|
一、引言 随着现代化信息技术的迅猛发展，海洋环境在军事战场和民用经济应用方面都突显出愈来愈重要的地位。海洋调查测量作为海洋环境信息获取最直接的手段，通过利用各类仪器设备，对相应海域的海洋物理学、化学、地质学、地貌学、水文学、气象学和声学等特性要素进行探测。
海洋调查测量船作为海基海洋环境信息获取的主要平台手段，具有平台成熟、自持能力强、搭载设备多、测量要素齐全等特点，能完成全球海域多要素、高精度的海洋环境调查测量任务，目前为止世界主要国家的海洋环境保障绝大多数是通过调查测量船完成的。在任务开展过程中，调查测量船需要依托不同 专业、不同类型的仪器设备联合进行作业，为保证各设备协调一致、科学规范的开展调查测量任务，需要解决以下几个方面的问题： ⑴调查测量信息的采集与传输。 调查测量设备是独立并且自成系统的，其在任务过程中所获取的不同要素数据信息都是在本机保存的，需要安排专人定期去整理并拷贝存储相关数据，这样不仅不方便管理，而且也导致一些可即时保障的数据信息无法通过有效的链路进行传输，为保证调查测量作业的系统性和规范性，有必要对调查测量的数据信息进行集中采集控制和传输。 ⑵公共基础信息的分发。 船的位置、水深、姿态和航向等信息是各调查测量设备开展工作的基础，并且都是由不同设备所提供。在典型的以串口作为设备与设备之间的通信手段的情况下，为保证各设备的正常工作，若从基础信息获取设备处为每个设备提供所需信息，需要大量的串口连接线缆，这不仅增加了设备安装、使用和维护的复杂性，同时对基础信息获取设备提出了更高的要求，并且会降低信息分发的可靠性，导致设备无法正常工作，因此如何科学有效的为各设备提供基础信息是调查测量任务正常开展的关键。 ⑶声学设备的脉冲干扰。 由于声学脉冲的频率特性，声学设备同时工作时相互之间不可避免地会产生的干扰，从而降低数据成果质量，必须采取相应的方法消除或减弱干扰。 ⑷作业的指挥和控制。 在调查测量作业过程中，需要在作业之前做好任务管理规划，提前布设相应的测线，并在作业过程中为驾驶人员提供导航，保证其按照规划的路径开展测量，同时在作业过程中需要实时掌握设备的工作状态，确保调测信息的可靠性。传统的模式是在设备端安排对应的站位值班，这种情况下若需针对不同的调查测量内容同步开展工作，需要安排多人在不同站位进行轮流值班，降低了调查测量系统的科学化和系统化能力，如何有效提升作业指挥和控制的能力和效率是现代化调查测量系统必须要解决的问题。 针对以上问题需求，为保证调查测量船设备布局的统一性、科学性，在调查测量船设计和论证过程中，开展了调查测量作业指挥和信息控制技术研究，设计了调查测量信息系统，其作为调查测量船的作业指挥中心和信息控制中心，实现调查测量作业的统一规划、同步指挥和海洋环境要素信息的集中控制。本文从需求分析入手，提出了系统总体架构和功能，系统按其总体功能分为硬件部分和应用软件两部分；同时设计构建了由数据采集分发平台、声学同步控制模块和数据远程通信模块组成的系统硬件部分。 二、调查测量信息系统总体设计 随着科学技术的不断进步，调查测量装备技术水平的不断提高，调查测量的技术体系不断发展完善，海洋环境调查测量能力也不断加强，逐步实现了由近海向大洋和极地拓展，由简单要素向包含各专业领域的全要素扩展，自动化水平得到了显著提升。海洋调查测量作为一项集成了多学科领域的综合性工作，具备如下特点： ⑴调查测量技术体系的完备性。 伴随调查测量平台设计技术的不断改进和保障能力的不断增强，及各领域调查测量仪器装备技术的不断创新和性能的不断提升，海洋环境调查测量技术逐渐形成以海洋调查测量船、卫星和各种无人平台为基础的空、天、岸、海、潜不同平台维度的全要素体系。 ⑵调查测量手段的综合性。 调查测量手段涵盖了海洋地球物理学、化学、地质学、地貌学、水文学、气象学和声学多种不同的专业领域，综合性海洋调查测量能力越来越高。 ⑶调查测量作业的连续性。 由于海洋环境的持续变化，获取的水文、气象、水声等环境信息呈现出周期性或阶段有效性的特点，因此，需要基于连续多次的调查数据才能较为真实的分析出相应的环境特征。 ⑷调查测量要素的多样性。 海洋调查测量作业包括了海洋重力、磁力、海底地形和地貌、底质、水文、气象和水声等多个专业方向，从而获取的环境要素信息呈现出多样化的特征。 随着调查测量船平台和装备技术的不断发展进步，调查测量系统的综合性和测量要素的多样性越来越高，对国内外现有典型的调查测量船所具备的专业测量能力及对应的典型调查测量装备进行了梳理和统计，见表1。 [it618postdisplay>0] 表1 调查测量专业能力及配套装备 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 3000m以下的风速、风向、垂直气流等剖面探测数据 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
* g: Q9 b) O/ O4 M: `" Q, ~[/it618postdisplay] 如表1所示，调查测量船具备执行海洋水深测量、海底地形测量、海底地貌测量、海洋重力测量、海洋磁力测量、海洋底质测量、海洋声学调查、海洋水文调查、海洋气象调查等专业方向调查测量任务的能力，同时为了保证任务的执行还配备了相应的辅助测量设备。多种的专业方向和多样的调查测量要素保证了调查测量任务的全面性，同时也增加了任务开展的复杂性。 调查测量信息系统的使命就是将调查测量船几十种独立自成系统的调查设备，有机的统一起来，建立系统与设备之间信息的互联互通的渠道，实现数据信息的集中采集和基础信息的统一分发；开发综合的可视化应用软件，实现设备的统一管理，任务的集中规划和同步指挥，文件的综合管理。为此，提出了调查测量信息系统的组织架构见图1。
图1 调查测量信息系统架构示意图 由图1可知，整个系统由硬件部分和应用软件构成。其中，硬件部分包括数据采集分发平台、数据远程传输模块、声学同步控制模块；应用软件包括系统管理模块、调测管理模块和辅助功能模块。系统的连接关系见图2。
图2 调查测量信息系统连接关系示意图 如图2所示，数据采集分发平台既是数据中心又是网络中心，实现数据的输入、输出和远程回传功能；声学同步控制模块控制声学设备的发射时序，降低同步作业过程中的信号干扰；数据远程传输模块实现数据远程通讯；应用软件基于系统管理、调测管理和辅助功能3个模块，完成系统配置、数据管理、文件管理、界面显示、设备监控、作业管理与指挥控制等功能。 三、数据采集分发平台 数据采集分发平台对整个调查测量系统获取的各类要素数据进行集中采集，同时提供公共基础信息的分发服务，保证各设备能够正常高效的开展工作，是实现调查测量作业指挥控制信息系统信息控制中心职能的核心。 为确保数据交互的可靠性，系统与设备之间采用串口通信的方式进行通信，这种通信方式的优点是点对点传输，硬件实现简单，每个串口只进行一种要素的传输，保证了通信的可靠性。如前所述，现代化的调查测量船调查测量系统所配备的专业设备有几十种，而且每个设备可能需要进行多个要素数据的交互，为此，采集分发平台需要上百条外部线缆接入。为降低平台的复杂性，提升整个系统的科学性、规范性，利用模块化的方式对采集和分发平台进行了分解，具体见图3。
图3 数据采集分发平台布局示意图 数据采集分发平台由对外接口板、可编程多模串口分配器[、串口服务器、网络交换机和计算机组成。 对外接口板主要是进行外部线缆的连接，并将其转换为内部线缆连接。将来自不同设备的外部线缆转接成规范的内部线缆，提升了整个系统的规范性和科学性，同时内部线缆可提前安装布设，提升了系统内部布局的合理性，降低了系统安装的复杂度。 可编程多模串口分配器主要是基于串口通信技术和FPGA技术实现多种通信模式转换、多串口连接，其设有30个对外的双模工作端口，通过控制控制系统可设置所有串口的工作模式(RS－232/RS－422)以及串口之间的连接方式，包括对外的连接以及各内部端口之间的连接，其特点是在信息分发过程中不通过软件干预，通过设置在串口分配器端进行硬分发，保证了分发信息的可靠性和完好性。另外，一方面考虑到数据采集汇总的问题，另一方面考虑到数据在分配器之间转发的需求，可编程多模串口分配器还设计了16个RS－232单工作模式串口，主要是与平台内部其它串口分配器和串口服务器进行连接，实现数据信息的采集和分发数据的内部转发。可编程多模串口分配器在整个采集分发平台中主要完成了外部数据接入，数据通信模式的转换和基础信息的硬分发。 串口服务器实现了串口通信和IP通信的双向转换。一方面可把串口通信数据按照以太网的ICP/IP协议进行重新排列并通过网络进行传输，另一方面也可把以太网收到的数据提取出来后按串口通信的模式进行传输，因此通过串口服务器只需要一根网线即可与计算机连接进行数据的存储。串口服务器通过与串口分配器的16个RS－232单工作模式串口连接，获取需要存储的数据信息，经过内部转换后通过网络通信的模式发送给系统计算机。 整个数据采集分发平台的工作流程为，外部线缆通过对外转接板转换为内部线缆，而后内部线缆按照预先设计的逻辑关系与串口分配器进行连接，数据进入串口分配器之后，基础信息直接经由对外接口板发送给相关设备，需要采集存储的数据通过串口服务器转换成网络信号直接发送到系统计算机上，从而实现了调查测量系统所有设备的数据采集和基础信息的分发。 四、声学同步控制模块 在作业过程中，如果调查测量设备同时工作，可以一次性获取多要素数据，通过多设备联合作业，多要素同时采集的模式，能够大大提高调查测量效率，减轻作业负担。然而，声学设备发射的均是持续时间很短的窄脉冲，包含了很多带外信号，这些信号会通过船体和附近水体耦合到其他设备的接收通道造成干扰，当设备的发射时刻处于其他设备的接收时间窗之内，发射信号就会被误判为回波信号，相互之间会产生干扰，严重的影响数据质量。 为避免或减弱各声学设备之间的相关干扰，基于时分复用方法，融合FPGA现场可编程门阵列技术，设计了声学同步控制模块。模块以一种设备的声学信号为基准，生成多通道的高精度同步脉冲信号，协调各种声学测量设备的发射时序，使干扰信号落在受干扰设备接收时间门之外，有效地抑制干扰，其工作结构见图4。模块以多波束测深系统的外触发脉冲作为基准脉冲，按照不同设备的作业特点，利用软件系统为模块的输出接口设置不同的脉宽和延时等参数，并向各设备进行输出，从而实现作业的同步控制。
图4 声学同步控制模块工作结构示意图 五、数据远程通信模块 数据远程通信能力一方面是为保证对调查测量船海上作业情况实时监控的需要，另一方面是为保证海洋环境数据实时回传和应用保障的需要，为此调查测量信息系统在数据采集分发平台的基础上，基于卫星通信的手段构建了数据远程通信模块，由Ku波段卫星数字广播通信系统和北斗指挥型用户机组成，其工作原理见图5。
图5 数据远程通信模块工作原理示意图 Ku波段频率一般在12.5～18GHz之间，不易受微波辐射干扰，频谱资源丰富，由于通信频率高且使用了先进的数字压缩技术，具备实现宽带大容量远程通信能力。Ku波段卫星数字广播通信系统天线口径尺寸小，便于安装，能同时支持数据、语音、图像和视频业务，在海上远程通信中优势明显。调查测量信息系统通过数据采集分发平台与船载Ku波段卫星数字广播通信系统实现了网络连接，系统软件将需要实时发送的海洋环境信息直接通过网络发送到调查测量船的Ku波段卫星数字广播通信系统主机上，并由其通过卫星发送到地面中心。 北斗卫星导航系统作为我国自主建设的全球卫星导航系统，采用了RNSS和RDSS双模结构体制，既可以实现导航、定位和授时，又兼具双向短报文通信的能力，通信申请的用户端通过北斗卫星和地面控制中心与其他的用户端建立通信链接，实现一对一或一对多远程数据交互。该手段不受周围基础设施的限制，只要有卫星信号就可以进行通信，但由于其数据传输能力的限制(每次可传输120个汉字)，无法满足大数据量的通信需求，因此主要用于位置报告和简单的信息传输。调查测量信息系统利用北斗的RDSS短报文通信来获取海上远程布放的自主工作设备的状态信息，从而实现设备的远程位置和工作状态监控，进而便于设备的安全布放和回收。在硬件设计上数据远程通信模块内置了一部北斗指挥型用户机，一方面可作为船上卫星定位系统的备份，实时获取北斗卫星导航系统的定位和授时信息，另一方面就是实现短报文通信，通过数据采集分发平台与北斗指挥型用户机相连接，系统可实时获取设备发来位置信息和状态信息，并通过软件进行实时显示，若需要进行设备维护或回收，则直接通过系统软件基于设备的位置信息为调查测量船进行导航。 六、结束语 调查测量信息系统是在调查测量船论证设计过程中，紧密结合海上调查测量作业需求和特点，围绕调查测量设备的信息综合处理和作业指挥控制两个方面的需求而设计的，由硬件部分和应用软件两部分组成。 硬件部分包括数据采集分发平台、声学同步控制模块和数据远程通信模块。数据采集分发平台基于串口控制以及串口、网络通信技术，在系统内部将与不同设备之间的串口通信转换为网络通信，并由计算机通过网络进行处理和控制，集中采集所有调查测量设备、多要素数据信息，统一分发各设备所需的公共基础要素信息，有效降低了数据交互的复杂度，提升了系统的科学性和简洁性；声学同步控制模块基于信号时分复用技术，利用同步脉冲信号控制声学设备的信号发射时序，减弱或消除了设备之间的相互干扰，为声学设备同步工作提供了保障；数据远程通信模块基于KU卫星通信和北斗短报文通信手段，构建了岸基与舰船、舰船之间以及舰船与远程布放设备之间的信号交互能力。 系统硬件部分实现了调查测量数据的集中采集控制和基础信息的同步分发，声学设备同步作业的控制，数据信息的远程交互，为调查测量信息系统的功能实现提供坚实的支撑。
6 }. x; C6 r# v# L! [9 S% ` | 
