基于无人布设的海洋环境数据监测系统研究

杨保华，张昭，郭飞

（1.北京机电工程研究所，北京 100074； 2.中国航天科工集体团，北京 100854 ）

引言

随着信息化、智能化、无人化技术的高速发展，“智慧海洋”逐步替代“数字海洋”， 成为海洋信息化发展的必然趋势。本文针对“智慧海洋”建设过程中缺乏及时高效、高精细的海洋实时数据观测手段问题，开展基于无人布设的海洋环境数据远程自主监测系统及关键技术研究，以期提升“智慧海洋”环境实时信息获取及数据提供能力，加速推进“智慧战场”环境保障能力建设。

1 国内外发展情况

1.1 国外海洋监测系统发展情况

海洋发达国家积极推动海洋信息基础设施建设，高度重视新一代信息技术和装备在海洋领域的应用，大力实施国家级海洋专项，持续提升海洋信息领域整体能力，不断拓展战略利益空间[1]。从上世纪80年代起，美国联合加拿大等相关国家启动并部署建设了多个海洋监测系统：如“综合海洋观测系统（IOOS）、大西洋区域监测计划（AZMP）、北极监测和评价计划（AMAP）等，构建了一套完整的岸基-海洋自动观测网络，从多个领域对海洋环境进行监测，涵盖生物、物理、化学及军事等多个学科。主要运用自动控制技术，对海洋信息参数进行自动采集，并将采集到的数据经过海洋浮标、近海平台、卫星等手段传输至岸基系统。其海洋监测覆盖面积广，实时性高等优势使其在海洋监测领域做出了极大的贡献。

1.2 国内海洋监测系统发展情况

我国已经构建了以近岸（海岛）固定式海洋监测站为主，船舶自动观测设备、海洋观测浮标为辅的初级海洋环境监测体系，和美国等发达国家相比还存在着起步较晚、时空覆盖范围与监测尺度不足的缺点[2]。目前的观测方式以岸基站常规监测为主，依靠国家海洋局的若干观测站、大型海洋固定观测浮标以及ARGO浮标，以及近年来建立的海底观测网，缺少布设灵活机动、大范围、多维度、长时间的海洋环境监测手段，在科学领域，无法满足海洋科学研究长期、连续、实时、多学科同步的综合性观测需求[2]，在军事领域，无法满足关键海域战时快速、实时、高效、准确的针对性观测需求。

因此，发展基于无人布设的海洋环境数据远程自主监测技术，建立一套可以应用于平战时的基于无人机的快速布设、数据实时获取、信息高速传输的海洋环境数据远程自主监测系统，作为国家海洋环境监测体系的有益补充，对于加快“智慧海洋”建设，推进“智慧战场”环境保障能力形成，具有深远的意义。

2 基于无人布设的海洋环境数据远程自主监测系统设计

2.1 建设目标

针对我国海洋研究、海洋开发、海洋管理和其它海上活动（含军事活动）等缺乏及时高效、高分辨率的海洋实时数据观测手段问题，研究无人机自主空投布放、大规模分布式随机接入、大并发物联信号全概率检测接收等关键技术，研制低成本、长待机、长寿命、免维护的监测浮标节点，快速、高效的基于无人机的自主空投布放系统与数据通信系统，直观、全面的基于卫星的地面数据管理服务平台，大幅提升海洋环境实时信息获取及数据提供能力。

2.2 系统架构

系统采用基于LoRa通信协议的分布式架构。通过无人机自主空投布放系统完成对低成本的小型监测浮标在预定海域的批量快速布防。小型监测浮标作为节点完成对预定海域水下温度、压力、水声等环境数据采集，利用LoRa设备低功耗、远距离通信、低成本特点，构成大容量的传感器网络，并远距离无线传递命令及数据。无人机以指令巡航的方式大范围融合监测浮标节点数据，形成LoRa通信基站并与卫星通信，再由卫星中转将采集到的环境数据发送给地面接收管理服务平台。小型监测浮标与无人机、无人机与卫星、卫星与地面接收设备之间均采用加密传输。系统架构图如图1所示。

图1 系统架构示意图

2.3 系统组成及功能指标

系统主要由一定数量的小型监测浮标、无人机（加装自主式空投布放系统、机载数据通信系统）、基于卫星的地面数据管理服务平台组成。

无人机考虑运载量及航程，可基于运-12等通用飞机完成改装研制，使运-12具备大重量、远航程和快速便捷的无人化空中运投能力，载重≥1.5 t，航程≥1000 km。

小型监测浮标为剖面漂流浮标，以一定周期漂浮在洋面上或沉入水中作业，通信时需浮于海面上，功能指标如下： 最大工作深度：≤300 m；定位方式：北斗；通信方式：LoRa 433 MHz；采样间隔：≥1 h（可设定）；工作时间：≥150天（1 h间隔条件下）；具备温度、压力、水声等参数测量能力；重量：≤10 kg；能够承受海面严峻的环境。

在空旷海面上，无人机与小型监测浮标节点监听距离≥5 km；同时支持的浮标节点数目≥5000个。

2.4 系统设计

2.4.1 低功耗远程无线传输方案

当前网络通信技术日新月异，有WIFI、Bluetooth、Zigbee、4G、5G等成熟通信手段，也有新兴的LiFi、AirGig、量子通信等，更有应用于物联网领域的LoRa、NB－IOT等技术手段。通过从技术成熟度、功耗、成本等角度综合考虑，选择LoRa作为系统无线传输手段。

LoRa主要针对广域网（WAN）应用，旨在为具有特定功能的低功率WAN提供支持，以便在IoT和M2M中支持低成本的移动安全双向通信智能城市和工业应用。针对低功耗优化并支持具数百万台设备的大型网络，数据速率范围为0.3 kbps至50 kbps。

综合考虑传输速率与通信距离，选择SF（扩频因子）=8，BW（信道带宽）=500，bps（速率）=12500，负载=64，传输距离大于10 km，通信耗时约为43.65 ms，适合典型应用场景。若节点发射频率为1次/小时，无人机作为节点理论上可接入的小型监测浮标节点数不超过82500个。

节点入网过程如下：

1）将小型监测浮标节点部署到洋面后，节点从北斗获取位置信息。每个节点的LoRa通信范围不小于10 km，保证处于无人机覆盖范围。监听433 MHz频段，频率433～434 MHz，共3个信道。

2）浮标节点依次向所有频点发送LoRa入网申请，入网申请包类型定义为0×01，数据包如图2。

图2 入网申请包

3）无人机机载数据通信系统接收到入网申请包后，将通信链路强度（RSSI，4字节有符号整型）写入数据区，入网申请响应包类型定义为0x02，组成入网申请响应包发回给节点，数据包如图3。

图3 入网响应包

4）节点获得从无人机返回的响应包，发射节点监听频点入网响应确认包，入网响应确认包类型定义为0×03，数据包如图4。

图4 入网响应确认包

无人机接收到入网响应确认包后，将该节点ID存入节点列表中，开始数据接收。

2.4.2 大容量并发信号全概率检测接入方案

在系统中，无人机机载数据通信系统同时接收多个节点的数据，在每个节点都进行1次/h的数据发射过程中，如不采用算法干预的情况下，很大概率会发生碰撞，导致数据丢失。而节点能量有限，使用检测重传机制会导致节点能耗大大增加，降低寿命。因此，系统提出节点轮询机制，并预估节点预轮询时间。当节点处于采集过程中，LoRa发射接收模块休眠，待轮询时间到达前触发接收模块监听消息，从而达到全概率检测、低功耗的要求。

浮标节点依次向所有频点发送LoRa入网申请，无人机机载数据通信系统接收到入网申请包后，将通信链路强度（RSSI）写入数据区，组成入网申请响应包发回给节点，节点获得从无人机机载数据通信系统返回的响应包，发射监听频点入网响应确认包，接收到入网响应确认包后，将该节点ID存入节点列表中。

机载数据通信系统在存节点ID或接收节点采集数据之后，根据策略设置预轮询时间，将该时间填入预轮询时间包发送给浮标。浮标收到预轮询时间包后，发送预轮询确认包。机载数据通信系统根据节点列表，在指定轮询时间发送轮询请求包，请求采集数据。浮标接收到请求后，将采集数据发送给机载数据通信系统。机载数据通信系统接收到节点数据后，存储至缓存中，并定期向卫星传输数据。

2.4.3 小型低成本免维护海洋数据监测浮标方案

相较于定点观测的方式，剖面浮标具备大范围、准同步、投入产出比高等优势，成为国际海洋监测活动中大量使用的高技术设备，如ARGO自持式剖面探测漂流浮标（简称剖面浮标或浮标）。

ARGO自持式剖面探测漂流浮标随洋流自由漂移，可以每隔10天通过内循环系统自动充气、注油或者抽回气体和油，来改变自身在海水中的浮力，实现自主下沉或者上浮，并从约2000 m深处上浮到海面的过程中分层采集海水的温度和盐度数据，科学家称其为一条“剖面”或者一幅“图像”。其还可以远程控制，只要在陆上实验室为它们重新设置指令，就可以控制它们的沉浮循环周期（1天、2天、5天或者10天）和测量的最大深度（1000 m、1500 m或者2000 m），方便捕捉变化无常的海洋环境[3]。

为满足使用场景需求，同时降低终端的成本，将参照Argo浮标的工作原理，研制一种小型低成本免维护海洋数据监测剖面浮标，可以在海洋中自由漂移。工作时，预先设定浮标的沉浮循环周期（1 h、1天、3天、5天等），可采集下沉深度300 m的海洋环境参数（如温度、压力、水声等），发送数据时浮出水面。剖面浮标可通过北斗卫星定位，通信时将自身的位置信息及传感器采集信息（温度、压力、水声等）通过无人机和卫星发送至地面数据中心。此外，剖面浮标具有自诊断、自修复功能，自带大容量电池，可以满足长期免维护工作，待机时间不低于150天（1次/h发射频率，普通3.7 V，3000 mAh电池）。剖面浮标的设计涉及定深控制技术、海水参数测量技术和低功耗设计技术等多项关键技术。

2.4.4 无人机机载数据通信系统方案

无人机机载数据通信系统通过低功耗远程无线传输、大容量并发信号全概率检测接入技术与小型海洋数据监测浮标节点实现通信并获取数据后，还需要将数据信号发往卫星，再由卫星将信号传送到地面接收站。

考虑到通信带宽，按最大节点容量计算，系统的实时数据速率达到近350 kB/s，北斗卫星难以承受如此高的负重，拟选用天通一号通信机制。天通一号卫星移动通信系统，由空间段、地面段和用户终端组成，空间段由多颗地球同步轨道移动通信卫星组成。覆盖区域主要为中国及周边、中东、非洲等相关地区，以及太平洋、印度洋大部分海域。支持电话、短信和数据业务，系统容量100万用户，可支持同时5000对用户通话，根据不同的终端类型，数据业务可支持9.6 kbps或384 kbps。

2.4.5 无人机自主式空投布放系统方案

加装在无人机上的自主式空投布放系统主要完成对小型海洋数据监测浮标节点的自主空投布放。考虑到需要确保一定的散布面积，布放抛洒的方式选择有动力源抛洒，动力源可分为气囊抛撒、中心管抛撒和发射管抛撒等，主要取决于无人机内部空间限制、技术成熟性和监测浮标的适应性。气囊抛撒对监测浮标产生的过载较小，而中心管抛撒和发射管抛撒对监测浮标的过载较大，会对监测浮标的可靠性有一定的影响，因此布放抛洒的方式选择气囊抛撒。

无人机到达目标海域上空一定位置时，打开下部舱门，自主式空投布放系统相应的起爆单元发出爆轰能量，经燃气发生装置的传爆组件将爆轰能量转化为传火信号，启动相应的燃气发生器。燃气发生器接收到发火能量后作用产生大量气体，释放在燃爆器内，并通过燃气导管将气体引致气囊，对气囊充气。气囊充气，推动监测浮标，监测浮标出舱。监测浮标出舱后，被赋予一定初始速度和姿态。监测浮标按照预先设定好的程序分别打开减速伞，稳定降落在预定海域。

3 关键技术研究

3.1 大规模分布式随机接入技术

小型监测浮标节点采用剖面浮标的形式，工作时会随洋流漂移，接入无人机具有随机性。系统采用基于LoRa的无线传感网络架构，LoRa为信号传递方式，辐射整个被测海域；节点接入时，搜索可通信范围内最近的无人机，按特定入网协议，可以迅速接入无线网络。

3.2 大并发物联信号全概率检测接收技术

大并发物联信号全概率检测接收技术是系统中一个重要组成部分，现场大量节点处于无序发射状态时，将出现大量的信号碰撞，导致数据丢失、能量损失，需要制定一种节点轮询机制，并预估节点预轮询时间方案，采用该技术，可以保证覆盖范围内节点的有序有效发射，实现信道资源的高效充分利用。

3.3 基于非对称加密机制的网络安全通信技术

实际使用要求物联网设备通信过程中具有信号抗截获功能，这就需要引进信号传输加密机制。与对称加密相比，非对称加密不需要密钥传输，保密性、安全性好。通过证书和密钥存储区域设计、证书签名及权限设计，约束各节点、接收设备的密钥持有条件，分析证书验证过程，保证数据即使被其他组织截获，也无法还原原始数据。

3.4 远程物联网免维护设计技术

部署于海洋的小型监测浮标节点远离海岸，需要尽可能的提高自身的可靠性、免维护以及电池续航能力。小型监测浮标大部分时间潜在水下工作，需要依靠自身携带的电池供电；免维护设计主要考虑以下几个方面：

1）实现高可靠性硬件、软件设计；

2）浮标采用空投布放，需要具备耐冲击能力；

3）浮标选择高性能锂电池供电；

4）浮标需要具备潜水能力，不能长期在海面工作；

5）浮标具备健康状态自检、北斗定位授时、独立密钥、LoRa通信能力；

6）浮标寿命到期后，考虑提供自毁机制，例如自沉。

3.5 基于栅格化的节点数据结构控制技术

地面数据管理服务平台将收集到的节点数据进行处理，并通过一定的数据格式发布，通过用户端软件进一步分析与显示。海洋环境数据需要包含地理位置信息，并且最终展示也需要与地图结合，以达到直观形象的效果。栅格化数据结构是一种显式的空间数据结构，可以方便的描述地理要素和地理现象之间的关系，主要包括空间位置、拓扑关系和属性等几个方面的内容。

4 应用前景

基于无人布设的海洋环境数据自主监测系统可以应用于包括气候观测、海洋健康、海洋活动（含军事行动）等多个方向：

1）气候观测：针对短期气候异常现象，通过系统的快速部署，在目标区域监测短期气候变化，并提供预报气候变化所需的观测资料。

2）海洋健康：针对意外发生的海洋污染时间提供应急监测，提供有关海洋环境恶化特征与范围、海洋资源、自然变化和海洋健康方面的信息。完成资料收集、健康监测和健康影响评估。

3）海洋活动（含军事行动）：监测在目标海域、港口、航道等开展的海洋活动（含军事行动），其他还包括海洋测绘、海洋救援等。

5 结论

综上所述，系统针对“智慧海洋”建设过程中及时高效、高分辨率的海洋实时观测数据获取问题，以智能化、无人化为主线，通过无人机自主空投布放、大规模分布式随机接入等技术手段，初步构建了基于无人布设的海洋环境数据远程自主监测系统方案，能够为加速推进“智慧战场”环境保障能力建设提供强有力的支撑。