基于新一代Argos卫星系统的表面漂流浮标设计

李文彬，张少永，商红梅，邬海强

（国家海洋技术中心，天津 300112）

基于新一代Argos卫星系统的表面漂流浮标设计

李文彬，张少永，商红梅，邬海强

（国家海洋技术中心，天津 300112）

介绍了改进的表面漂流浮标的功能、组成和设计过程。该浮标加装了Argos卫星收发器和GPS模块，相比目前的表面漂流浮标，该浮标具有数据传输有效性高，功耗低，采集数据量大，可双向通信等特点。浮标在布放后可通过网络申请对浮标参数进行设置，再由卫星将设置参数发送给浮标；浮标利用GPS模块对其直接定位，且定位精度显著提高。浮标测量的数据可服务于水产养殖、环境保护和生态治理、气象和海洋监测预报、军事监测等多个领域。

表面漂流浮标；PMT；数据传输

近十几年来,随着卫星跟踪观测技术的发展,越来越多的卫星跟踪浮标 (主要有表面漂流浮标及ARGO剖面浮标)被用来观测海流。Argos系统是在卫星跟踪浮标中应用十分广泛的卫星系统。Argos系统中卫星发射平台将各种传感器测量环境要素按照一定格式向上发射给卫星。卫星接收到卫星收发器的信号，一方面从经过调制的载波中提取出测量数据，另一方面根据定位计算的需要测量载波本身的多普勒频率偏移值，然后把这两类数据向下转发给地面各种接收站。地面站接收到数据后先进行初步处理，再转送到数据处理中心进行最后处理，形成文件，并通过各种途径把结果分发给用户。

表面漂流浮标是一种随流漂移、利用Argos卫星系统定位、具有数据实时传输功能的海洋仪器，浮标装载温度传感器来获取表层水温，用拉格朗日法大尺度测量表层流速和跟踪海流走向，并由此分析观测海域海流及水体表层温度的分布特征，进一步认识和了解观测海域的表层海流及其流路等。然而在实际应用中由于天气、海况等因素，如果Argos卫星接收到由漂流浮标发送的数据次数较少（少于4条），就导致其无法计算出浮标的准确定位。由于没有浮标的定位信息，搭载Argo的卫星发射器（PTT）的浮标所采集的数据也就无效。由于Argos卫星发射器是单向通信，无法得知卫星过顶时间，只有按照一定的时间间隔不间断的发送浮标采集的数据。当没有卫星过顶时，卫星就接收不到Argos卫星发射器发送的数据，增加了整个系统的功耗，减少了浮标的工作寿命。

新一代的Argos卫星收发器（PMT）具有双向通信、卫星过顶时间可预测、大容量数据存储和较高的数据上传速率等特点。本文研究的主要目的是根据卫星收发器的特点，将其应用在表面漂流浮标上，当卫星过顶时，卫星收发器发射浮标搭载传感器采集到的数据；当卫星离开后，卫星收发器停止发射以减少系统功耗，延长漂流浮标工作寿命；同时，在浮标上搭载GPS模块，对于每次测量点的位置信息都可以通过GPS模块获得，保证每次测量数据的有效性。

在2006年，法国发射第一颗Argos-3卫星（METOP A），在2009年发射第二颗Argos-3卫星，并在未来几年还要发送2～3颗Argos-3卫星。而表面漂流浮标搭载的卫星通信系统基本是第二代Argo卫星系统的卫星发射器（PTT）。目前，我国生产的漂流浮标还没有搭载可双向通信的卫星收发器，并且在其他观测浮标也没有搭载这种卫星收发器。而双向通信的卫星收发器的应用是将来卫星通信系统的趋势。

1 表面漂流浮标设计

1.1 表面漂流浮标系统组成

系统在水面漂流时，主要受到海流、波浪和风的作用。由于浮标既要用拉格朗日法测流，又要获取海表面其它参数数据，因此在总体结构设计上，既要保证浮标具有很好的随流性，又要满足其它传感器测量对安装位置的要求。浮标结构主要由标体和水帆组成，如图1所示，其中浮标标体为圆柱形密封壳体，由上端盖和下端盖组成。壳体材料选用非金属材料，各处连接采用O形圈密封。壳体直径约140 mm，高约800 mm（不含天线），耐压和密封性能达0.1 MPa。标体内部装有控制模块、通讯模块、GPS模块和电池组。水帆呈“十”字交叉状，与标体上下端盖连接，可拆卸。水帆的作用是使整个浮标有良好的随流性，提高海流测量和海流跟踪的准确性。同时浮标重量、浮力的配置安装尽可能使浮标露出水面部分很小。

图1 表面漂流浮标结构图

浮标总体设计：总高约1.6 m；水帆展开尺寸1140 mm×800 mm。

总体积约22.4 L；排水体积约18.7 L；重心高度约458 mm；稳心高度525 mm。

浮标横摇固有周期为2.5 s，在5级海况下，波浪作用下最大横摇角为11.2°。

浮标纵荡运动激发力只有波浪力，浮标自由纵荡运动固有周期为1.49 s，5级海况下，最大振荡幅值约为300 mm。

表面漂流浮标主要由电源系统、温度传感器、浸没传感器、数据采集处理电路、Argos通讯电路、GPS模块、天线等组成。

1.2 表面漂流浮标的主要功能

该浮标功能：浮标布放后按照预定采样间隔采集温度数据和位置信息，通过接口将测量数据发送给卫星收发器，卫星收发器对数据进行暂存，当Argos卫星过顶时，卫星收发器自动向卫星发射数据。该卫星收发器发射周期的缺省值为90 s，用户可通过卫星对卫星收发器的发射周期修改，其发射周期可在30～255 s之间选择，当浮标进入重点海域后，用户可通过卫星向浮标发送命令减少浮标工作间隔，增加对该海域的观测密度；该浮标还可将每20次测量数据作为一个数据包写入卫星收发器，当Argos-3卫星经过时，利用卫星收发器的高速模式将该数据包发送，确保测量的数据不丢失；该浮标发送的数据中包括浮标的位置信息，可将浮标的数据加密后发出，同时将Argos卫星中心计算的位置信息屏蔽，保证数据的保密性。相对于原先漂流浮标仅返回卫星经过时浮标测量的温度数据，这种加装GPS的漂流浮标可以将每个测量点的温度数据通过卫星发回，其测量密度大大增加，且真实的反映海流的流向。

1.3 Argos系统卫星收发器

Argos卫星收发器如图2所示，其主要指标:

上传频率：401.65 MHz；

下载频率：465.987 5 MHz；

调制方式：相位调制；

位速率：4 800 bps，9 600 bps；

电源：DC，5.5～14 V；

静态电流：90 μA；

发射功率：1～5 W。

根据不同的需要，Argos卫星发射平台可以组装成各种不同的形式，例如可以安装在浮标等各种平台上进行数据采集、传输，可以安装在动物身体上进行动物的迁徙跟踪等。

1.4 GPS模块

本浮标选用美国GARMIN的12通道GPS接收机，如图3所示。该产品的主要指标：

（1） 电气指标

输入电压：DC，4～5.8 V；输入电流：140 mA（峰值）；接收机灵敏度：-165 dBW（最小）

（2） 技术指标

通道数：12；冷启动：45 s；定位时间：5 min（最长）；更新率：1 s；定位精度：≤15 m（95%）

（3） 物理指标

尺寸：46.48 mm×69.85 mm×11.43 mm；重量：38 g

（4） 环境指标

工作温度：-30～80 ℃；存贮温度：-40～90 ℃

图2 卫星收发器

图3 GPS接收机

2 数据采集控制电路设计

数据采集控制电路的功能是按照预定的时间间隔对海区进行实时数据采集并存储采集的数据；控制GPS模块，并通过GPS模块获得浮标的即时位置信息；将传感器采集的数据和定位数据写入卫星收发器，控制卫星收发器工作，通过卫星将采集的数据返回到地面用户进行处理；处理卫星收发器接收的下载命令，根据下载命令改变浮标的工作参数。

2.1 浮标电路硬件设计

图4 浮标电路框图

该数据采集控制电路以美国微芯（Microchip Technology）公司8位单片机PIC16F877为核心，带有电源变换、实时时钟、外部串行EEPROM数据存贮器、外部A/D、串行异步通讯接口等外围电路。

为了保证整机的长时间可靠运行，要求数据采集控制电路进行耐低温和低功耗设计，主要采取了以下措施：

（1）选用耐低温的低功耗PIC16F877单片机。PIC16F877单片机的特点是采用14位的精简指令集（RISC）、低功耗、高速度、体积小、功能强、耐低温。并且此型号的单片机内部带有EERPROM存贮器、A/D转换器、I2C接口、异步串行通讯（USART）接口、FLASH程序存贮器等。

目前该单片机开发工具除了微芯公司的汇编语言开发环境外，还有第3方提供的HI_TECH PICC C语言开发环境。

（2）外围电路关键件选用军品级或工业品级器件，并进行筛选和测试。

（3）整机电路板进行环境试验，保证在-10～50℃仍正常工作。

（4）浮标体内电路板尽可能安装于浮标底部。当浮标布放后，电路板所处位置基本处于海水温度范围，避免气温剧烈变化影响电路正常工作。

2.2 浮标软件设计

该浮标软件设计主要考虑数据控制采集电路板对PMT的控制，浮标按照设定时间间隔采集数据，数据控制采集电路将每次采集的时间信息、温度数据和浮标的位置信息存储在数据存储器中，同时将其写入PMT。当卫星过顶时，PMT将数据通过卫星返回到用户。同时为防止数据在传输过程中丢失，将每20次测量的数据作为高速率数据包写入PMT中，当Argos-3卫星经过时，将该数据包发送出去，以保证数据传输的可靠性。在软件设计中，程序考虑了以下措施：

（1）硬件和软件设计中采用看门狗措施，在软件中有抗干扰自复位功能，防止外部强干扰造成的死机。

（2）数据传输中加入CRC校验，保证数据传输可靠性和真实性。

（3）用户向PMT传送具有一定格式的下载命令，防止对PMT误操作。

浮标的主要工作流程如图5所示：

图5 浮标程序框图

3 试验情况

经过整机拷机试验，浮标用电按15 min工作1次，每次工作1 min，在电池14.4 V供电情况下，浮标的静态工作电流约为10 mA；GPS工作电流约为90 mA，每次工作40 s；PMT发射电流约为350 mA。每次工作约1 s，间隔为45 s，每天发射数据约700次；系统工作时平均耗电72 mA，按寿命600 d计算，可得总耗电为：

选用高容量、具有大电流输出能力、小体积的ER34615锂电池（单节3.6 V，12 Ah）作为浮标电源。采用4节电池串联成组，考虑电源冗余，7组并联的形式，共计电量 12×7=84 Ah。

通过改进浮标数据采集和传输方式，提高数据压缩率，选择合适的发射周期和采样间隔，浮标将每条数据重发5次，并将每20次采集的数据作为高速率数据包写入PMT中，当Argos-3卫星通过时，PMT可以将高速率数据包发射出去。

图6 用户对PMT操作界面

用户可通过Argos数据中心的网站向PMT发射命令，PMT将下载命令传给主控电路，主控电路根据命令改变浮标的工作参数。如图6所示，用户向浮标发射字符串：1045，其中10为该命令的字头，45为浮标每次采样的工作间隔，浮标每45 min采集1次数据；用户也可向PMT发射命令改变PMT的发射数据的间隔。

根据浮标数据通信效果，通过计算和陆地连续拷机测试，数据传输有效率到达90%以上。

4 结论

（1）保证数据传输的有效性：通过设置合适的浮标采样间隔和发射周期，并采用PMT可发射高速数据包的功能，确保采集数据传输的有效性。

（2）降低浮标的功耗：由于浮标上搭载的卫星收发器具有过顶可预测的功能，浮标只有卫星过顶时才会发射数据，其发射数据的功耗可大大降低。

（3）提高位置精度：加装GPS的漂流浮标测量点的位置精度大大提高。其浮标位置的误差范围由原来的1 000 m减小到30 m，通信费用不会因位置精度的提高而增加，而保持其费用不变。

（4）增加浮标测量点：该浮标可将每次测量的数据传回，而不是传回仅在卫星通过时测量的数据，获得的数据量大大增加。

（5）浮标具有双向通信的功能，用户可在浮标布放后修改在位浮标的工作参数，如浮标的采样间隔、数据的发射周期等，以实现对不同海域的观测方式。

[1]M Guigue.PMT RFM-YTR-3000 USER MANUAL.2010.

[2]商红梅.使用Argos卫星系统对Argo浮标进行定位和数据传输[J].海洋技术，2001，20（3）：41-43.

[3]余立中，山广林.表层漂流浮标及其跟踪技术[J].海洋技术,1997,16（2）：1-11.

[4]吴少军，刘光斌.实用低功耗设计－原理、器件与应用[M].北京：人民邮电出版社,2002.

[5]求是科技编著.PIC单片机典型模块设计实例导航[M].北京：人民邮电出版社,2005.

[6]http://www.argos-system.com

Abstract：The function,component and design process of the improved surface drifting buoy are introduced.The platform message transceiver and GPS are mounted in the buoy.Compared to current surface drifting buoy,the improved buoy has the characteristics of large data transmission,low power consumption,large data collection and transmission in dual-way etc.The parameter of deployed buoy can be set through the web and sent to the buoy through the satellite in delayed time.Meanwhile,the buoy could be located through the GPS module and the precision of the buoy position can be appropriately improved.The application includes agriculture,environment protection,ecological treatment,meteorology and ocean monitoring and forecast and military measurement etc.

Key words：surface drifting buoy;PMT;data transmission

Design of Surface Drifting Buoy Based on Argos Satellite System

LI Wen-bin,ZHANG Shao-yong,SHANG Hong-mei,WU Hai-qiang
（National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

P715.2

A

1003-2029（2011）01-0001-05

2010-08-03

国家海洋局海洋溢油鉴别与损害评估技术重点实验室2010年度开放基金项目（201001）

李文彬（1982－），男，山西人，硕士生；研究方向：海洋观测技术。