1、北斗在海洋环境保障体系中的应用 摘要：介绍了北斗导航终端在海洋环境保障体系中的应用，利用北斗导航终端的数据短报文通信和北斗定位功能实现海洋环境监测数据向信息处理中心近实时的传输任务，进而详细介绍了用北斗导航终端在无人值守类监测平台和有人值守监测平台以及北斗终端在ARGO浮标上的工作原理和应用的方案，说明了北斗终端在海洋环境保障体系中的优点和重要意义。 关键词：北斗终端；海洋环境保障体系；浮标；应用 【分类号】P74 0 引言 海洋不仅是生命支持系统的重要组成部分，而且是可持续发展的宝贵财富。我国为了合理的开发和利用海洋资源，提高气候预报的精度和有效防御给人民造成危害的气候灾害，特别设立602专
2、项，旨在系统地对我国海洋环境进行监测。 本项目就是在该专题下，充分利用我国独立自主的北斗卫星导航系统短信息功能，完成海洋环境监测数据的传输。 1 项目用途 利用北斗卫星导航终端的数据短报文通信能力，用相当低廉的卫星通信价格，将常规监测断面和海洋气象水文监测志愿船监测数据、浮标与海基监测设施监测数据传输到信息处理中心，完成海洋立体监测网中小平台监测数据的近实时双向传输任务。 2 功能 准确测定流动监测点的地理位置和大地坐标，在信息处理中心配合数字电子地图可获得更加准确的监测和预报产品； 将监测平台传感器监测到的原始数据，按照一定的数据格式进行自动压缩、打包； 自动定时将压缩后的监测数据传送回监测
3、信息中心，完成监测数据近实时传输任务； 按照信息中心的要求，向监测平台传感器传输指令，完成指定监测类型数据、指定监测频度的数据监测，并实时将监测数据传输回信息处理中心； 完成有人监测平台与信息处理中心之间的、监测平台与监测平台间的点对点广域短消息双向通信，加强监测平台通信能力和应急通信保障能力； 提供信息处理中心对所有有人值守监测平台的一点对多点数据短消息广播功能，加强上级机关对所属监测平台的控制和管理能力，提高应急通信保障能力； 利用太阳能电池等技术，提高监测平台的使用寿命。 浮标、海洋气象水文监测志愿船、海基监测设施、常规监测断面志愿船、岛礁监测站等作为整个系统的终端数据采集平台，北斗卫星
4、导航终端作为其数据传输通道与传感器控制器紧密连接，采集到的数据通过北斗散布在平台上的北斗卫星终端发送到指定的区域中心。各业务中心安装有指挥型北斗用户机，传输的数据通过指挥型用户机进行接收，处理完成后再通过卫星通道或其他通信方式传送到国家业务中心。 3 监测平台上北斗数据传输的软硬件组成及应用方案 3.1 无人值守类监测平台连接结构 无人值守监测平台中数据的采集和传输都是自动完成的。各种类型的传感器将采集到的数字式信号按照数据采集控制存储器的要求，定时上报给它。数据采集控制存储器首先将数据进行规定格式的压缩和打包，然后通过标准的RS-232接口，将数据传送给基本型北斗用户终端，北斗终端收到数据后
5、，按照自身的服务频度将数据发送到指定地址。 如果用户需要对某几个或某几类传感器测试数据发生强烈兴趣，可以从指挥型用户机或北斗卫星地面控制中心等途径，向测试平台上的北斗终端发送测试命令，北斗终端将命令传送给数据采集控制存储器，控制存储器指挥相应的传感器完成监测测试，并将测试数据送给北斗终端，北斗再将测试数据发送回信息中心，能够实现交互式近实时状态的监测。 3.2 Argo浮标上北斗的应用 “Argo”浮标指用于建立全球海洋观测网的一种专用测量设备。当浮标被海洋科学工作者投放在海洋中的某个区域后，根据上述工作原理，它会自动潜入2000米深处的等密度层上，随深层海流保持中性漂浮，到达预定时间（约10
6、天）后，它又会自动上浮，并在上升过程中利用自身携带的各种传感器进行连续剖面测量。当浮标到达海面后，通过定位与数据传输卫星系统自动将测量数据传送到卫星地面接收站，经信号转换处理后发送给浮标拥有者。浮标在海面的停留时间约需6-12小时，当全部测量数据传输完毕后，浮标会再次自动下沉到预定深度，重新开始下一个循环过程。 通过研究Argo的结构和应用特点，利用北斗替代Argo的通信系统，就能够形成我国自己的专用Argo浮标。 在Argo浮标上使用北斗，其通信天线可选择鞭状天线或小型化平面微带天线。选择这两种天线的主要原因是： 可以有效减小天线的表面积，以减少标体潜入水中时，由于过大的压力而破坏天线外壳而
7、造成天线失效。 在标体浮出水面时，可以使天线部分更高的离开水面，以提高对星通信可靠性。 具有体积小、重量轻的特点。有利于做到小型化，减少标体的载重。 对于使用的鞭状天线，为了满足其使用环境的要求，还要对其结构进行包括结构强度和抗压设计方面的改进。由于潜标最大会潜入水下2000米的深度，对于天线腔体的压强将达到1922Mpa之间。如果不经加强处理，将会使整个天线腔体压碎。为了适应如此大的压力，首先外壳采用加玻璃纤维强化的聚碳酸酯材料，该材料具有非常好的刚度，环境适应性好，抗老化能力强。其次对于天线腔体内部，要进行灌胶处理，在腔体内部进行灌胶，可以使壳体在有限的变形范围内，借助腔体内部的胶体体积压
8、缩产生的压力，使腔体内外的压力达到平衡，从而保护天线的非金属罩不会被压坏，达到有效地保护天线的目的。 天线表面的防寄生浮游生物和防止海水产生的电化学腐蚀对金属结构件的影响，因此对于天线表面需使用潜艇或舰船的涂料以达到理想的防护效果。 天线自身、天线与Argo浮标标体之间的固定和防水问题：由于Argo浮标会长时间潜入到水下的特点，所以防水问题将是一个非常突出的问题。对于天线自身防水问题，由于天线腔体内部采用灌封的处理，已经达到了防水要求；天线与Argo浮标之间采用螺纹连接，压紧密封胶垫的方式来达到防止海水通过连接处进入浮标的腔体内或天线内部的效果。 利用北斗替代浮标中的通信模块，需要综合考虑，应
9、注意以下问题： 1）Argo浮标的可靠性 华盛顿大学的研究者对世界上13个研究组织投放的860个APEX型Argo剖面浮标的运行情况分析可以看到，在过去的几年中，有五种原因导致了约34%的浮标未能达到其设计寿命而停止工作，其中受电池能量影响占44%；搁浅占26%；压力传感器问题占9%；马达倒转故障占9%，其余12%为不明原因的故障。 通过以上数据，足以表明设备的可靠性对浮标正常工作的重要程度。因此，在用北斗替代通信模块时，必须进行综合考虑。 2）低功耗考虑 北斗设备待机功耗和发射功耗都非常大，如何降低设备功耗，提高电池可靠性等问题是需要重点解决的技术难题。 4 结束语 综上所述，将我国自行研制、独立运行的“北斗”卫星导航系统作为海洋环境保障体系各种监测数据的传输手段，不但能精确测定流动监测点的地理位置和大地坐标而且能完成海洋立体监测网中监测数据的实时双向传输任务，相关技术成熟可靠。 参考文献 1王菊英，韩庚辰，张志锋.国际海洋环境监测与评价最新进展. 海洋出版社， 2010 2许建平. 西太平洋Argo剖面浮标观测及其应用研究论文集. 海洋出版社， 2010 作者简介 刘彦哲，男，工程师。主要研究方向：北斗系统集成第 6 页 共 6 页
