統(tǒng)原理框圖

控制芯片采用低功耗微控制器STM32L151[5]，外設(shè)豐富，可滿足低功耗設(shè)計需求.北斗模塊FHM6868集成了衛(wèi)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng)(RNSS)的B1 和L1 頻點、北斗衛(wèi)星無線電定位系統(tǒng)(RDSS)收發(fā)射頻芯片、基帶芯片、PA、LNA 和天線，接口通信協(xié)議兼容北斗2.1 協(xié)議，發(fā)射功率為10 W，提高通信成功率.ESP8266 Wi-Fi 模塊用于在正常工作模式下采集各種船載漁業(yè)信息，然后利用北斗短報文上傳船位、航速、航向以及漁獲物信息到云服務(wù)平臺，以實現(xiàn)對漁船航行、漁業(yè)信息的遠程監(jiān)測和管理.六軸姿態(tài)角度傳感器ICM42605，測量精度誤差僅為0.1°，通過串口與MCU 連接.根據(jù)漁用多功能示位標連續(xù)工作5 a的企業(yè)需求，采用12 V 可充電鋰電池實現(xiàn)對示位標的在正常工作模式下的供電，并通過無線充電的方式保證電池滿電.電源管理芯片選用TPS51397，最大輸出電流為10 A，關(guān)斷電流小于1 μA，滿足供電需求；各功能模塊均通過電子開關(guān)控制開啟和關(guān)閉，滿足低功耗設(shè)計需要.系統(tǒng)硬件實物圖如圖3 所示.

圖3 示位標硬件實物圖

2 示位標在波浪下的穩(wěn)定性仿真

示位標在波浪作用下會發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)甚至傾覆，這與海域環(huán)境、示位標質(zhì)量和外形等屬性有關(guān).三維勢流理論將流體假設(shè)為無黏、無旋和不可壓縮的[6]，適合示位標的頻域仿真.三維勢流理論指出，勢流速度場是由速度勢的梯度，流場的邊界由物面邊界、流體自由面、海底邊界面和無窮遠處柱面構(gòu)成[7-9]，滿足的邊界條件如下[10]：

1) 拉普拉斯方程

2) 海底邊界條件

3) 自由表面條件

4) 浸沒物體表面條件

5) 輻射條件

輻射波無窮遠處的速度勢趨近于0，即

在以上需滿足的邊界條件內(nèi)，? 為速度勢函數(shù)，坐標軸分別設(shè)置為x、y、z，n為模型表面法向量，h代表水深，j取1～6 的數(shù)值分別代表了六個自由度的運動狀態(tài)，六個自由度分別為橫搖、縱搖、艏搖、橫蕩、縱蕩、垂蕩，vj為模型運動時的表面流速矢量，fj(x,y,z)為第j個運動狀態(tài)時的模型表面的流線函數(shù)，R為流場與模型間的表面距離.

通過建立示位標仿真模型、選取合適的海域環(huán)境參數(shù)，基于三維勢流理論進行仿真分析，以觀察示位標在此環(huán)境下的角度偏轉(zhuǎn)情況.

首先，用三維制圖軟件SolidWorks 設(shè)計示位標的殼體、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及安裝結(jié)構(gòu)件，并進行裝配，示位標的設(shè)計參數(shù)如表1 所示.利用AQWA 軟件建立示位標簡化模型，并進行水線切割和設(shè)置相關(guān)參數(shù).

表1 示位標主要參數(shù)

其次，選取海域?qū)嶒灜h(huán)境模擬參數(shù).為了分析示位標在遇險模式下的運動特性，選取極端惡劣天氣條件下的海況參數(shù)，所選取的海域?qū)嶒灜h(huán)境模擬參數(shù)如表2 所示.

表2 示位標模擬海況數(shù)據(jù)實驗參數(shù)

最后，設(shè)置仿真過程中所使用的波浪譜.波浪譜選取AQWA 內(nèi)置的JONSWAP 譜，該波浪譜最能反應(yīng)真實的海況條件.通過設(shè)置波浪頻率的上下限、波浪方向及其入射方向間隔完成波浪譜的配置，X軸為波浪正方向.

運動幅值響應(yīng)算子(RAO)是指模型對應(yīng)自由度運動幅值與波幅的比，用以表示在波浪作用下的模型的運動響應(yīng).不同波浪入射方向的示位標RAO 如圖4～5 所示.由圖4 可知，在橫搖方向，示位標RAO 隨波浪頻率的增大先增大后減逐漸趨緩，在波頻較小時偏擺較為劇烈.由圖5 可知，示位標在縱搖方向上有突變，可能會導(dǎo)致示位標翻轉(zhuǎn).

圖4 示位標橫搖方向RAO 值

圖5 示位標縱搖方向RAO 值

綜上可知，在極端海況下，示位標隨不規(guī)則波偏擺的角度變動幅度較大.由于北斗短報文實質(zhì)為電磁波，而電磁波在水中會發(fā)生衰減[11-12]，因此需考慮示位標隨波浪的偏擺特性對短報文投遞率的影響.

3 基于示位標姿態(tài)的短報文通信機制

3.1 基于示位標姿態(tài)的短報文通信機制原理

為了驗證示位標姿態(tài)對短報文投遞率的影響，分別在晴天無云和陰天兩種天氣狀況下進行測試.以示位標中軸線為0°，水平放置，偏轉(zhuǎn)角度分別為：25°、45°、75°、90°，在全天時間內(nèi)進行短報文收發(fā)測試，統(tǒng)計不同偏轉(zhuǎn)角度下的短報文投遞率.測試結(jié)果如圖6所示，在兩種天氣狀況下，投遞率隨著偏轉(zhuǎn)角度的減小而增大，在0°時達到最高，故在合適的示位標姿態(tài)下發(fā)送短報文是有助于提高投遞率的.

圖6 兩種天氣狀況下的短報文投遞率比較

利用示位標內(nèi)置的六軸姿態(tài)角度傳感器測量示位標偏轉(zhuǎn)角，以保證在合適的示位標姿態(tài)下發(fā)送短報文.設(shè)置其在偏轉(zhuǎn)角小于或等于10°時發(fā)送短報文.基于示位標姿態(tài)的短報文發(fā)送流程如圖7 所示：當示位標入水上浮后，隨波浪運動發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)，當檢測到偏轉(zhuǎn)角度小于或等于10°時，北斗模塊即發(fā)送短報文；北斗模塊在60 s 內(nèi)僅可發(fā)送一次短報文，在發(fā)送后進入間隔等待.偏轉(zhuǎn)角度大于10°時，北斗模塊則等待發(fā)送時機.

圖7 短報文發(fā)送流程圖

3.2 短報文收發(fā)實驗測試

為保證示位標能夠滿足遇險模式下的續(xù)航需求，對其在該模式下的工作進行續(xù)航實驗.示位標采用的12 V 鋰電池總?cè)萘繛?.4 A·h，RDSS 模塊發(fā)射功耗為10 W，每間隔60 s 發(fā)送一次短報文，發(fā)送后即由電子開關(guān)關(guān)斷各功能部件以節(jié)省電量，通過24 h的續(xù)航測試可估算出續(xù)航時間為12 天，滿足示位標遇險模式下的連續(xù)工作需求.

通過短報文收發(fā)實驗檢驗上述通信機制對短報文投遞率的改進效果.如圖8 所示，實驗分別在晴天無云和陰天兩種天氣下進行，共分為兩組，第一組將示位標安裝至高處對空(模擬船體桅桿)，上方無遮擋，進行正常模式下的工作；第二組將示位標放置在距造波機15 m 處的水池中，進行遇險模式下的工作測試.

圖8 現(xiàn)場實驗圖

兩組實驗結(jié)果如圖9 所示，示位標在晴天無云條件下的短報文投遞率較高，而在陰天條件下的投遞率略有下降，這是由于陰天有較多烏云，信號接收不暢，對短報文投遞率略有影響.與第一組實驗相比，第二組實驗中短報文投遞率總體上略有下降，這是由于隨波浪偏擺導(dǎo)致短報文信號受到干擾.在高處實驗環(huán)境下晴天與陰天的短報文投遞率差值與在水面環(huán)境下晴天與陰天的短報文投遞率差值幾乎相等，說明第二組實驗中陰天較晴天短報文投遞率的下降主要是由天氣差異引起的，而在水面環(huán)境下示位標的較大偏擺對于短報文投遞率的影響不大，故驗證了基于示位標姿態(tài)的通信機制能夠提高短報文的投遞率.

圖9 兩組實驗短報文投遞率比較

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于北斗定位和短報文通信技術(shù)的新型多功能示位標，并進行了示位標在極端惡劣海況下的偏轉(zhuǎn)角仿真實驗和不同姿態(tài)下的短報文收發(fā)測試，在此基礎(chǔ)上提出了基于示位標姿態(tài)的短報文發(fā)送機制，并進行實驗驗證.實驗結(jié)果表明：在水面環(huán)境下，基于示位標姿態(tài)的短報文通信機制能夠降低偏轉(zhuǎn)對示位標的影響，有效提高短報文投遞率，在智慧漁船應(yīng)用中具有良好的推廣前景.