海洋學研究、海洋工程建設(shè)、海洋軍事活動和資源調(diào)查，都是基于海洋環(huán)境監(jiān)測，特別是對海洋動力環(huán)境進行長期、定點、實時、立體監(jiān)測。海床基、潛標觀測系統(tǒng)工作于水下，具有隱蔽性能好、維護周期長等優(yōu)點，用于進行定點海洋環(huán)境監(jiān)測。由于海床基、潛標觀測系統(tǒng)通常集成了很多昂貴的測量儀器，也存儲了大量寶貴的數(shù)據(jù)，因此在其布放前必須考慮的問題之一就是后期如何實現(xiàn)系統(tǒng)可靠回收。為解決上述問題，科學家將信標機集成于需要布放下水的觀測系統(tǒng)中，在回收作業(yè)時起到定位作用，同時也能在系統(tǒng)遭受意外破壞浮出水面后，起到提示和報警作用。
信標機是一種能夠向外界傳送特定標識信號的儀器設(shè)備，在符合啟動條件后，會自動發(fā)送無線電或位置信號，被外界所感知。早期的信標多以無線電信號發(fā)射為主，在觀測系統(tǒng)浮出海面后，信標信號在一定范圍內(nèi)被終端探測到，回收人員根據(jù)各個方向的信號強弱，判斷信標的方位，沿著信號強的方向逐步去搜尋目標，但無法獲取目標的準確經(jīng)緯度，且通信距離有限，往往局限在10海里范圍內(nèi)。隨著移動互聯(lián) *** 、衛(wèi)星 *** 的發(fā)展，新一代信標產(chǎn)品均集成了定位芯片和衛(wèi)星發(fā)射天線，在觀測系統(tǒng)浮出海面后，信標可以通過 *** 將準確的位置傳送給接收機或者固定的 *** 地址。回收人員可以直接前往目標海區(qū)，完成系統(tǒng)的回收工作。市場上比較成熟的信標產(chǎn)品如表1所示。
表1 國際上成熟的信標產(chǎn)品列表
隨著海洋觀測范圍的擴大，目前世界主流的信標產(chǎn)品全部采用了覆蓋全球的銥星系統(tǒng)作為信號傳輸介質(zhì)，可服務(wù)于深海大洋和極地的水下觀測。大多數(shù)信標均自帶壓力傳感器，依靠水壓值作為啟動的信號開關(guān)。下水布放之前，信標會固定到觀測系統(tǒng)的頂部架體上，啟動物理開關(guān)或電磁開關(guān)，信標處于工作狀態(tài)；下水后，信標內(nèi)部壓力傳感器測得水壓值大于信標設(shè)定的水壓值(設(shè)定值通常小于1dbar)時，信標停止工作，并隨觀測系統(tǒng)繼續(xù)下潛到一定深度，完成長時間的定點觀測；當觀測系統(tǒng)處于回收階段時，信標機隨著系統(tǒng)上浮，露出水面后，測得水壓值小于設(shè)定值時，信標開始工作，發(fā)送位置信號。終端可以在獲取信標機發(fā)送的坐標數(shù)據(jù)后，快速便捷地搜索到需要回收的觀測系統(tǒng)，實施回收工作。
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上述產(chǎn)品雖然可以在全球海域使用，但價格昂貴，且在搜尋衛(wèi)星以及傳送信號過程中的能耗較高，因此主要應(yīng)用于布放于深海大洋中的高成本復(fù)雜觀測系統(tǒng)中。在一些近岸或者低成本的觀測載體上，滿足觀測海區(qū)定位和通信需求的低功耗信標產(chǎn)品更具備競爭力，本文定位于中國近海的水下定點觀測，設(shè)計了一種基于北斗和移動電信 *** 的低功耗、低成本、啟動方式特殊的海洋定位信標，主要服務(wù)于海洋牧場建設(shè)、海岸工程建設(shè)和近海海洋動力過程研究等領(lǐng)域。
一、系統(tǒng)設(shè)計方案
有別于目前主流的信標啟動方式，本文提到的信標依靠電極短路和開路操作完成其工作的轉(zhuǎn)換。信標系統(tǒng)由信標發(fā)射機和信標接收軟件組成。信標發(fā)射機包含由控制模塊、電源模塊和天線模塊；信標接收軟件具備終端顯示功能、目標定位功能和信息提示功能。系統(tǒng)整體組成如圖1所示。
圖1 信標系統(tǒng)組成
⒈信標發(fā)射機設(shè)計信標機從結(jié)構(gòu)上細分為艙體頂部端蓋、電極、主艙體、信標機主版、電池及艙體底部端蓋。信標機外部殼體包括上下兩個端蓋，主艙體，采用聚四氟乙烯材料加工而成。主艙體采用圓筒形結(jié)構(gòu)，圓筒形結(jié)構(gòu)有助于減小海水對艙體的阻力，徑向耐壓性能好，同時也便于加工。頂部端蓋外部有兩個金屬電極，用于觸發(fā)內(nèi)部的控制電路。
主艙體設(shè)計了長度為28cm的4組串聯(lián)電池艙，單塊電池需滿足D型標準1號電池的外觀標準，即高度為59.0mm±0.5mm，直徑為32.3mm±0.2mm。信標機設(shè)計了9～18V的電壓輸入要求，故采用4節(jié)FANSO34615型號3.6V鋰電池串聯(lián)組成14.4V的電池組作為供電電源。電池艙內(nèi)部壓力感應(yīng)彈簧的電阻不能過大，否則會導致電池輸出電壓達不到系統(tǒng)供電要求。信標機整體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖和實物圖如圖2所示，圖2左邊為設(shè)計圖，右邊為實物圖。
圖2 信標機設(shè)計示意圖與實物圖
信標機主板，包含電源插口、微控制器、G *** 卡槽、信號天線等，啟動控制電路版單獨設(shè)計，通過饋線連接主板和上部端蓋的電極。信標機主板設(shè)計尺寸小巧，長和寬分別為5cm和2cm，遠小于和艙體內(nèi)徑尺寸，通過艙體的支架固定在倉體內(nèi)部，其電源控制芯片滿足9～18V范圍內(nèi)的寬電壓輸入標準。主板的設(shè)計示意圖見圖3。
圖3 信標機主板示意圖
控制模塊集成了GPS天線，SIM卡槽，包含可編程控制器的集成電路，條件啟動電路，工作時序可以通過軟件進行讀寫設(shè)置。其中可編程控制器采用了市場成熟的GPS導航定位控制組件，定位天線采用成熟的T102GPS模塊，定位精度可達2.5m以內(nèi)。條件啟動電路的引入是本信標機有別于傳統(tǒng)信標機的創(chuàng)新之處，其電路設(shè)計圖如圖4所示。
圖4 啟動電路設(shè)計圖
條件啟動電路利用水中溶解各種電解質(zhì)產(chǎn)生較多的自由帶電離子，在外加電場下，帶電離子發(fā)生定向移動從而具有導電性的原理，SW接口分別連接兩個外部導電極，VIN接電池(1接正2接負)，VOUT接信標機主板電源(1接正2接負)，電路中R2、R3和R4組成入水導電檢測電路，R2與R3組成限流分壓電路，驅(qū)動三極管Q1導通。入水前連接SW的兩個外部導電極沒有導通，R2和R3接地沒有電流，三極管關(guān)閉；入水后由于水的導電性從而有電流從R4經(jīng)過SW的兩個外部導電極流過R2和R3從而產(chǎn)生電壓電流，驅(qū)動三極管導通。三極管Q1、PMOS管Q2和R1組成電源開關(guān)電路，控制VIN到VOUT的電源通斷，電流方向為VIN到VOUT，當三極管Q1導通時驅(qū)動PMOS管Q2導通，連接VOUT的信標機主板電源開啟，當三極管Q1截止時PMOS管Q2截止，連接VOUT的信標機主板電源關(guān)閉。電容C1的作用為當VOUT電源開啟以后對電源的雜波和交流成分產(chǎn)生濾波的作用。最終的效果為，當電極兩端沒有的導體連接時，也就是電極兩端在海面上處于空氣中，信標處于工作啟動狀態(tài)；當電極兩端存在的導體連接時，也就是電極兩端處于導電的海水中，信標處于工作停止狀態(tài)。
在設(shè)計上引入了條件啟動電路，首先可使信標機不再需要壓力傳感器，節(jié)省了整體的采購制作成本；其次信標機也不需要一直開啟內(nèi)部電源和時鐘，不斷讀取壓力傳感器的實時信號值，節(jié)省了電源供應(yīng)成本；最后信標機的工作狀態(tài)依靠外部電極的導通狀態(tài)來切換，可避免繼電器的使用，減少了一個中間環(huán)節(jié)，節(jié)省了時序電路的控制成本。條件啟動電路的引入，從整體上降低了系統(tǒng)的功耗，降低了系統(tǒng)的成本。與傳統(tǒng)信標機功能對比如表2所示。
表2 與傳統(tǒng)信標機功能對比表
信息 | 傳統(tǒng)信標機 | 設(shè)計信標機 |
啟動方式 | 感知外部水壓值 | 感知外部電導值 |
內(nèi)部壓力傳感器 | 需要 | 不需要 |
工作狀態(tài)切換繼電器 | 需要 | 不需要 |
數(shù)據(jù)采集電路工作狀態(tài) | 2路數(shù)采，一路持續(xù)采集外部壓力值；另一路受控采集位置信號 | 1路數(shù)采；受控采集位置信號 |
電源供電模式水下觀測 | 持續(xù)供電 | 條件控制供電 |
⒉接收終端
接收單元由云端服務(wù)器和瀏覽器組成，G *** 信號可直接發(fā)送至云端，并開發(fā)B/S系統(tǒng)架構(gòu)的終端接收系統(tǒng)，實現(xiàn)云端存儲，而且可以根據(jù)需求進行批量信標位置的查詢和管理。建立云端接收系統(tǒng)的意義在于可以使用戶能夠方便地在具備互聯(lián)網(wǎng)的任何地方登陸界面查詢信標機的狀態(tài)，且同步實現(xiàn)其位置軌跡的追蹤管理。接收單元主要由終端顯示、目標定位和信息提示功能模塊組成，各模塊的功能詳細解釋如下。
⑴終端顯示模塊負責信標機編號、固件版本信息和實時經(jīng)緯度位置信息的展示予更新。Web程序界面集成嵌入地圖組件，選擇需要查詢的信標機編號，可以在地圖上呈現(xiàn)信標最近時刻的位置信息，并可選擇展示該信標一段時間內(nèi)的運動軌跡，方便設(shè)備回收人員對其位置的追蹤。
⑵目標定位模塊負責目標信標機與接收終端的實時相對位置展示。通過此功能模塊，設(shè)備回收人員可以清晰的獲取信標機相對于本人方向和距離信息，指導目標搜尋工作的快速實施。
⑶信息提示功能模塊負責目標信標機狀態(tài)的警示展示。通過對比預(yù)先設(shè)置的電壓閾值和位置范圍，一旦信標機的電壓低于閾值，終端會提示能源報警；一旦信標機的實時的回傳位置距離布放位置預(yù)先設(shè)置的值。
接收端的總體架構(gòu)分為客戶端和Web服務(wù)端。客戶端瀏覽器或者移動APP，Web服務(wù)端使用Express框架，采用SQLServer數(shù)據(jù)庫來存儲 *** 傳送的信標數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)。接收端總體架構(gòu)如圖5所示。
圖5 接收端總體架構(gòu)
二、實驗與討論
為測試信標機的實際定位性能以及在不同地點的通信情況，2020年1月3日在山東威海海域，測試人員攜帶研制信標搭乘船只從威海遠遙碼頭出海，進行了12個站位的信標功能測試實驗，當日氣象狀況良好天氣晴、微風，海況二級。信標固定在觀測潛標系統(tǒng)的上部，每次潛標主體出水后，信標機均位于空氣中，可順利實現(xiàn)位置信息的發(fā)送。
12個測試站位中，最近的站點在岸邊，最遠的站點離岸邊36.7km，整個測試海區(qū)、測試路線和站位清楚的呈現(xiàn)在接收端軟件上。從出發(fā)到返回一共用時500min，其中每個站位將信標置于水下測試5min，12個測試站位累計60min，水下測試過程均無接收信號；海面測試(含行駛時長)共計400min，其中在12個站位累計海面測試216min，均接收到位置信號。站位測試信息如表3所示。
表3 各站位測試信息表
由圖6可見，信標在各個實驗站位獲取的定位衛(wèi)星數(shù)量以及信號強度有明顯差異，離岸邊較近的站點，搜星數(shù)量較多，更大數(shù)量為14，信號強度總體較強，更大可達31dBm；離岸邊較遠的站點，搜星數(shù)量較多，最小數(shù)量為7，信號強度總體較弱，最小僅為可達19dBm。上述情況主要和基站的架設(shè)位置有關(guān)，由于大部分基站都建在陸上，因此在遠離海岸的區(qū)域，信標的定位能力會有所減弱。
圖6 各站位搜星數(shù)量、G *** 信號強度與離岸距離關(guān)系
三、小結(jié)與展望
本文所提到的低功耗的定位信標，經(jīng)過長時間的測試表明，在有 *** 信號覆蓋的地區(qū)，工作穩(wěn)定，以15s的工作間隔連續(xù)發(fā)送信號的時長可達60d。但受置于移動互聯(lián)基站的限制，在遠海區(qū)域特別是手機無信號區(qū)域，該信標無法正常工作。因此，本產(chǎn)品適用范圍明確為離岸20海里以內(nèi)的區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)布放水下觀測系統(tǒng)，本信標作為輔助儀器，具備極高的性價比。此外，由于其通過電極開路、短路操作觸發(fā)啟動的方式，在組件上省掉了壓力傳感器和繼電器，節(jié)省了研制成本，減少了中間控制環(huán)節(jié)，降低了硬件程序設(shè)計的復(fù)雜性，同時降低了功耗，相對傳統(tǒng)信標，在性能上進行了優(yōu)化。
信標機依靠電極控制工作狀態(tài)，而電極會長期工作于水下，對電極的材料要求嚴苛。信標機目前電極嘗試過的材料類型為316L型不銹鋼和鈦金屬。不銹鋼電極成本低，但受原料和加工工藝的差異，有個別廠家的不銹鋼材料電極在水下工作數(shù)月后出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象；鈦金屬電極的成本高，但性能穩(wěn)定，水下長時間工作后未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。在實際的開發(fā)應(yīng)用中，設(shè)計了上述兩種材料的電極，可方便的進行替換，使用者可根據(jù)實際的工作要求對信標機電極進行合理選擇，完成針對性的訂制。
【作者簡介】文/姜靜波 劉慶奎 于非 陳永華 倪佐濤，分別來自中國科學院海洋研究所、中國科學院海洋大科學研究中心、青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室海洋動力過程與氣候功能實驗室、中國科學院海洋環(huán)流與波動重點實驗室。之一作者姜靜波，1979年出生，山東青島人，副研究員，主要從事海洋環(huán)境監(jiān)測儀器的研究；通信作者于非，研究員，主要從事海洋調(diào)查與區(qū)域海洋學研究工作。本文為基金項目，國家重點研發(fā)計劃(2017YFC1403603)、中國科學院科技 *** 服務(wù)計劃(KFJ-STS-ZDTP-055)；文章來自《海洋科學》（2020年第11期），參考文獻略，版權(quán)歸作者及出版社共同擁有，轉(zhuǎn)載也請備注由“溪流之海洋人生”微信公眾平臺編輯與整理。
