基于卫星通信和无人船的海洋监测技术研究.docx

基于卫星通信和无人船的海洋监测技术争论梁娟;史文华;杜朝【摘 要】海洋监测技术已列为我国中长期科技进展纲要中优先进展的前沿技术;随着定位、导航、掌握等相关技术的快速进展 ,搭载多种传感器的无人船,可在近、中、远等不同海疆长时间自主工作,连续进展数据采集;随着卫星通信技术的进展,长期困 扰海洋监测设备的通信问题,消灭了越来越多的解决方案;结合智能掌握的无人船传感器平台,基于一代卫星通信技术构建全球测控网络,基于大数据技术实现海洋监测数据存储、处理、分析等工作的自动化,基于互联网技术的最成果,建立海洋监测数据的效劳框架,提出了一套全的海洋监测及数据应用的解决方案.【期刊名称】计算机测量与掌握【年(卷),期】2023(027)008【总页数】5 页(P12-15,20)【关键词】卫星通信;无人船;海洋监测;数据效劳【作 者】梁娟;史文华;杜朝【作者单位】南京理工大学自动化学院,南京 210094;北京空间飞行器总体设计部, 北京 100094;北京空间飞行器总体设计部,北京 100094;北京空间飞行器总体设计部,北京 100094【正文语种】中 文【中图分类】V190 引言我国是海洋大国，有三百多万平方公里的专属经济区和一万八千多公里的海岸线， 海洋环境监测已经列入国家中长期科技进展纲要1。海洋监测技术作为海洋科学和技术的重要组成局部，在维护海洋权益、开发海洋资源、预警海洋灾难、保护海洋环境、加强国防建设、谋求的进展空间等方面起着格外重要的作用2。目前，海洋监测活动门槛较高，通常由大专院校、科研院所、军事单位、国家单位等组织进展。海洋监测数据的采集、传输、存储、处理、应用等工作由隶属于特定单位的专业团队进展。各单位之间，各团队之间，由于缺乏必要的共享机制，导致在数据猎取层面，缺乏兼具通用性和高水平的海洋监测和数据采集设备；在数据传输层面，缺乏全球掩盖且 24 小时不连续的高速通信解决方案；在数据存储与处理层面，缺乏具有较强通用性的解决方案；在数据应用层面，缺乏能掩盖不同级别用户、不同级别海洋监测数据需求，被人们广泛认可的海洋监测数据应用平台。本文以智能掌握的无人船为传感器平台；基于一代卫星通信技术构建全球测控网络；基于大数据技术实现海洋监测数据存储、处理、分析等工作的自动化；基于互联网技术的最成果，建立海洋监测数据的效劳框架；提出了一套全的海洋监测及数据应用的解决方案。1 系统架构总体看来，海洋监测数据从产生到应用，需要在图 1 所示的诸多层级中进展传递与加工，才能最终到达效劳于海洋争论、海洋开发、海洋利用的目的。图 1 海洋监测层级采集层：由各种各样的传感器节点组成，对温度、湿度、风速、盐度、重金属盐浓度等多种参数进展采集和测量，采集频率和方式，由特定监测参数的特性打算。会聚层：对局部区域的海洋监测数据进展集合、过滤、筛选、打包、预处理等操作，通过传输层完成海洋监测数据的回传。传输层：通过卫星、微波中继、无线电船台、陆地移动通信网、存储延时转发等多种方式，完成海洋监测数据的传送。处理层：对回传的海洋监测数据进展存储、解析、分析、融合、挖掘等相应操作， 将原始数据处理成可进展科研、商业应用的数据。应用层：适用于全部需要海洋监测数据效劳的个人、组织、科研机构、政府团体、军事单位的系统平台。可通过 API 接口、C/S 程序、B/S 程序、移动端程序等多种方式供给效劳。智能传感器、无人掌握、大数据处理、人工智能等为代表的一代信息技术的蓬勃进展，为海洋监测活动感知层、传输层、数据层、应用层的技术革打下了坚实的根底。2 无人船平台无人船(USV)是一种型的搭载平台，可搭载多种海洋监测传感器，能够以遥控或自主运行的方式完成连续性海洋参数测量。随着定位、导航、掌握等相关技术的快速进展，越来越多的无人海洋自动平台应用于海洋监测领域，工作于海气界面的无人船渐渐成为海洋监测平台争论和应用的一个热点。无人船的工作区域可掩盖封闭式管道、内陆湖泊、内陆河流、近海、远海、远海等多种场景3。本文以海洋监测为主要争论对象，因此着重争论工作于海洋环境下的无人船。依据工作场景划分，可选的海洋无人船由港口环境无人船、近海(船)无人船、远海无人船(可补给)、远海无人船(不行补给)等类型组成4。港口环境无人船主要工作于港口、码头、跨海大桥、近岸岛屿等场景，根本特点如下：体型较小，长度普遍在 1 米至 5 米范围；以电池作为能源供给，工作时间较短、工作半径较小；支持人工遥控和自主运行两种工作模式，承受案基通信系统进行双向通信；多工作于封闭、可控的海疆，作为关心性工具平台，不需要适应恶劣的海况。近海(船)无人船主要工作于离岸(船)100 公里以内的范围，根本特点如下：体型较大，长度普遍在 7.515 米之间；承受电池或燃油作为能源供给，工作时间较长、工作半径较大；支持人工遥控和自主运行两种工作模式，承受案基通信手段与掌握中心(船)进展双向通信；多工作于开放、具有不确定性的海疆，作为关心性工具平 台，需要适应较恶劣的海况。远海无人船(可补给)工作于远离海岸的区域，可通过补给船、补给站等方式进展燃料补给，其根本特点如下：体型较大，长度在 5100 米之间；承受化学燃料作为能源供给，工作时间较长、工作半径较大；支持人工遥控和自主运行两种工作模式， 承受岸基、卫星等多种通信方式进展双向通信，在 100 公里以外海疆，主要通过卫星进展通信；多工作于开放、具有不确定性的海疆，作为关心性工具平台，需要适应多数恶劣的海况，在无法保证补给的状况下，无法出海工作。远海无人船(不行补给)工作于远离海岸的区域，无法进展能源补给，主要通过太阳能、风能、潮汐能等获得动力，其根本特点如下：承受可再生能源，不需要特地的补给工作和补给设备；需要具备极强的生存力量，能够在最恶劣的海况中正常航行； 可通过卫星与前方掌握中心进展双向通信，确保指令接收和数据回传；理论上可工 作于各种海疆，受能源类型的制约，航行速度较慢。图 2 无人船类型作为一个传感器平台，无人船的可搭载空间由船上局部和船下局部组成，不同的位置，可以搭载不同的传感器：1) 大气监测：风速、风向、光合作用、日照强度、气温、相对湿度、压力、大气pCO2 浓度等。2) 物理监测：波浪高度、波浪周期、磁场强度、深度。3) 海洋监测：海水外表温度、洋流、pH 值、有色可溶性有机物、红外散射、分解氧浓度、海水 pCO2 浓度、水温、盐度、哺乳动物声音、鱼群密度等。4)简单监测设备：浅底层剖面仪、潮位仪、声呐、三维激光等。5)关心：水面摄像头、水下摄像头、AIS 终端。基于无人船的关键技术，制造出适用的无人船，具备在简单、危急的海疆内具有稳定的航行力量和应对突发状况的力量，实现实时监控自身的设备运行状况、感知外界信息、做出正确的决策并严格执行，而这些操作主要依靠与外界环境交互的传感器系统、高级别的自主导航系统、精准的自动掌握程序以及稳定快速的网络通讯技术等。最终从大气监测、海洋外表监测、深海监测等各空间猎取监测指标数据。3 卫星测控终端海洋监测需要长时间、大范围的连续进展，本文所述的解决方案，以各种不同类型的无人船作为传感器平台，依据实际监测需要配备不同的仪器设备，通过无线链路进展双向通信。对于港口、内海、岛屿周边、大陆四周等区域，可以承受常规通信手段；对于更宽阔的开放水域，只能使用卫星通信。1) 海事卫星：可以供给低速率语音和数据效劳，也供给高速率5。通信费用格外昂贵，假设应用于海洋监测，不适于长时间、大量数据传输的场景。2) 铱星：真正的全球通系统。简单的技术导致终端和效劳价格极其昂贵，不适于长时间、大量数据传输的场景。 3)OrbComm：已广泛应用在集装箱监控、重型工业设备监控等多个领域，对于数据量较小的状态量监测，是一个不错的选择6。4) 北斗：通过北斗系统独有的短报文功能，实现无人船在全球范围内的双向通信， 其缺点是通信速率较低。5) VSAT 动中通：传输带宽和传输速度越来越大，终端体积也变得越来越小，可为用户供给稳定的宽带网络效劳。其主要缺点是终端硬件设备价格较高，终端设备尺寸及天线指向问题限制了应用场景，跨越区域时需要切换卫星。从削减通信本钱、实现统一架构的角度动身，设计、研制了一种通用性的卫星测控终端，其根本技术要求如表 1 所示。表 1 卫星测控终端功能需求序号功能名称描述 1 导航定位支持基于 BD 的导航定位,可扩展支持 GPS 导航定位 23G/4G 通信通过 3G/4G 网络,进展双向通信 3 卫星通信依据需求选用铱星、OrbComm、海事卫星等卫星通信系统的芯片化解决方案,样机选用的是 Thuraya 卫星系统。4 智能网络切换自动推断信号联通性及强弱, 任何状况下优先使用基于 4G 的地面无线通信网络 5WIFI/LAN 接口可通过 WIFI、LAN 等方式,连入用户网络 6 模块化架构 4G、欧星、北斗、GPS 等功能,都可以做成可配置的模块,用于满足不同的用户需求 7 远程维护可通过无线链路,远程修改部分功能,到达更系统的目的,例如对网络协议的升级 8 强适应性低功耗、强抗干扰、强环境生存力量卫星测控终端承受模块化设计方式，由 ZYNQ 平台、3G/4G 模块、北斗导航模块、GPS 导航模块、WiFi 模块、舒拉亚通信模块、模拟采集模块、总线接口、电源管理等电路组成。硬件设计如图 3 所示，主要由 ZYNQ、北斗导航芯片、GPS 导航芯片、WiFi 芯片、Thuraya 芯片、3G/4G 芯片、CAN 总线电路、RS232 接口电路、千兆以太网电路、模拟采集模块、电源模块、时钟电路、复位电路等组成，其中 ZYNQ 作为中心掌握器，掌握其它各模块的工作状态及数据交互。图 3 卫星测控终端硬件组成4 多船卫星测控如图 4 所示，本文所述的海洋监测系统，以搭载不同传感器的无人船，作为信息猎取的平台；可岸基通信的无人船，直接通过岸基测控网/站进展测控；需要卫星通信的无人船，通过地面测控中心结合卫星网络的方式进展测控；地面测控中心从业务上可以划分为两局部：运行掌握中心和客户效劳中心。运行掌握中心不负责通信卫星星座的运营，其测控对象是安装有卫星测控终端的所有海上终端节点。终端数据的空间段传输，全部由卫星通信效劳商供给和保证，运行掌握中心通过地面网络从效劳商处猎取终端数据，可依据实际需要选择最符合本钱掌握策略和用户需求的卫星通信效劳商。图 4 海洋监测系统组成运行掌握中心通过卫星链路接收/发送数据包，从而与远程海上终端进展单向、双向通信，其主要的功能点如下：1) 入网受控设备的治理问题：每一个承受本系统平台治理的远程海洋终端，应当可以在“注册”、“删除”、“冻结”等状态中切换，实现不同的治理。2) 卫星通信效劳供给商的支持问题：依据不同的需求，系统平台可能需要与海事卫星、国产通信卫星、国际通信卫星、 OrbComm、铱星等多种卫星通信系统集成， 需要解决效劳切换、数据发送与接收等问题。3) 系统防灾冗余问题：本系统的测控与运营中心，需要 24 小时稳定的不停机运行， 主系统、分系统、数据存储等相关设备、软件，需要考虑防灾冗余设计；4) 数据存储与备份：本系统平台长期运行后，会产生大量的数据，需要解决相应的存储、备份、查询等问题。5) 可扩展的数据格式定义与解析：不同的用户应用，对发送/接收数据的格式定义各不一样，运营中心应具备定义数据格式并自动解析的功能。图 5 运行和掌握中心软件界面运控平台软件要同运控中心效劳器进展双向数据通信，从效劳器中猎取在运控平台软件中显示的无人节点位置、工作状况、探测数据等运控信息，向效劳器发送用户的各种节点操控指令、数据查询指令等。运控平台软件将无人节点的各类工作状态信息、探测的载荷数据、图像数据等，借助 GIS 系统进展可视化直观显示，显示界面要求具有常规的放大、缩小、扫瞄、定位，图层显示/隐蔽，信息标志等功能。任务规划软件运行在 PC 机上，通过网络与其他软件互联，用于依据用户“需求” 对无人船的运行轨迹进展规划，并将规划后的数据发送给运控效劳软件。可依据用户“需求”和各无人船节点的状态，通过肯定的算法，规划出每一条无人船将来一段时间的运行轨迹和载荷工作任务，从而满足用户对数据类型、数据采集频率、数据采集区域的需求。5 数据效劳海洋监测的目的是连续猎取真实的海洋数据，处理、分析后应用于海洋科学争论、海洋监测、海洋资源开发、海洋权益维护等海洋活动。现阶段，我国海洋数据的应用具有以下特点：1) 专业性强：不同的海洋监测活动，立足于不同的业务需求，监测数据由组织监测活动专业的部门全部，开放性差，一般用户难以猎取、利用相关的数据。2) 门槛高：除了温度、湿度、风速、气压等简洁的物理量7，海洋数据的分析和处理需要较高的理论、技术水平，一般的用户很难具备这样的专业素养，这在某种角度降低海洋监测数据的性价比。3) 渠道少：目前，猎取海洋监测数据的主要方式是从相关网站下载数据，如美国的NOAA、中国的各大海洋局和相关争论所、欧美/日本的相关争论机构等8、9。4)效劳差：目前，海洋争论相关网站主要供给各种源数据的下载效劳，用户下载回来的结果都是原始数据，用户必需自己进展处理，才能得到满足特定需求的效劳数据10。海洋监测数据的最终用户，不同于科研人员以及专业的技术人员，往往不具备数据检索、数据处理、数据分析的力量，其直接需求通常不能通过传感器直接猎取，而必需通过多种数据综合分析得出，用户需要的只是处理后的、能直接指导工作的最终结果。图 6 数据效劳架构海洋监测数据的处理、应用、效劳流程如图 6 所示。原始监测数据存储于数据库系统中，具备根本的备份、冗余防灾等功能；基于主流大数据框架，可实现对海量监测数据的检索、分析、挖掘等功能，生成第一级处理数据；依据用户需求，可动态定义数据格式、数据处理方法，生成满足用户要求的其次级数据报告；通过人性化的前端交互工具，用户可以通过 PC 机、手机、PAD 等多种方式完成需求公布、数据订阅、效劳订阅等工作；基于通用的 API 接口，用户可以进展各种程序二次开发工作，直接调用各级监测数据。用户效劳软件，供给应终端用户使用，承受 B/S 架构开发，其表现形式是一个对外公布的网站。用户可以通过 PC 机的扫瞄器扫瞄此网站。在用户效劳软件上，用户亦可以进展根本信息扫瞄、原始数据下载、数据需求申请、无人船状态查询、数据报告查询、数据订阅等操作。图 7 海洋监测数据应用6 完毕语基于以上争论的最终目标是在全球海疆布设无人船，形成全球海洋无人观测网络， 每条船上依据需要配置不同的海洋观测仪器，如水质传感器、养分盐传感器、重金属传感器、有机物传感器、气象传感器等，在运控系统的规划调度下，借助实时卫星通信技术，观测网络可以连续、实时猎取全球海洋观测资料数据，运控系统收集全球海洋观测数据，经过多种数据融合、分析处理后形成多种海洋观测应用数据。目前，原理样机已设计实现，并构建了一个自我闭环的小系统，验证了海洋监测感知层、会聚层、传输层、应用层的全部关键节点，从原理上证明白承受无人船进展海洋监测并供给数据效劳的可能性，为后继的争论工作打下了坚实的根底。【相关文献】1 李红杰. 基于浮标的近海海洋环境监测与接入技术D. 成都：电子科技大学，2023.2 季丽伟. 基于本体的多源异构海洋监测数据集成争论D. 上海：上海海洋大学，2023.3 金久才. 一种海洋环境监测无人船系统及其海洋应用J. 海岸工程. 2023(9): 87-91.4 Ferreira H, et al. Environmental modeling with precision navigation using ROAZ autonomous surface vehicleZ.IEEE, 2023.5 张晓燕. 国际海事卫星移动通信系统与下一代 IMT 系统在扩展 C 频段的共存J. 电信科学,2023(4): 76-81.6 陶孝锋. Orbcomm 星座卫星进展历程及其最动态争论J. 空间电子技术,2023(12):29-36.7 宋德瑞. 大数视域下的海洋信息化建设设想J. 海洋开发与治理, 2023(9):50-53.8 黄冬梅. 强关联海洋数据划分争论J. 计算机工程,2023(5): 8-12.9 邹国良. 基于 BP 神经网络的海洋监测数据等级划分J. 海洋通报,2023(2):187-193.10 侯雪燕. 海洋大数据：内涵、应用及平台建设J. Marine Science Bulletin. 2023(8): 361-369.