面向测量内波的海上移动平台硬件系统设计与应用研究

摘要：根据内波及内波监测技术的特点，该文面向海上移动平台研发了一套硬件系统。该文主要介绍海上移动平台硬件系统设计，该硬件系统主要包括大容量的电池供电系统、通信模组、硬件主板、ADCP和传感器等单元。在系统上搭载了GPS、北斗二合一定位模块和铱星通信模块和融合性的天线系统，可实时回传数据和位置信息。经过多次连续的海上试验及测试，研发的海上移动平台硬件系统可在海上连续且稳定工作30天以上，对内波测量起到了关键的作用，具有重要应用价值。

关键词：内波测量；移动平台；硬件系统；稳定性

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）34-0085-03

目前市场上应用于测量内波的硬件平台存在以下问题和缺点：

1） 用于测量内波的基于海视通、海洋系列卫星、军用卫星的实时数据传输系统[1]，接收和发射天线往往比较大，基于此研发的测量内波硬件平台系统，多为搭载船舶、静态海上作业平台等上面，此类设备难以小型化，不适合应用在小型设备上，应用范围大大降低。

2） 测量内波的硬件平台，为了与测量设备如ADCP或传感器等实现实时通信，多以长距离线缆为传输媒介等传递数据，需要大型运输船来配合作业，成本较高且作业复杂[2]。

本文期望研发一套更适合在海洋、河流、湖泊水系等多种应用、复杂化场景下的测量内波的海上移动平台硬件系统，海上移动平台能够搭载测量内波的设备，实现多任务、实时、稳定可靠传输数据，用于内波的测量。

1 测量内波硬件系统的关键技术

经过长期对内波测量技术的研究[3]，测量内波硬件系统的关键技术主要有以下几个方面：

1） 内波测量对数据时效、真实性要求较高，测量内波硬件需要高可靠度的采集及数据处理技术，高置信的稳定数据传输技术。

2） 内波到来伴随巨大的能量，硬件系统配套的设备需要搭载特殊传感器设备，需要高精度的流速校正技术。

3） 观测内波是一个长期的过程，海上移动平台硬件系统及搭载设备需要强大的电池续航能力[4]。

4） 海上天气复杂，对硬件系统通信部分设计要求较高，硬件通信模块需要配套的融合性天线系统设计能力。

以上是面向测量内波的海上移动平台硬件系统设计的关键技术，针对各个关键技术和功能基本要求，我们需要设计一套针对性强且独特的硬件系统。

2 硬件系统的设计与实现

2.1 硬件系统组成及主要功能

1） 核心平台：硬件系统的核心单元，从设备的稳定性和低功耗要求出发，采用基于ST厂商低功耗MCU进行硬件系统的开发，核心平台是一个多任务、实时数据硬件系统平台，核心平台主要功能是进行数据实时处理、计算、分析等。

2） 多传感器系统（扩展板）和数据采集设备（扩展接口）[5]：主要是应用单元，多传感器系统可以兼容各种类型的传感器，如压力传感器、温度传感器、盐度传感器、溶解氧传感器等小型环境采集单元，数据采集设备兼容大型设备，如ADCP，ROV，AUV，大型声学设备等，此部分是数据采集的入口。

3） 供电单元及存储系统：此部分主要包括供电系统和存储系统两个部分，主要是为硬件平台提供供电并对数据进行本地存储，供电系统是独立的电源系统，存储系统有两套，保障数据存储完整性。

4） 通信链路和融合天线系统：是特殊设计单元，是硬件系统的重要组成部分。我们主要采用铱星、GPS/北斗等卫星通信方法，融合天线系统集成到一套硬件顶盖上，铱星完成数据传输，GPS/北斗实现双模定位等功能。

5） 辅助和外围扩展接口：主要包括常用的网络接口、CAN总线接口、电子罗盘等模块和接口，主要功能是与外部其他系统做兼容用，起到辅助和扩展作用。

2.2 硬件系统配套单元及功能

海上移动平台硬件系统需要岸站数据接收和处理单元[6]，岸站数据接收和处理单元是整个系统的扩展组成部分， 其主要功能是实时、准确、可靠地接收、分析、处理、存储采集到的数据， 并实现即时报警、数据查询统计及遥控等功能，给用户研究使用提供方便。硬件系统配套单元能同时接收不同天线系统传输的数据， 并对数据进行相应的处理、显示和存储。

2.3 硬件系统主要配置及参数

3 实际应用研究及海试验证

3.1 硬件系统关键功能的实现

通过设计研发的海上移动平台硬件系统与搭载的ADCP和CTD等设备采集了流速、温度、盐度等数据，ADCP和CTD等设备采集的流速、温度、盐度等数据通过RS232扩展接口等物理通道将数据传输到核心平台，核心平台进行数据的处理、计算、分析、存储，结合在复杂环境下的不同使用场景，智能选择不同的数据通信链路。通过融合天线系统将数据发送到岸站数据接收和处理单元进行分析、处理、存储等操作，通过整套硬件系统可以实现对内波有效且稳定的测量。

3.2 重点问题解决——融合天线系统性能优化

受制于海上复杂多变环境和海上移动平台结构等因素的影响，设计的融合天线（GPS、北斗、铱星等）通信效果和实际场测差异很大，经过三轮优化设计及专业天线实验室测试和海试场测验证，最终设计的融合一体顶盖天线测试效果最优，融合性天线实验室测试数据如图3～图5。

从数据上看融合性一体顶盖天线效率在50%左右，且天线有效带宽较宽，从图上看其上半球非常圆润，方向性非常好，确定使用此款天线（图6）。

3.3 海试验证

通过连续和不连续近4个多月的海上试验，验证了面向测量内波的海上移动平台硬件系统设计的有效性、稳定性、安全性，经过不断优化硬件系统，已达到批量生产和可产业化状态（核心硬件主板和电池实物如图7） 。

4 结束语

通过内波测量技术的了解及测量内波硬件系统的关键技术研究，特别设计、研发、订制了一套面向测量内波的海上移动平台硬件系统。海上移动平台硬件系统主要包括大容量的电池供电系统、通信模组、硬件主板、ADCP或传感器等单元。在系统上搭载了GPS、北斗二合一定位模塊和铱星通信模块和融合性天线系统，可实时回传海洋科考获得的观测数据和设备位置信息。

通过连续和不连续近4个多月的近海和远海海上试验及测试，研发的面向测量内波的海上移动平台硬件系统可在海上连续且稳定工作30天以上，对内波的测量起到了关键作用，具有重要的科学研究和应用价值。整套海上移动平台硬件系统具有产业化、商业化的广阔前景，真正实现产、学、研的统一。

参考文献：

[1] 陈建军，吴旌，张云海，等．海洋内波现场测量技术研究.第十三届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集[C].中国海洋工程学会编.海洋出版社，2007.

[2] 王火平，陈亮，郭延良，等.海洋内孤立波预警监测识别技术及其在流花16-2油田群开发中的应用[J].海洋工程，2021，39（2）：162-170.

[3] 张晓芳，贾思洋，张曙伟，等.海洋垂直剖面水温实时监测浮标系统研制与应用[J].海洋科学，2016，40（5）：109-114.

[4] 熊斯年，王海军，吴小涛.基于RT-Thread的波浪滑翔器控制系统设计与实现[J].数字海洋与水下攻防，2020，3（4）：339-344.

[5] 侯斐，朱心科，丁巍伟，等.一种移动式海洋地震仪的硬件电路研究[J].海洋学研究，2021，39（1）：38-46.

[6] 刘彬华.基于移动式温度链实时监测系统测量内波方法研究[J].无线互联科技，2022，19（15）：131-136.

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