基于北斗卫星的大型海洋浮标通信机制探究

孙子奇

（哈尔滨工业大学（威海）信息科学与工程学院，山东威海 264200）

0 引言

中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）简称北斗卫星，是由用户区段、地面区段、空间区段所组成的，在能源持续性的支撑下，可在全球空间内进行高精度的数据服务，为交通、航运、水文、气象等提供实时化的数据支撑。传统海洋浮标的水文监测机制，是在不同地点防止浮标装置，然后通过同一时间节点下的数据采集，分析出水文变动趋势。在北斗卫星的支撑下，可将海洋浮标作为一个数据通信点，在“用户—地面—空间”的通信结构下，实现多点位的信息同步传输，且整个数据传输精度远高于传统监测系统，满足水文数据的多类别监测需求。

1 大型海洋浮标系统架构

大型海洋浮标系统运行驱动可以分为北斗终端、地面中心站以及海洋浮标3 个主体模块（图1）：首先，电力控制模块的支撑下，依托于太阳能、潮汐发电以及风力发电等，对终端海洋浮标进行持续性的电力支撑；其次，在动力系统、告警系统以及水文监测系统的应用下，对整个数据采集信息进行模块化支撑，确保数据信息采集的时效性，由北斗卫星地面中心站进行信息存储，将此类信息通过北斗卫星进行数据采集监测；最后，将信息整合并传递到岸站接收中心，通过多维度的数据处理，保证每一类模块在信息采集过程中可以完成对当前海洋信息的综合化监控与处理，令海洋浮标所监控的信息真实反映出当前水面环境信息，为后续管理工作的开展提供数据支撑。

图1 大型海洋浮标系统架构

2 大型海洋浮标系统功能

海洋浮标装置的设定可以通过不同维度的信息采集，为当前海运及水面监测提供数据支撑。大型海洋浮标系统有如下3个功能。

（1）参照物功能。在海上进行水面施工时，由于外界风力的影响，造成施工目标会产生一定的偏差性，海洋浮标的设定，则可以为整个施工提供一个参照点。整体空间位于是按照海上浮标本身所具备的空间点进行数据建设的，这样一来在海上浮标本身的定位功能之上，可以为海面施工提供一个持续性的参照支撑点，进而降低施工误差。

（2）警告功能。在海上施工中，如果施工区处于航道之上，则来往的船只将对整体施工进度造成影响。特别是在能见度较低的恶劣天气时，将对航运船只造成视线影响，高速行驶状态下极易引发碰撞事故。海上浮标装置的应用则可以利用雷达进行空间化检测，其可以穿透烟尘、迷雾等，确定出浮标监测范围内的各类障碍信息，由此界定出当前区域感之内是否存在航行的装置，如果识别到障碍信息则可以通过北斗卫星系统进行报文预警处理，令航运船只了解到当前区域内的障碍情况，并进行减速或规避处理，保证航运的安全性。

（3）水文监测功能。海上环境信息具有多变性特点，例如，海面洋流以及潮差等，恶劣的水文条件将降低整个海洋工程的运行效率。通过水文监测系统的应用，其可以搭载5G 网络，实现大范围的区域监测，结合北斗卫星系统的全域化信息识别，及时针对外界所产生的各类水文信息进行处理，依据自身工程施工现状，制定出更为完整的管理措施，规避各类风险问题。

3 基于北斗卫星的大型海洋浮标通信机制

位拼接作为大型海洋浮标通信系统的关键技术，通过多方位的算法呈现，确保数据信息在运算过程中起到精准识别的作用。

3.1 位拼接算法

传统数据压缩技术的应用是保障信息在固定存储空间下的传输及存储可以得到大容量的压缩，以提高实际运作效率。位拼接算法的应用与实现则是针对当前数据层中的信息进行拼接处理，通过降低资源的耗损量实现对既有空间的有效扩充。当然此类信息空间是在原有空间结构下的数据运行区域内进行数据压缩处理的，提高整体空间容量。从海洋监测角度，大部分数据信息参数只是在固定的范畴内进行数据监测，如风速、水温等，一旦数据值超出基准正常指标时则将此类数值界定为野值，这样便可在固有数据量中对实际范围进行缩减处理。例如，在小数点后的3 位作为表达数据位，在发送过程中可以通过对数据最小位数的缩减与拼接进行截断处理，减小数据传输总量，然后在接收端中利用位拼接算法对数据进行处理，便可以得到原有数据传输单的基准信息。位拼接算法所节约的数据空间效果较高，经实际测证，372 个字节的数据信息经处理过后，仅需要传输222个字节，可节约150 个字节的数据空间。

3.2 LZW 算法

LZW 算法则是针对原有LZ78 算法进行完善的一类压缩型算法，在实际编解码过程中无需将原有的字典进行任何驱动处理便可以实现无损压缩。从运作原理来看，其可以看成是将带压缩的字节设定为一个具有流动特征的字典，通过字符映射出整个字节及码字的输出长度，这样再通过压缩算法实现相应的处理，提高整体压缩质量且不会对原有的字节进行任何改变。

LZW 算法如下：先对字典进行初始化处理，令整个字典所具备的前缀根为空，输入过程中将字符进行值量赋予，在后续字典识别过程中则可以进行更新处理，依据码字进行输出限流。此过程中将判定出数据压缩的存有量，如果存在则继续进行数字限流处理，否则进行编码结束，并将整个解压缩与压缩中的数字进行二次比对，生成一个具有字符串输出效果的码字。解压过程按照字典中的前缀根进行符值处理，在原有的词典中查证出与字符串相对应的字符流并进行编码，如果在字典中存在当前编码，则进行数据读取，否则返回到数据流中进行依次比对处理、直至解压完毕。

3.3 压缩效果

经过两种算法的实际应用比较，位拼接算法的压缩率与数据源所占据的空间及传输性能具有一定关联在一定范畴内，如果数据本身产生浮动效果的话，则统计层面则需要对不同类别的数据进行持续性亚索，此时LZW 压缩分布则可以看成是基于浮标通讯性能的基准化拼接处理，且整个拼接率高达28%以上，这时可以视作在通信延时期间，帧数损失效果较低，大大提高通讯性能。

4 大型海洋浮标通信协议

大型海洋浮标通信机制是在不同设备之间进行数据传输时的一种规约形式，其中通信协议设计的需要针对信息在流通过程中的效率性及安全性进行分析。从上文可以看出，位拼接LZW 在进行数据压缩与处理时期，可以针对不同范畴内的数据进行等位处理，此时在变帧过程中则可以依据不同协议层进行分化解析（图2）。

图2 通信协议

（1）在帧元结构中，可以整个通信协议的最小单元数进行发送段与接收端的数据压缩处理，然后将此类帧元结构进行填充与完善，确保在通信区域内数据提取，是符合帧数对接需求的，这样可以有效规避因为通信时延所产生的掉帧问题。其中，帧长度代表帧元区段内的字节长度、浮标号代表单一帧数据的浮标对称点、命令码代表帧类型、通信数据代表对应在位拼接之后的压缩数据。

（2）在包元结构中其可以看成是帧元结构的一种存储场所，每一个包元结构在解析时，必须含有一个或多个帧元结构才可以确保在数据压缩过程中按照字节填充量进行数据压缩与解析处理。例如在包元结构中，如果字数限制为84 个字节，则不满字节存储容量下进行数据填充处理，如果满足数据存储需求，则将真元结构填充到下一个包元结构中，实现持续性的数据压缩，保证信息传输的完整性。其中，包长度代表包元所有区段字节长度总和、包序号代表位列值、通信数据代表存放压缩后的帧元数据。

5 “主—从”状态机控制

对于北斗卫星通信系统而言，数据压缩是针对整个传输效率提供一个运行载体，并且可以有效提高信息传输的安全性，避免数据传输误差的问题。基于通信机制而实现的两重状态控制，则是从主动与从动状态对北斗通信中的数据丢失问题进行解决，保证整个通信过程的持续性与可靠性。

（1）主动与从动状态机可以有效规避信号弱控制问题，提高整个状态期的统筹性能，保证在不同区位下实现时间节点的多位处理，确保浮标装置在信号采集与传输过程中的完整性。

（2）主动与从动状态机可以对帧数进行重发处理，规避因为漏帧、失帧所引发的数据对接不流畅问题。此类数据失帧处理可以针对丢失的数据进行单独补发处理。

（3）主动与从动状态机可对当前数据运行进行纠错处理，其中主状态可识别数据传输过程中的各类风险问题，从状态机则可对带有风险的数据进行排错处理，避免产生数据误传递问题。

对于浮标通信机制而言，可以有效将数据进行识别与归类处理，例如命令信号与浮标机器进行对接，在数据传输时，利用主状态机的检测功能，查找出不同信息类别中存在的问题，从状态机则是对后续浮标装置通信进行辅助检测的作用，确保主体线程通信的完整性，提高信号信息的传输质量。

6 结束语

北斗卫星支撑下的大型海洋浮标通信系统，可实时化、精准化地阐释当前操控环境的数据罗列属性，增强数据识别度，令地面接收器了解海洋上的环境信息，为后续管理工作的开展提供基础保障。在后续发展过程中必须进一步加强对通信技术的应用及检测设备的维护，提高信息监测质量，为海洋监管工作的开展提供数据支撑。