应用于智能浮标的北斗铱星双模通信系统设计*

马凤强， 吕婷婷,2,3， 张 浩,2,3

(1.中国海洋大学 信息科学与工程学院，山东 青岛 266100; 2.海洋短波通信开放工作室，山东 青岛 266200;3.青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东 青岛 266200)

0 引 言

我国是一个海洋大国，领土位置决定我国有着绵长的海岸线以及丰富的海洋资源。然而在对海洋探测方面，我国正处在初步发展阶段，尤其是对2 000 m以下的深海数据探测方面，更是处在摸索阶段。研制面向全球深海大洋的智能浮标观测仪器，对于海洋科学的发展和国防建设至关重要[1]。智能浮标能实现Argo模式和Glider模式的自由切换，不同工作模式下可以完成长时间大范围的纵向剖面测量、水平面的横向局部测量和目标附近的精细测量等任务。

在数据通信方面，由于卫星通信全球覆盖为智能浮标的首选通信方式。常见的应用在海洋数据通信的卫星系统有铱星通信系统、海事卫星系统、ARGOS、以及中国自主研制的北斗卫星系统[2]。目前国内外在水下设备通信方面一般采用单模通信方式，只搭载一种卫星通信方式，系统的可选择性较少，灵活性较差。当通信系统出现问题后，设备丢失概率非常大。由于智能浮标搭载大量科研传感器，数据量较大，并且需要长时间大海深进行观测，从数据传输速率、安全性以及通信模块功耗等角度，综合选择北斗卫星系统以及铱星通信系统相结合进行数据传输。

北斗卫星导航定位系统是我国自主研制开发，具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能，其中短报文通信是北斗相比于全球定位系统(global positioning system,GPS)独有的特色功能[3]。北斗通信卫星属于地球同步卫星，主要覆盖中国大陆、东南亚、东亚、印度洋等地区。北斗短消息通信是北斗卫星导航系统独有功能[4]。能够提高敏感海域、重要海域的测量数据安全性[5]。覆盖范围内具有信号强度高，通信费用低，信息传输安全等优势。但是北斗卫星通信也有其局限，目前北斗单次通信容量有限，民用通信容量仅有77 bit；通信频度受控，民用通信频度在1min左右；且通信范围目前还不能覆盖全球[6]。

铱星通信系统是美国摩托罗拉公司设计的全球移动卫星通信系统，由分布在 6个极地圆轨道面的距地球表面约780 km的66颗低轨卫星组成[7]。铱星因其轨道低，传输速度快，信息损耗小，通信质量高等显著特点而在海洋数据通信等方面被广泛应用[8]。然而铱星通信也存在着数据通信费用高，数据传输安全性低等缺点。

综合两种卫星通信方式的优缺点，本文设计了一种北斗通信和铱星通信相结合的双模通信方式。该方式根据智能浮标观测数据的敏感程度、卫星信号强度情况由岸站控制系统灵活选择卫星通信方式，提高观测数据传输效率的同时，保障敏感数据的安全性。该通信方式具有较好的普适性，可广泛应用于其他水下观测设备，如浮标、Glider、自主水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV)等。

1 硬件设计

本文的硬件设计部分主要包括通信模块的选型以及硬件电路板设计结构图。北斗短报文通信的模块采用GNM2A12型模块，支持北斗卫星无线电测定业务(radio determination satellite service,RDSS)/卫星无线电导航业务(radio navigation satellite service,RNSS)功能。模块内部集成了高性能RDSS射频收发芯片、10 W输出功率的功放模块、可实现RDSS定位、通信功能等功能。铱星拨号通信采用9 523模块，Iridium Core 9523是紧凑的、经济高效的、强大的铱星收发器模块，是目前最小、最轻、非常先进的铱星语音和数据通信模块，支持所有铱星业务[9]。

如图1所示为硬件组成结构图，硬件电路核心控制芯片采用STM32F429作为核心控制芯片，通信定位一体机输入电压包括14.8 V和5 V两路供电。14.8 V电压通过降压模块转换为12 V给铱星模块和北斗模块供电。5 V电压直接给北斗和铱星模块供电，并且通过降压模块转换为3.3 V给单片机供电。

北斗通信电平采用TTL标准，铱星通信电平采用RS—232标准，单片机内部电路电平为TTL电平，电平转换电路采用MAX3232作为电平转换芯片。在通信模式选择时，通过三极管开关电路控制是否给模块供电，进而控制通信模式的选择，实现北斗和铱星双模通信。

图1 硬件组成结构图

2 软件设计

基于深海智能浮标的北斗和铱星双模通信系统的软件部分主要包括系统整体流程框图的设计、数据包指令格式的设计以及通信协议的设计。

2.1 系统整体设计

如图2所示为铱星与北斗双模通信的流程框图，涉及智能浮标载体中心控制系统(简称中控系统)、载体通信定位一体机(简称一体机)、岸站控制系统(简称岸站)三方。深海智能浮标浮出海面后，中控系统检测到载体达到通信高度要求后，中控系统唤醒一体机。一体机唤醒后分别给铱星模块和北斗模块供电，两个模块将会自动获取定位信息，并向岸站发送。当岸站确定使用某种通信方式，接收到定位信息后，一体机自动检测，并确认连接对应的通信模块，同时将另外一个通信模块断电以降低功耗，进而实现双模通信。

图2 铱星北斗双模通信流程框图

2.2 数据包指令格式

北斗短报文通信的限制发送字节长度为77 bit，因此为使岸站接收数据包格式相统一，铱星通信传输的数据包与北斗传输的数据包格式相同，采用相同的数据格式，在载体中控，一体机和岸站三方之间进行信息交互时，发送方将数据信息按表1所示格式打包处理，接收方按照该格式对数据进行解析。

表1 数据包格式 bit

各字段的意思如表2所示。

表2 各字段意义

该数据包的指令格式能够有效地完成数据传输，岸站控制系统可以实时监测当前数据传输进度。该数据包指令格式包含8位异或校验用以确保通信内容的准确性，当数据校验错误时，将当前数据包丢弃，并对丢包数据重传。

2.3 通信协议

中控系统、一体机以及岸站之间的数据传输整体流程如图3所示。深海浮标浮出水面达到通信要求后，中控系统唤醒一体机。一体机北斗模块自动获取定位并发送给岸站系统，铱星模块自动获取定位信息并拨号和岸站模块建立通信链路。当岸站确定采用某种通信方式后，一体机自动检测通信方式，并将另外一个通信模块断电，降低功耗。

图3 数据传输流程

岸站控制系统收到定位信息后，将给一体机发送定位信息反馈，一体机将该反馈传给中控系统。中控系统每隔2 s发送一次关键信息，一体机将其发送给岸站直到收到岸站反馈，并将反馈发送给中控系统。

中控系统收到关键信息反馈后发送数据包给一体机，一体机自动进行数据透传，直到收到结束包。若岸站系统检测到有数据丢包则发送数据重传指令，一体机将指令进行透传，中控系统则对丢包数据进行重传。当数据全部接收完成之后，岸站对载体下达控制指令，一体机则对指令进行数据透传。

一体机采用铱星拨号通信，当信号不稳定导致通信链路断开时，一体机会自动重新获取定位并拨号。北斗短报文通信每隔60 s发送一次数据，为降低一体机功耗，发送数据包时采用休眠发送方式，休眠发送即当一体机检测数据包发送时，发送完当前数据包5 s之后将北斗模块断电，并在下一条数据包发送之前将北斗模块重新上电。

3 实验结果分析

在对该双模通信系统进行实际测试时，该系统可以根据岸站实际情况自由选择北斗通信或者铱星通信，并且两种通信方式都可以将载体的采集到的数据完整传到岸站控制系统。卫星信号受建筑物等遮挡物影响较大，当天线安置在室内时接收不到卫星信号。在实际湖试实验时，该通信系统工作状态稳定，岸站控制系统可以灵活选择通信方式。如图4所示为载体抚仙湖湖试照片。

图4 抚仙湖湖试载体实物

当岸站选择北斗通信进行测试时，岸站控制系统能够接收到通信定位一体机的各类传感器数据，并且能够和岸站控制系统行指令交互，如图5所示为岸站控制系统数据接收与指令交互界面。

图5 岸站控制系统数据接收界面

在进行北斗短报文通信测试时，对该系统进行了10个周期数据测试，并对数据传输的成功率进行了统计如表3所示，由统计结果显示，在对北斗短报文通信进行一系列测

表3 北斗通信数据传输成功率统计

试的过程中数据传输成功率较高,在10次测试中每次的数据传输成功率都能达到92%以上，并且能够对丢包数据进行重传，完整的接收数据包。

在对铱星拨号通信进行测试时，铱星信号强度检测值波动较大，当信号较好时，通信数据传输能够快速完成并且能够进行数据交互。当信号较差时，通信链路断开，通信定位一体机能够成功重新获取定位信息，并进行拨号，直到拨号成功。如图6所示为铱星通信数据传输界面以及通信链路断开后重新拨号建立链路界面。

图6 铱星拨号通信链路建立与信息传输界面

通过以上测试，充分验证了北斗铱星双模通信协议的有效性，岸站可以自由选择载体的通信模式。在不同的通信模式下当因卫星信号波动造成丢包时，能够对丢包数据重传，确保数据的完整性。在铱星拨号通信模式下，当通信链路断开后，重新拨号建立通信链路时能够在数据断点处继续传输，保证数据传输的高效性。

4 结 论

本文设计的北斗铱星双模通信系统实现由岸站自由选择通信方式，能够适应恶劣的海洋环境，当某种通信方式发生故障，或者卫星信号较差不能正常通信时，可以由岸站进行通信方式的切换，能够有效提高系统的鲁棒性。另一方面，利用铱星通信进行数据传输时，数据通信费用较高，拨号通信时，按照通信时长进行计费。北斗通信系统收费更加便宜，可以灵活切换两种通信方式降低通信成本，同时针对敏感数据采用北斗通信能够充分保证数据的安全性。