海洋科学是一门源于观测的科学, 观测技术的发展促进海洋科学不断进步^[1-3]。海洋观测研究浮标是布设于海洋中的定点观测设施, 是目前我国用于海洋气象、水文、水质等参数长期连续在线监测的重要依托平台^[4], 具有实时、连续、长期、全天候和自动化等优点, 也是当前国际、国内主流、稳定、可靠的海洋观测技术手段之一, 尤其是能够在极端恶劣天气下获取海洋观测数据, 这是走航式科学考察方式所无法比拟的^[5-7]。浮标的安全在位运行是海洋观测数据稳定获取的基础, 通常一套海洋观测研究浮标系统价值几百万元, 其所搭载的仪器设备更是昂贵, 且存有大量重要的基础观测数据, 一旦发生浮标丢失, 不仅会造成巨大的经济损失, 观测数据丢失所造成的损失更是无法估量。但是海洋观测研究浮标在位运行期间有时因为受到台风、寒潮、渔船拖网等因素影响, 会造成浮标系统的移位, 而台风和寒潮天气下海况即使发现浮标移位, 由于海况恶劣也不能第一时间出海进行搜寻, 因此浮标移位后对浮标位置信息的实时追踪就显得更为重要。

通常情况下海洋观测研究浮标定位主要依靠浮标数采模块采集浮标上所安装的GPS模块进行浮标位置监控, 并通过浮标的通信系统将位置信息传输至陆基接收站。但这种定位方式需要浮标系统的数采模块、供电模块、通信模块、GPS模块均正常工作, 任何一个模块故障均会导致浮标的实时位置信息无法获取。此外, 在各模块均没有故障的情况下, 若浮标移位进入无线通信盲区或GPS信号盲区也会导致浮标位置信息中断, 因浮标定位失败导致浮标丢失事件已多次发生。

信标系统是一种向外界传递自身位置的信息装置, 其主要用于目标物的搜寻^[8]。为确保浮标安全, 避免单一使用GPS模块存在的弊端, 一般海洋观测研究浮标端会另外配置安装一种信标系统。国外研究机构已研发了多种可应用于浮标的信标产品, 例如基于GPS定位和铱星通信技术的铱星信标, 代表产品有加拿大MetOcean公司的NOVATECH信标和Xeostech公司的Rover信标, 这些信标在我国近海浮标的实际应用中也取得了不错效果, 但使用铱星信标存在敏感海域数据安全保密性差的问题。比较而言, 国内众多科研人员也针对各自观测设施安全需求试制了一系列基于GPS定位的海洋信标系统^[9-14], 但这些基于GPS的信标系统在参数和功能方面与国外主流产品还存在一定差距, 且没有形成稳定、成熟、市场化的信标产品。

本文针对浮标现有定位手段不足和国内缺少市场化信标系统的现状, 基于我国具有自主知识产权的北斗卫星导航系统和传统的GPS定位系统, 设计了一种用于我国近海海洋观测研究浮标系统的北斗/GPS双模信标系统, 旨在解决传统GPS存在海上信号盲区问题, 摆脱依靠国外铱星传输所导致的数据保密性弱等问题, 最终实现我国近海海洋观测研究浮标更加安全的运行保障。该信标系统研制成功后, 首先在中国科学院近海海洋观测研究网络黄海海洋观测研究站(简称“黄海站”)和东海海洋观测研究站(简称“东海站”)进行了海试应用, 随后在国内多家研究机构的浮标系统上进行了推广应用, 涵盖了渤海、黄海、东海和南海海域, 且均取得了不错的实际应用效果。

1 海洋观测研究浮标定位方式

海洋观测研究浮标通常采用核心数采采集GPS模块定位和安装铱星信标定位相结合的两种方式。

1.1 核心数采结合GPS模块定位

此种定位方式最大优点是浮标供电, 不需定期维护。缺点是受浮标整体运行稳定性限制, 浮标系统的任何一个模块出现故障, 均无法实时掌握浮标的位置信息。此外, GPS定位模块和网络通信模块(CDMA或GPRS)在海上均存在盲区, 若浮标移位进入GPS定位盲区或网络通信盲区, 均会导致浮标位置信息中断, 甚至导致浮标丢失。典型的案例如下。2016年11月, 黄海站03号浮标因受寒潮影响发生移位, 当时电压正常、数据采集和通信系统均正常, 但由于海况恶劣, 技术人员无法及时出海进行浮标搜寻, 只能通过岸站系统监控浮标的实时位置(图 1)。在浮标持续移位过程中首先出现GPS信号盲点, 然后浮标完全进入GPS定位盲区(图 2), 虽然仍有数据发送, 但位置信息已经中断。后期在海况稍微好转的情况下, 黄海站组织多艘船只在03号浮标最后出现位置附近的方圆5海里海域进行拉网式搜寻, 但由于浮标的最新位置无法确定, 失去了浮标的搜寻线索, 最终导致03号浮标丢失。

1.2 铱星信标定位

另外一种定位方式是安装铱星信标, 该方案利用GPS模块定位后通过铱星进行位置传输。铱星信标的优点是铱星信号覆盖范围广, 不存在通信盲区; 缺点是铱星通信属于国外技术, 不适合应用在一些敏感海域的浮标。且定位手段仍然采用GPS模块, 同样存在GPS信号盲区问题。

此外, 在运维方面, 由于铱星信标功耗大、维护频率高, 在定位间隔为1 h的情况下, 每3个月需更换一次电池, 运维所需的船只、人力、物力等成本较高。

2 北斗/GPS双模信标系统设计

针对海洋观测研究浮标系统安全定位方面存在的诸多不足, 结合海洋观测研究浮标自身的特点, 在不影响浮标原有功能的情况下, 基于我国自主研制、同时具有定位和短报文通信功能的北斗卫星导航系统设计了一种用于海洋观测浮标的北斗/GPS双模信标及其岸站管理系统, 用于海洋观测研究浮标位置的实时监控。北斗/GPS双模信标主要由密封防水外壳、定位通信模块、控制模块、供电模块和水密端口等组成。岸站管理系统基于国有地图设计, 用于显示海上浮标位置, 可通过电脑、手机等终端设备实时进行浮标位置跟踪, 同时浮标移位后自动通过邮件、短信等方式发送报警信息。

2.1 北斗/GPS双模信标硬件

北斗/GPS双模信标主体包括密封防水外壳、定位模块、通信模块、控制模块、供电模块和水密端口(图 3)等。如图 3所示, 北斗/GPS双模信标整体为圆柱状结构, 顶部设计控制模块和通信模块, 下部为电池舱。底部为水密端口, 用于外接电源和通信设置。

密封防水外壳选用硬度大、刚性好、尺寸稳定、吸水率低、耐疲劳强度高的特殊材料, 可有效避免金属材料对定位信号、通信信号的干扰。密封防水外壳分为上下两部分, 上部外壳主要用于控制模块、定位模块、通信模块等; 下部外壳为电池舱; 上、下外壳采用螺纹固定方式。水密端口采用常用的水密接插件, 可作为浮标供电的接口, 同时可以通过该端口进行参数设置。

定位模块包括GPS定位模块和北斗定位模块, 两种模块互补, 可避免单一模块故障导致信标无法定位问题。GPS模块采用超低功耗定位模块, 因此GPS模块的定位优先级高于北斗模块。北斗定位模块采用LGR-BTX251模块, 该模块同时具备短报文通信功能。两个模块均具备功耗低、可靠的特点。

通信模块为平板圆形陶瓷天线, 可以支持接收GPS、北斗接收、北斗发送3个频段的信号, 具有良好的全向性方向图和低仰角增益, 性能稳定。

控制模块采用TI公司的MSP430单片机作为主处理器, MSP430具有功耗超低、工业级、稳定可靠的特点。支持休眠模式, 支持从串口唤醒CPU。通过串口连接北斗定位通信模块、GPS模块和水密端口。

供电模块采用低功耗电源管理DC-DC芯片, 电路支持外部浮标供电和可充电锂电池的相互切换, 外部浮标供电优先。锂电池电量不足的情况下, 浮标供电接入后, 同时给电路板和电池充电。若浮标电源不接入的情况下, 按照1 h发送1次定位信息, 电池可支持工作1 a以上(东海站06号浮标已连续工作2 a, 未出现低压报警)。

2.2 北斗/GPS双模信标软件

北斗/GPS双模信标系统工作流程如图 4所示。软件程序使用c语言编写, 系统采用状态机机制, 分为待机状态、定位状态、通信状态。

待机状态下切断除CPU以外的所有电路供电, 使CPU处于休眠状态, 可通过定时中断或者外部通信中断唤醒。唤醒后CPU给GPS模块上电, 一般10 s左右可以完成定位, 定位完成后关闭GPS模块电源。系统切到通信状态, 给北斗短报文模块上电并发送GPS定位信息。完成通信后, 系统切换到待机状态, 切断所有电源并休眠。若连续5次使用GPS定位失败, 则系统启动信号覆盖范围更广的北斗定位模块完成定位, 然后通过北斗短报文完成通信。

在待机状态下, 如有应急消息从水密端口传入, 系统会立即从待机状态切换到通信状态, 发送应急通信报文。

2.3 北斗/GPS双模信标岸站管理系统

岸站管理系统为web网页(http://www.bdtracker.cn/)形式(图 5), 网页左侧页面以地图直观显示各信标的实时位置; 网页右侧页面以文字显示信标的相关信息, 其中浮标号为安装有该信标设备的浮标编号, 可点击此处的下拉菜单选择想要查看和管理的信标状态。信标管理分为设备状态、设备报警、参数设定、最新轨迹和数据查询几个模块。

设备状态模块显示信标上报间隔、信标电池电压、最新位置和距离锚点的距离。

设备报警模块显示信标是否出现报警。当信标检测到电池电压低于设定阈值时, 会显示低电压报警; 若信标当前位置离锚点的距离超过设定阈值时, 会显示移位报警; 若岸站连续3次未收到信标上报的位置信息, 即会出现异常报警。另外, 管理系统还会通过手机或邮件的方发送报警提示。

参数设定模块显示当前信标的参数设置信息, 包括浮标号、锚点位置、移位报警半径、低电压报警值等。可根据实际应用需求在此对信标系统进行远程设置, 包括更改信标机的定位、通信频率, 以及根据实际需要关闭或开启相应的报警开关(图 6)。

轨迹模块可显示最近50个时间点次信标的运行轨迹, 在浮标发生移位时, 可使用该功能快速绘出浮标的漂移路径。

数据查询模块用于查询任意时间段内的信标位置信息。管理系统所接收的全部信标均实时保存至后台数据库中, 必要情况下可通过数据查询模块将信标的位置信息导出进行海流流向等附加信息的反演。

3 北斗/GPS双模信标测试及应用

研制完成的北斗/GPS双模信标的首套样机(图 7)于2019年7月2日在中国科学院海洋研究所建设的东海站06号海洋观测研究浮标系统上安装使用(图 8), 随后在黄、东海站以及渤海和南海的十余套浮标(图 5)上进行了安装应用。并在东海站06号浮标台风期间运行保障, 以及黄海站23号浮标拖带布放阶段发挥了不可替代的作用。

3.1 在东海站06号浮标的应用

通常情况下, 东海站06号浮标的北斗信标定位间隔为3 h, 在台风过境期间, 由于浮标存在移位或被风、浪破坏等潜在风险, 因此可以通过远程设置的方式使其加密工作(10 min或5 min), 以确保台风期间浮标位置处于可监控状态。

2021年9月, 第14号超级台风“灿都”从南向北穿过东海, 东海站共计5套浮标系统先后获取到“灿都”台风过境期间的实时观测数据。其中布放于东海海礁附近的06号浮标获取到最大浪高为10.6 m, 极大风速为61.8 m/s(根据我国2012年6月发布的《风力等级》国家标准, 17级风的最大风速为61.2 m/s; 若超过这个值国际航海界普遍称为18级风)。17级以上台风是东海海洋观测研究站以及中国近海观测研究网络组网以来观测风速之最。如此罕见的台风观测数据非常宝贵, 因此台风过境期间浮标的安全在位监控极为重要, 在多次出现浮标获取GPS信息失败的情况下(图 9), 北斗/GPS双模信标始终可以连续定位和通信(图 10), 在浮标安全运行保障中发挥了极为关键的作用。

东海站06号浮标安装的信标至今已连续在位使用超26个月, 在定位间隔3 h(特殊情况可通过远程设置进行加密工作)的情况下, 未出现明显的电压降低, 充分说明了信标的功耗较低, 维护成本易控。

3.2 在黄海站23号浮标布放过程的应用

2021年4月19日, 在将黄海站新建造的23号浮标由烟台海域拖至秦皇岛海域的过程中, 由于养殖区域和沿途流网较多, 船只拖带浮标只能曲折绕行。拖带船只自4月20日凌晨进入通信盲区, 之前正常工作的浮标此时数据几乎完全中断(图 11), 在秦皇岛海域等候布放的技术人员也无法与拖带船只取得联系。4月21日开始海况变差不适宜布放浮标, 因此若不能精准协调及时完成布放, 布放船只需在该海域等待海况好转, 仅租船费一项就会增加约20万元。紧急情况下, 北斗/GPS双模信标的作用凸显, 负责布放的技术人员通过信标实时关注浮标拖带的位置, 并提前关注海况、天气等, 最终于4月20日天黑之前顺利完成布放, 既节省了大量的人力、物力和财力成本, 又提高了工作效率, 早日将浮标布放到位进行观测(图 12)。

3.3 在中国近海浮标端的推广应用

为进一步促进科技成果转化, 新研制的北斗/GPS双模信标除满足黄海站、东海站自身的应用需求外, 还在中国近海浮标系统上进行了推广应用。截至2021年8月, 该信标已在上海市气象局、中国海洋大学、南京大学、齐鲁工业大学、自然资源部第一海洋研究所、中国科学院海岸带研究所等高校和科研机构的部分浮标进行了安装, 使用范围涵盖了中国4大海域。

目前所有已在浮标上安装的双模信标系统均工作正常, 东海站06号浮标安装的信标系统已连续运行超26个月, 数据接收率达到93.8%(表 1)。

4 结论

海洋综合观测浮标的安全在位运行是海洋资料稳定获取的前提。本文设计了一种适用于海洋综合观测浮标的北斗/GPS双模定位信标, 具有功耗低、信号覆盖范围广、性能稳定、使用简单等特点, 同时具有移位报警、异常报警、低压报警和远程设置等功能, 可有效保障浮标移位后位置信息的实时监控, 避免因无法定位导致浮标丢失。更为关键的是, 该系统是基于我国具有完全自主知识产权的、同时具有定位和短报文通信功能的北斗导航系统进行研制, 可有效保障观测信息的安全。