CN110203333B - 基于北斗铱星双星通信的海-气耦合实时观测浮标系统 - Google Patents

基于北斗铱星双星通信的海-气耦合实时观测浮标系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于北斗铱星双星通信的海‑气耦合实时观测浮标系统，包括海‑气耦合观测传感器单元，数据采集通信控制单元、锚定单元、浮标体平台、供电单元以及数据处理中心；浮标数据采集通信单元采取北斗卫星系统传输对数据安全性要求较高，对通讯量要求较低的常规块体法海气通量、上层海流剖面和浮标运行状态参数。采取铱星系统传输通讯量要求较高的高频涡动相关和高分辨率海水皮表温剖面数据。浮标可实现移动平台涡动相关法的湍流通量参数、块体法的通量参数、海水0‑1.0m高分辨率皮表温剖面、0‑70米上层海流剖面的同步实时观测。本发明是一种适用于投放在深远海的海‑气耦合观测浮标系统，具有海‑气界面观测参数多元化、数据传输安全等特点。

Description

基于北斗铱星双星通信的海-气耦合实时观测浮标系统
技术领域
本发明涉及深海海洋探测技术领域，具体涉及一种基于北斗铱星双星通信的海-气耦合实时观测浮标系统。
背景技术
涡动相关法通过测定和计算物理量的脉动值(如温度、CO2、H2O等)与垂直风速的协方差求算湍流通量,其在观测和求算通量过程中几乎没有假设,被认为是现今唯一能直接测量生物圈与大气间能量与物质交换通量的标准方法。但由于海上环境复杂以及一些具体条件的限制,包括移动平台自身运动及平台对气流的作用而影响测量精度,使得涡动相关法在海上移动平台(浮标、船等)进行通量观测比在陆地上困难得多。尽管如此,这种方法仍然是海气界面湍流通量实时、自动观测的发展方向。块体法在计算海-气通量的参数化方案中，缺少海气交互层(0-1.0m)高分辨率的温度剖面数据来支撑参数化方案的优化和改进，造成块体法计算得到的感热通量与真实值相差较大。
目前国际上遥感反演的SST产品的误差可<0.5K，其遥感SST产品被广泛使用。我国虽然发射了大量带热红外传感器的卫星(气象系列卫星，海洋系列卫星，环境卫星，高分卫星等)，也可以免费接收国外卫星数据，但没有高精度的SST产品，主要原因是对热红外传感器定标很困难，尤其缺少海上现场观测定标数据。海上定标的困难主要是现场测温精度低，表层温度空间分辨率不够，海上定点观测困难等。要提高我国的遥感SST产品精度，首先必须提高热红外遥感的定标精度。
大洋观测浮标远离手机信号覆盖区，无法采用常规手机信号进行数据传感，解决手段多是采用卫星等进行远洋观测数据传输。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于北斗铱星双星通信的海-气耦合实时观测浮标系统。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于北斗铱星双星通信的海-气耦合实时观测浮标系统，包括海-气耦合观测传感器单元，数据采集通信控制单元、锚定单元、浮标体平台、供电单元以及数据处理中心；其中，
所述海-气耦合观测传感器单元、数据采集通信控制单元以及供电单元均安装在所述浮标体平台上；所述供电单元分别和海-气耦合观测传感器单元以及数据采集通信控制单元相连接，以为海-气耦合观测传感器单元和数据采集通信控制单元的工作提供电量；
所述浮标体平台上用于放置在海洋中，浮标体平台的底部和锚定单元相连接安装，以使得浮标平台锚定在海洋中；
所述海-气耦合观测传感器单元包括：
块体法通量测量模块，用于测量海-气界面块体参数，以计算出感热、潜热、动量通量；
涡动相关法通量测量模块，用于测量湍流脉动信号，以在线实时计算温度脉动、水汽浓度脉动、二氧化碳浓度脉动与垂直风速脉动的协方差，得到动量、感热、潜热和二氧化碳通量；
海水皮表温测量模块，用于测量不同深度的海水温度、压力数据；
上层海流剖面测量模块，用于测量海流参数；
数据采集通信控制单元，和所述海-气耦合观测传感器单元相连接，用于采集接收海-气耦合观测传感器单元所测量到的数据，并将所采集到的数据通过北斗铱星双星互补数据传输的通讯方式传输至数据处理中心；其中，北斗卫星通信用于传输安全性高、数据传输流量低的数据，铱星用于传输安全性低，数据传输流量高的数据；当然需要说明书的是，所述的“高”和“低”是相对而言。
所述数据处理中心用于接收数据采集通信控制单元所传输来的数据，并对该数据进行对数据进行解析、存储、图形化显示和数据分发。
所述的浮标体平台是为系统提供浮力、搭载测量传感器、控制系统、供电系统的平台。包括：2.4米直径的聚乙烯填充泡沫浮标体，可为系统提供3吨的净浮力；浮标上部塔架，塔架高3米，塔架上安装北斗通讯一体机、铱星天线、涡动相关通量测量单元、块体法通量测量模块、2块12V/100W的太阳能板、浮标风翼板、锚灯、雷达反射器；浮标密封舱，密封舱的最顶部是信号接插面板，中间是数据采集通讯舱，底部是电池舱；浮标底部安装支架，包括剖面海流测量单元ADP的安装支架，该支架安装在密封舱外面的最底部。0-1.0米海水皮表温高时空分辨率测量单元的安装支架，该支架的最上端安装在浮标体吃水线上20cm处。
所述的块体法通量测量模块的功能是通过测量海-气界面块体参数，进而通过块体法可计算出感热、潜热、动量通量。块体法通量测量模块包括：GMX600综合气象站、SI-112红外温度传感器、NR01四分量辐射仪，可测量满足块体法计算要求的块体输入参数，包括：风速、风向、气温、相对湿度、气压、降水、海水皮温、向上短波辐射、向下短波辐射、向上长波辐射、向下长波辐射和净辐射。块体测量单元的各传感器通过指定的安装底座或支架安装在浮标塔架上。块体测量单元的传感器均由浮标密封舱内的电源系统供电，并通过相应的模拟通道、SDI通道和数据采集通讯单元连接，进行数据的双向传输。
所述的涡动相关法通量测量模块的功能是通过快速响应传感器测量湍流脉动信号，进而通过在线实时计算温度脉动、水汽浓度脉动、二氧化碳浓度脉动与垂直风速脉动的协方差，得到动量、感热、潜热和二氧化碳通量，该方法是最直接的通量测量方法，也被认为是最准确的测量方法，可用来作为标准结果来优化改进块体法。涡动相关法通量测量模块包括：一体式涡动相关仪(IRGASON)、信号转换单元、惯性姿态测量单元。其中一体式涡动相关仪通过横臂安装在浮标架顶部，其指向与浮标风翼板方向相反。信号转换单元和姿态测量单元一起安装在一个密封箱内，该密封箱通过固定件固定在塔架顶部。姿态测量单元包含一个三轴倾角IMU和一个磁罗盘。姿态单元以10Hz的采样频率高频记录浮标的三维晃动姿态数据，该数据用来校正三维超声风速，获取自然地理坐标系下真实的三维风速。涡动相关通量测量单元测量仪由浮标舱内的电源系统供电，并通过SDM通讯口和数据采集通讯单元连接，进行数据双向传输。
所述的海水皮表温测量模块为一根长度为1200mm的测温棒，其中测温阵列长度为1000mm，控制部件长度为200mm。测温部件由1000组热敏探头以1mm的间隔垂直排列，另外在每个热敏探头上并列安装1个压力探头用于同步测量水深。该单元通过安装支架固定在浮标体上，信号线连接到数据采集通讯单元，由该单元以30分钟的间隔定期采集0-1000mm深度的温度、压力数据，每次采集可得到1000组温度剖面和同步的1000组深度剖面数据。剖面流速测温棒由浮标舱内的电源系统供电，并通过串口和数据采集通讯单元连接，进行数据双向传输。
所述的上层海流剖面测量模块为一个400Khz的超声流速剖面测量仪(ADP)，根据海-气界面观测需求设置其工作模式为：0.5米测量盲区，7米层厚，测量层数为10层，测量间隔为30分钟，每次测量3分钟，ASCII码形式输出流速剖面仪的工作状态和十层流速、流向、回声信号强度等数据。剖面流速测量仪由浮标舱内的电源系统供电，并通过串口和数据采集通讯单元连接，进行数据双向传输。该单元通过安装支架固定在浮标密封舱外面的最底部。
所述的供电单元为太阳能供电单元包括：两块12V/100W的太阳能板；1个12V/20A的光伏控制器；4块12V/100Ah的铅酸蓄电池。其中1#太阳能板的正负输出端和2#太阳能板的输出端通过2.5平方毫米的电源线接到密封舱面板接插件，连接到光伏控制器的光伏输入端。1#蓄电池的正负端子通过两根2.5平方毫米的电源线并联到2#铅酸蓄电池的正负端子，2#蓄电池的正负端子通过两根2.5平方毫米的电源线并联到3#铅酸蓄电池的正负端子，3#蓄电池的正负端子通过两根2.5平方毫米的电源线并联到4#铅酸蓄电池的正负端子，4#蓄电池的正负端子通过两根2.5平方毫米的电源线并联到光伏控制器的电池端。光伏控制的负载端连接到数据采集通讯单元CR3000上的power in电源输入端子，为数据采集器、各传感器、继电器、通讯终端供电。光伏控制器设置切断负载输出的电压阈值为11.8V，即在没有太阳光照的情况下，如果光伏控制器监测到电池电压低于11.8V，则会切断负载端的电源输出，避免过放电对蓄电池造成的不可逆损坏。
所述的数据采集通讯单元主要包括：1个数据记录仪，型号为CR3000；1个北斗一体机，型号为RXS920；1个铱星天线；1个铱星终端，型号为9522B；1个继电器，型号为MY2N-J。数据采集通讯单元的所有器件，除了RXS920北斗一体机和铱星天线是安装在浮标架顶部的安装座上之外，其它的器件均是安装在浮标数据采集通讯舱内。
NR01四分量辐射仪的Cable1信号线通过接插面板的9芯接插端口进入数据采集舱后，连接到数据采集器对应的模拟通道上。
NR01四分量辐射仪的Cable2信号线通过接插面板的1#5芯接插端口进入数据采集舱后，分别连接到数据采集器上对应的模拟通道和电流激发通道上。
SI-112红外温度传感器的信号线通过接插面板的1#6芯接插端口进入数据采集舱后，分别连接到数据采集器对应的模拟通道和电压激发通道上。
剖面流速仪ADP的信号线通过接插面板的2#5芯接插端口进入数据采集舱后，分别连接到数据采集器上对应的串口通道和12V电源通道上。
高分辨率皮温仪的信号线通过接插面板的3#5芯接插端口进入数据采集舱后，分别连接到数据采集器上对应的串口通道和12V电源通道上。
北斗卫星终端的信号线通过接插面板的4#5芯接插端口进入数据采集舱后，分别连接到数据采集器上对应的串口通道和12V电源通道上。
GMX600综合气象传感器的信号线通过接插面板的4芯接插端口进入数据采集舱后，分别连接到数据采集器上对应的SDI通道和12V电源通道上。
铱星通讯终端的信号线通过接插面板的5#5芯接插端口进入数据采集舱后，分别连接到数据采集器上对应的RS232通道、12V电源通道和继电器的指定引脚上。
IRGASON涡动相关仪的信号线通过接插面板的2#6芯接插端口进入数据采集舱后，分别连接到数据采集器上对应的SDM通道、12V电源通道上。
IMU姿态模块的信号线通过接插面板的3#6芯接插端口进入数据采集舱后，分别连接到数据采集器上对应的模拟通道、12V电源通道上。
CR3000数据采集器中运行数据采集程序负责对各个传感器的数据进行采集、处理和存储。其中线程1为10Hz快速扫描程序，在该线程中完成对IRGASON一体式涡动相关仪、IMU姿态模块进行快速数据采集，并进行实时的浮标晃动校正，获取自然地理坐标系下真实高频三维风速，并每隔30分钟进行1次涡动相关通量计算，获得动量、感热、潜热和二氧化碳通量，并以30分钟间隔的数据表格存储在CR3000的CF存储卡中。
线程2为10秒/次的扫描程序，在该线程中完成对NR01四分量辐射仪、SI-112红外皮温仪、GMX600综合气象传感器的扫描，并分别统计为1分钟、10分钟和30分钟的数据表格存储在CR3000的CF存储卡中。
线程3为30分钟/次的慢速扫描程序，在该线程中完成对剖面流速仪ADP和皮温仪数据的读取，解析和存储。
线程4为北斗通讯协议处理程序，在该线程中完成每次30分钟整点时从CF卡中读取30分钟的统计数据，主要是风速、风向、气温、气压、湿度、降水、GPS、向上短波、向下短波、向上长波、向下长波、海表皮温、10层剖面海流的流速、流向、系统电压、密封舱温度、浮标姿态等对安全性和实时性要求较高的数据，按照北斗协议格式分为4组数据包依次发送到岸站中心。
铱星通讯终端与CR3000之间的数据设置为点对点传输，由岸站数据中心端服务器上的LoggerNet软件按照30分钟的时间间隔自动通过岸站中心的2#铱星终端拨号连接浮标上的1#铱星终端，实现指定数据表格的下载，数据表格下载完毕后断开连接，进入休眠模式。
所述的锚定单元是保障浮标可在3800-4200米之间的水深处锚定，不随流和风的拖曳而发生长距离走位，实现浮标的定点观测。锚定单元分为卸扣组，锚链组，丙纶缆绳组，耐压浮球组，霍尔锚。
卸扣组从上往下依次：1#卸扣，2#卸扣，3#卸扣，4#卸扣，5#卸扣，6#卸扣，7#卸扣，8#卸扣，9#卸扣，10#卸扣，11#卸扣，12#卸扣，13#卸扣，14#卸扣，15#卸扣，16#卸扣。1#卸扣的尺寸为：卸扣孔径50毫米，卸扣内环长度为130毫米，宽度为50毫米。16#卸扣的尺寸为：卸扣孔径50毫米，卸扣内环长度为130毫米，宽度为50毫米。第2#至第15#卸扣的型号一致，尺寸为卸扣孔径36毫米，卸扣内环长度为110毫米，宽度为36毫米。
锚链组从上往下依次为：1#锚链，2#锚链，3#锚链。1#锚链为配重锚链，用于稳定浮标的重心，其长度为65米，直径为24毫米，1#锚链的上端有直径为24毫米的转换组。2#锚链为丙纶缆绳压载锚链，用于将丙纶绳组第1#缆绳和2#缆绳的压入水中，其长度为15米，直径为24毫米。3#锚链为锚定锚链，该段锚链沉底铺在海床基上，增加锚定单元的抓地力，其长度为130米，直径为24毫米。
丙纶缆绳组为整个锚定单元中的主体部分，锚定单元中所有缆绳均采用直径36毫米八股丙纶单丝绳，其破断力为10吨，密度为0.9倍海水密度，在2吨以上拉力会有1.1倍的伸长，缆绳两端均有定制的半封闭套环，用于绳绳或绳链之间的连接。从上往下依次为：1#丙纶缆绳，2#丙纶缆绳，3#丙纶缆绳，4#丙纶缆绳。1#丙纶缆绳长度为800米。2#丙纶缆绳长度为1000米，3#丙纶缆绳长度为1000米，4#丙纶缆绳长度为1000米，5#丙纶缆绳长度为400米。
耐压浮球组为锚定单元提供浮力，保持其下部的缆绳处于绷紧状态。耐压浮球组共包含16个直径17英寸的玻璃浮球，其耐压深度为2000米，单个浮球的水中净浮力为25千克，耐压浮球组可为锚定单元提供400千克的水中净浮力。16个耐压浮球组连接在2#丙纶缆绳和3#丙纶揽绳之间。
霍尔锚为锚定单元的锚定部分，其功能类似于船舶的锚，可把浮标固定在投放点的位置。霍尔锚采用规格为1750千克的国际霍尔锚。
锚定单元连接方法为：1#卸扣连接浮标体和1#锚链上端的转换组，2#卸扣连接1#锚链下端和3#卸扣，3#卸扣连接2#卸扣和1#丙纶缆绳上端，4#卸扣连接1#丙纶缆绳下端和5#卸扣，5#卸扣连接4#卸扣和2#锚链的上端，6#卸扣连接2#锚链的下端和7#卸扣，7#卸扣连接6#卸扣和2#丙纶缆绳的上端，8#卸扣连接2#丙纶缆绳的下端和耐压浮球组上端，9#卸扣连接3#丙纶缆绳的上端和耐压浮球组的下端，10#卸扣连接3#丙纶缆绳的下端和11#卸扣，11#卸扣连接4#丙纶缆绳的上端和10#卸扣，12#卸扣连接4#丙纶缆绳的下端和13#卸扣，13#卸扣连接5#丙纶缆绳的上端和12#卸扣，14#卸扣连接5#丙纶缆绳的下端和15#卸扣，15#卸扣连接3#锚链上端和14#卸扣，16#卸扣连接3#锚链的下端和霍尔锚。
所述的数据处理中心负责定时接收海上浮标发送回来的原始数据，负责对数据进行解析，显示，存储和分发等管理功能。数据中心包括北斗卫星接收系统和铱星数据接收系统，数据中心服务器。北斗卫星接收系统包括1台北斗天线终端一体机，1台CR3000数据采集器和1台带有串口通讯的服务器，服务器上安装LoggerNet软件，SQL sever2012数据库。北斗天线终端一体机需要架设在开阔无遮挡区域。铱星数据接收系统包括1个铱星天线，1台铱星终端，1台带有串口通讯的服务器，铱星天线需要架设在开阔无遮挡区域。
具体连接方式为：北斗终天线终端一体机通过串口连接到CR3000的串口通道1，CR3000对北斗数据包解析、处理和存储数据表格。CR3000通过RS232连接到数据服务器的串口，服务器上的LoggerNet软件可通过串口1和CR3000数据采集器通信实现数据的读取。
铱星天线架设在房顶无遮挡开阔区域，通过铱星天线窥管连接到铱星终端，铱星终端的串口通过串口线连接到数据服务器的串口2，服务器上的LoggerNet软件中内置与铱星9522B终端的拨号通讯协议，预先需要在浮标端的数据采集器、浮标端9522B终端，岸站9522B终端和LoggerNet软件中进行相应的设置，设置完成后数据服务器上的LoggerNet软件即可以30分钟的指定间隔从浮标端的CR3000中下载指定的数据表格。
LoggerNet软件中的LNDB数据库存储插件可实时将选定的数据表格中指定的字段存储到本地SQL server 2012数据库中，客户端软件通过用户名+密码的授权登陆方式，可远程连接到本机数据库进行实时数据的查款、历史数据的下载等功能。
北斗终端天线一体机、铱星终端、CR3000岸站端均通过一台AC-DC电压转换模块供电。该电压转换模块和服务器的电源输入接头均接到一台220V输出的UPS，该UPS可保证在外部电源丢失的情况下数据服务器和各通讯终端正常工作45分钟。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明中，根据浮标上观测数据对安全性和传输数据量的综合考虑，该发明在国际上首次采用北斗铱星双星互补数据传输的通讯方式，其中北斗卫星通信用来传输风速、风向、气温、相对湿度、降水、气压、海表皮温、四分量辐射、0-70米的10层剖面流速、流向、GPS，浮标姿态、系统电压、密封舱温度等对安全性要求较高，对数据流量要求较低的数据。铱星通信用来传输0-1.0米海水表层高分辨率温度、深度剖面和涡动相关系统的高频湍流数据，这部分数据对安全性要求相对较低，但对数据传输流量要求较高。
本发明中，采用涡动相关法和块体法两种方法进行海-气通量同步测量，其中涡动相关法测量单元的直接通量测量可作为标准结果改进和优化块体法的中相关参数化方案。块体法通量测量模块也可作为涡动相关法通量观测的重要补充，能够为涡动相关法测量单元提供重要的气象背景资料，如背景风场、降水等。另外，依据涡动测量单元改进后的块体算法，可适当到浮标投放点及其周边邻近具有相似气候条件和地理位置条件的海区，用于计算大面积海区的海-气热通量交换。块体测量单元中的四分量辐射测量，结合涡动相关系统直接测量的热通量，可以实时评估投放点海区的海洋-大气之间的净热量收支状况，对全球及区域气候研究具有重要意义。
本发明中，海水表层高分辨率温度测量仪采用能够测量水体表层空间分辨率达到毫米级的水体温度的仪器。该仪器的高分辨率海水表层温度测量结果用于改进热红外遥感定标方法，提高我国热红外遥感卫星的定标精度。同时，高分辨率的海水皮表温与块体参数的同步测量结果，为研究海气交互界面处提供了更加精细的观测数据，可用于改进块体参数中海水上层温度的参数化方案，提高对感热通量的计算结果。
本发明中，据采集通讯单元采用的接口丰富、计算功能强大、运算功能强大的CR3000数据采集器，满足浮标所搭载全部传感器对模拟测量通道，电压激发通道，电流激发通道，SDM通道，SDI-12通道，串口通道的需求，可根据任务需求进行模块化的通道扩展。用户可根据自编程序灵活设置对各传感器的扫描频率，数据统计时间间隔和数据存储表格时间间隔。
本发明中，浮标端数据采集通讯单元的软件部分，采用多线程编程，根据对不同传感器测量频率和通讯的需求设置为3个测量线程和1个北斗通讯线程。可同时满足对涡动相关法快速测量、块体法参数慢速测量、流速剖面和温度剖面的定时测量、北斗数据包的定时发送任务需求，软件思路清晰方便修改、扩展和优化。
本发明中，浮标锚定单元采用S型非紧绷式锚系，设计水深为3800-4200米之间，各连接部件采用破坏冗余度足够高的材料，如若更改浮标投放水深，可参考此锚定单元设计，只需修改锚定单元中的丙纶缆绳组的长度。
本发明中，岸站数据中心通过一台数据服务器同时实现对北斗和铱星的数据接收，服务器安装SQL server数据库，实现对数据的有效管理。可通过客户端软件将数据分发给多个授权用户，有利于海洋观测数据的共享。
综上所述，本发明是一种适用于投放在深远海的海气耦合观测浮标系统，具有海-气界面观测参数多元化、数据传输安全、系统可扩展等特点，可为深远海海-气边界层底层结构和海-气相互作用观测提供新的手段，也可用于验证我国自主研制的北斗通讯系统在海上长期定点观测中的信号稳定性，通讯质量、通讯覆盖区域等性能。
附图说明
图1为本发明海-气耦合实时观测浮标系统的总体示意图；
图2为浮标体及传感器安装结构示意图；
图3为数据采集通信单元硬件构成示意图；
图4为密封舱接插件面板结构图；
图5为数据采集通信单元接线示意图；
图6为数据采集通讯单元程序流程图；
图7为浮标北斗数据包格式；
图8为供电单元接线示意图；
图9为锚定单元结构图；
图10为岸站中心示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
如图1所示，本发明一种基于北斗一星双星通讯的海-气耦合实时观测浮标，包括浮标体平台1000，海-气耦合观测传感器单元2000，数据采集通信控制单元3000，供电单元4000，锚定单元5000，岸站数据处理中心6000六个部分组成，其中浮标体平台1000，海-气耦合观测传感器单元2000，数据采集通信控制单元3000，供电单元4000，锚定单元5000五个部分组成海气耦合浮标海上整体部分，投放在观测海区，岸站数据处理中心6000在陆地上。浮标体平台1000为整个浮标系统提供浮力和水上水下传感器安装平台，海-气耦合观测传感器单元2000通过各自的安装座或安装架固定在浮标体平台1000上。数据采集通信控制单元3000负责采集海-气耦合观测传感器单元2000各传感器数据，并把数据处理发送回岸站数据处理中心6000。供电单元4000为数据采集通信控制单元3000和海-气耦合观测传感器单元2000提供12V直流电源。锚定单元5000把浮标平台1000锚定在3800-4200米水深处，不会发生大范围移位。岸站数据处理中心6000负责接收数据采集通信控制单元3000发送回来的数据，对数据进行解析、存储、图形化显示和数据分发。
如图2所示，浮标体平台1000包括浮标塔架1100，浮标体1200和密封舱1300。其中，浮标塔架1100包括GMX600综合气象站安装杆1101，SI-112红外海水皮温仪和NR01四分量辐射仪安装杆1102，IRGASON一体式涡动相关通量仪安装杆1103，北斗通讯终端一体机安装座1104，铱星天线安装座1105，航标灯安装座1106，雷达反射器1107，风翼1108，第一块太阳板安装架1109，第二块太阳板安装架1110，惯性姿态单元安装座1111。浮标体包括直径为2.4米的聚乙烯填充泡沫主浮体1201，海水表层高分辨率温度剖面测量仪安装支架1202，海水上层剖面流速测量仪安装支架1203。密封舱1300包括信号接插面板1301，数据采集通信舱1302，电池舱1303。
海-气观测传感器单元2000包括涡动相关通量测量模块2100，块体法通量测量模块2200，海水表层高分辨率温度剖面测量模块2300，海水表层高分辨率温度剖面测量模块2400。其中，涡动相关通量测量模块包括IRGASON一体式涡动相关通量仪2101，惯性姿态单元2102。块体法通量测量模块2200包括GMX600综合气象站2201，SI-112红外海水皮温仪2202和NR01四分量辐射仪2203。
具体安装方式为：IRGASON一体式涡动相关通量仪2101安装在安装杆1103上，惯性姿态单元2102安装在惯性姿态单元安装座1111上。GMX600综合气象站2201安装在杆1101，SI-112红外海水皮温仪2202和NR01四分量辐射仪2203安装在杆1102上，其中2203安装在1102的最外侧，2202以90度角垂直向下安装在距离2203约40厘米处。海水表层高分辨率温度剖面测量模块2300安装在支架1202上。海水表层高分辨率温度剖面测量模块2400安装在支架1203上。
如图3所示，数据采集通讯单元3000的硬件包括北斗通讯终端一体机3001，铱星通讯天线3002，铱星通讯终端3003，继电器3004，数据采集器3005。其中，北斗通讯终端一体机3001和铱星通讯天线3002，分别通过安装座1104和安装座1105固定在浮标体塔架1100上。铱星通讯终端3003，继电器3004和数据采集器3005三者固定在数据采集通信舱1302内。数据采集器3005通过相应的数据通道连接各传感器，对传感器数据进行定频率采集，处理、统计和存储，并每30分钟分包数据通过北斗终端一体机3001发送回岸站数据处理中心。详细的信号、电源接线见图5。
如图4所示，信号接插面板1301包括NR01净辐射传感器2203的第1根信号线的9芯公头水密插座1301-1，NR01净辐射传感器2203的第2根信号线的5芯公头水密插座1301-2，SI-112红外海水皮温仪2202信号线的6芯公头水密插座1301-3，GMX600综合气象站2201信号电源线的4芯母头水密插座1301-4，惯性姿态单元2102信号电源线6芯母头水密插座1301-5，IRGASON一体式涡动相关通量仪2101信号电源线的6芯母头水密插座1301-6，海水表层高分辨率温度剖面测量模块2400信号电源线的5芯母水密插座1301-7，海水表层高分辨率温度剖面测量模块2300信号电源线的5芯母水密插座1301-8，北斗通讯终端一体机3001信号电源线的5芯母水密插座1301-9，铱星通讯天线3002信号转接插座1301-10，第一块太阳能板电源线的2芯母水密插座1301-11，第二块太阳能板电源线的2芯母水密插座1301-12。
如图5所示，结合图4详细讲述各传感器、卫星通讯终端、继电器等部件与数据采集器的接线。
净辐射传感器2203的第一根9芯信号线接到1301-1插座进入数据采集舱1302，总辐射电压红色信号线接数据采集器3005的单端模拟通道SE5，依次类似，总辐射参考电压蓝色信号线接3005的SE6，反射辐射电压白色信号线接3005的SE7，反射辐射参考电压绿色信号线接3005的SE8，天空长波辐射电压棕色信号线接3005的SE9，天空长波辐射参考电压黄色信号线接3005的SE10，地面辐射电压粉色信号线接3005的SE11，地面辐射参考电压灰色信号线接3005的SE12，黑色信号屏蔽线接3005的模拟信号地AG端。净辐射传感器2203的第二根5芯信号线接到1301-2插座进入数据采集舱1302，电阻电压白色信号线接3005的单端模拟通道SE21，参考电压绿色信号线接3005的单端模拟通道SE22，电流激发红色信号线接3005的IX1电流激发通道，回流端蓝色信号线接3005的IXR通道，黑色信号屏蔽线接3005的模拟信号地AG端。
SI-112红外海水皮温仪2202的6芯信号线接到1301-3插座进入数据采集舱1302，温度差电压红色信号线接3005的SE15，参考电压黑色信号线接3005的SE16，温度电压绿色信号线接3005的SE17，电压激发输入白色信号线接3005的VX1，蓝色信号地和透明色信号屏蔽线接3005的AG。
GMX600综合气象站2201的4芯信号电源线接到插座1301-4进入数据采集舱1302，黑色信号线接3005的SDI12通道C5，黄色信号地线接3005的AG，红色电源正极接3005的12V，黑色电源负极接3005的G。
IRGASON一体式涡动相关通量仪21016芯信号电源线接到插座1301-6进入数据采集舱1302，红色SDM数据信号线接3005的SDM-C1通道，白色SDM时钟信号线接3005的SDM-C2通道，绿色SDM使能信号线接3005的SDM-C3通道，蓝色电源正极线接3005的12V，黑色电源负极线接3005的G，黑&透明信号地线接3005的AG。
惯性姿态单元2102的6芯信号电源线接到插座1301-5进入数据采集舱1302，红色信号线接3005的SE1通道，蓝色信号线接3005的SE2通道，绿色信号线接3005的SE3通道，黄色信号线接3005的SE4通道，白色电源正极线接3005的12V，黑色电源负极线接3005的G。
海流测量单元2400的5芯信号电源线接到插座1301-7进入数据采集舱1302，绿色Rx线接3005的C3，红色Tx线接3005的C4，橙色信号地线接3005的G，白色电源正极线接3005的12V，黑色电源负极线接3005的G。
温度剖面测量单元2300的5芯信号电源线接到插座1301-8进入数据采集舱1302，绿色Rx线接3005的C7，红色Tx线接3005的C8，橙色信号地线接3005的G，白色电源正极线接3005的12V，黑色电源负极线接3005的G。
北斗一体机3001的5芯信号电源线接到插座1301-9进入数据采集舱1302，绿色Rx线接3005的C1，红色Tx线接3005的C2，橙色信号地线接3005的G，白色电源正极线接3005的12V，黑色电源负极线接3005的G。
铱星通讯天线3002接到信号转接插座1301-10进入数据采集舱再连接到铱星终端3002上，3003的绿色Rx线接3005的RS232-2，红色Tx线接3005的RS232-3，橙色信号地线接3005的RS232-5，白色电源正极线接继电器3004的12引脚，黑色电源负极线接3005的G。继电器3004的8引脚接到3005的12V，14引脚接到3005的SW12V-2端，13引脚接到3005的G端。
如图6所示，数据采集器3005中运行基于CRBasic语言编写的系统数据采集通信程序Airsea-buoy.CR3，其包含4个线程。线程1，线程2和线程3程序流程图类似，首先声明程序运行中的场边、变量、缓冲、单位等信息，进一步定义30分钟数据存储表格(存储内容、时间间隔、数据精度等)，进一步程序进入指定频率的主循环，循环进行数据采集、计算、调用存储等功能。其中线程1的扫描频率为10Hz，主要实现对高频涡动相关通量单元2100的数据采集、姿态校正、通量计算校正等功能。线程2的扫描间隔为10秒，主要实现对块体参数测量单元2200的数据采集、统计分析、表格存储等功能。线程3的扫描间隔为30分钟，主要实现每30分钟定期读取流速剖面仪2300和温度剖面仪2400的数据，并解析、统计和存储。线程4主要负责在每次0分和30分时间点处对最新测量得到的一组块体参数和海流数据进行打包并通过北斗卫星发送回岸站数据处理中心。考虑到北斗信号在某些海区受电磁、天气等环境原因干扰，可能会导致单次数据包发送失败，设计3次握手重发机制协议，提高数据传输的可靠性。
如图7所示，数据包格式遵循北斗4.0协议制定，北斗通讯要求每次数据传输字节数不大于100字节，本系统将需要通过北斗传输的数据分为2个数据包。其中，第一个数据包共计89字节，其中北斗协议部分18字节，用户数据部分71字节，用户内容包括：系统状态信息10字节(最新数据时间、电池电压、密封舱温度、GPS)，块体参数40字节(数据时间、温度、湿度、气压、降水、风速、风向、海水皮温、向上长波、向下长波、向上短波、向下短波、净辐射)，10层海流剖面E分量，N分量的回声信号20字节，校验和1字节。第二个数据包共计82字节，其中北斗协议部分18字节，用户数据部分64字节，用户内容包括：ADP头信息4字节(标识符，数据包大小)，ADP状态信息16字节(电池电压、水温、三轴倾角等)，40字节的10层海流剖面E分量，N分量流速，填充位和检验位4字节。
如图8所示，供电单元4000包括第一块12V/100W的太阳能板4001，第二块12V/100W的太阳能板4002，1个12V/20A的光伏控制器4003，4块12V/100Ah的铅酸蓄电池，依次为4004，4005，4006，4007。其中，太阳能板4001和4002通过安装架1109和1110固定在塔架1100上。光伏控制器4003固定在数据采集通信舱1302，蓄电池4004至4007则固定在电池舱1303内。
4001电源线接到插座1301-11，4002电源线接到插座1301-12，并联接到4003的光伏端。电池4004并联接到4005,4005并联接到4006,4006并联接到4007，4007接到4003的电池端。4003的负载端接数据采集器3005的Power in电源输入端。
如图9所示，锚定单元5000包括卸扣组5100，锚链组5200，丙纶缆绳组5300，耐压浮球组5400，霍尔锚5500。卸扣组5100包括5101至5116共计16个卸扣。锚链组包括5201，5202，5203三根锚链。丙纶缆绳组包括5301丙纶缆绳，5302丙纶缆绳，5303丙纶缆绳，5304丙纶缆绳，5305丙纶缆绳。耐压浮球组包括5400内固定了16个耐压玻璃浮球。
锚定单元5000的具体连接方法，从上之下依次为：5101卸扣连接浮标体1000和5102锚链上端的转换组，5102卸扣连接5201锚链下端和5103卸扣，5103卸扣连接5102卸扣和5301丙纶缆绳上端，5104卸扣连接5301丙纶缆绳下端和5105卸扣，5105卸扣连接5104卸扣和5202锚链的上端，5106卸扣连接5202锚链的下端和5107卸扣，5107卸扣连接5106卸扣和5202丙纶缆绳的上端，5108卸扣连接5202下端和5400耐压浮球组上端，5109卸扣连接5303丙纶缆绳的上端和5400耐压浮球组的下端，5110卸扣连接5303丙纶缆绳的下端和5111，5111卸扣连接5304丙纶缆绳的上端和5110卸扣，5112卸扣连接5304丙纶缆绳的下端和5113卸扣，5113卸扣连接5305的上端和5112卸扣，5114卸扣连接5305丙纶缆绳的下端和5115卸扣，5115卸扣连接5203锚链上端和5114卸扣，5116卸扣连接5203锚链的下端和5500霍尔锚。
如图10所示，岸站数据处理中心6000的硬件组成包括6001北斗终端一体机，6002铱星天线，6003铱星终端，6004交流转直流模块，6005数据采集器CR3000，6006数据中心服务器，6007不间断电源。其中6001和6002安装在室外无遮挡处，6001通过串口线连接6005的C1，C2串口通道，6002通过天线窥管连接到6003天线接口，6003通过串口线连接到6006服务器的串口2，6005通道串口线连接到6006的串口1。6004给6001,6003和6005供12V直流电，6007给6005共220V不间断交流电，数据中心服务器6006上安装LoggerNet软件，该软件内置铱星通讯协议，通过相应预设值即可实现服务器远程连接浮标铱星终端，进行数据通信。具体设置步骤如下：
第一步，用LoggerNet软件设置浮标铱星终端3002和岸站铱星终端6003，通过串口给两台铱星终端写入相同的设置指令：AT&F0S0＝1&D0+IPR＝5，0V0&R0&W0&Y0，设置完成后用AT+CSQ测试铱星信号强度，若返回值大于0，则表示设置成功。
第二步，用LoggerNet软件设置浮标端数据采集器3005，在Datalogger列表中选择CR3000后，依次设置通讯端口为RS232，通讯波特率为9600bps，校验间隔为65534。
第三步，设置LoggerNet软件自身。首先，选择ComPort_1这一层，在该层中设置通讯端口选择COM1。进一步，选择Generic这一层，在该层中设置通讯波特率为9600bps，最大允许在线时间为20分钟，最大传输数据包字长为1000字节，在Dial Script处写入拨号脚本指令：T"^m""ATV1&D0&K0^m"R"OK"1200"ATDT00XXXXXXXXXXXX^m"R"CONNECT"50000，其中XXXXXXXXXXXX处应填写要拨号的铱星终端卡号。进一步，在End Script处写入结束脚本指令：T"+++"R"OK"1200"ATH^m"R"OK"2000。进一步，在ParkBusPort层中设置最长在线时间为10分钟，再次响应时间为59秒。进一步，在CR3000这一层设置定期数据采集间隔为30分钟，第二次尝试时间间隔为1小时，尝试次数为5次，下载数据表格为Bulk.dat和Adp.dat。
以上所述仅是对本发明的一项具体实施案例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于北斗铱星双星通信的海-气耦合实时观测浮标系统，其特征在于，包括海-气耦合观测传感器单元，数据采集通信控制单元、锚定单元、浮标体平台、供电单元以及数据处理中心；其中，
所述海-气耦合观测传感器单元、数据采集通信控制单元以及供电单元均安装在所述浮标体平台上；所述供电单元分别和海-气耦合观测传感器单元以及数据采集通信控制单元相连接，以为海-气耦合观测传感器单元和数据采集通信控制单元的工作提供电量；
所述浮标体平台用于放置在海洋中，浮标体平台的底部和锚定单元相连接安装，以使得浮标体平台锚定在海洋中；
所述海-气耦合观测传感器单元包括：
块体法通量测量模块，用于测量海-气界面块体参数，以计算出感热、潜热、动量通量；
涡动相关法通量测量模块，用于测量湍流脉动信号，以在线实时计算温度脉动、水汽浓度脉动、二氧化碳浓度脉动与垂直风速脉动的协方差，得到动量、感热、潜热和二氧化碳通量；
海水皮表温测量模块，用于测量不同深度的海水温度、压力数据；
上层海流剖面测量模块，用于测量海流参数；
数据采集通信控制单元，和所述海-气耦合观测传感器单元相连接，用于采集接收海-气耦合观测传感器单元所测量到的数据，并将所采集到的数据通过北斗铱星双星互补数据传输的通讯方式传输至数据处理中心；其中，北斗卫星通信用于传输安全性高、数据传输流量低的数据，铱星用于传输安全性低，数据传输流量高的数据；
所述数据处理中心用于接收数据采集通信控制单元所传输来的数据，并对该数据进行解析、存储、图形化显示和数据分发；
所述浮标体平台包括浮标体、安装在浮标体上的浮标塔架以及密封舱；其中，在所述浮标塔架上安装有北斗通讯一体机、铱星天线、涡动相关通量测量模块、块体法通量测量模块、太阳能板、浮标风翼板、锚灯以及雷达反射器；所述密封舱的最顶部是信号接插面板，中间是数据采集通讯舱，底部是电池舱；
所述涡动相关法通量测量模块包括一体式涡动相关仪、信号转换单元、惯性姿态测量单元；其中，所述一体式涡动相关仪通过横臂安装在浮标塔架顶部，其指向与浮标风翼板方向相反；信号转换单元和姿态测量单元一起安装在一个密封箱内，该密封箱通过固定件固定在浮标塔架顶部；姿态测量单元包含一个三轴倾角IMU和一个磁罗盘；姿态单元以10Hz的采样频率高频记录浮标的三维晃动姿态数据，该数据用来校正三维超声风速，获取自然地理坐标系下真实的三维风速；
所述数据采集通信控制单元包括CR3000数据采集器、北斗一体机、铱星天线、铱星终端；其中，所述数据采集器包含4个线程，分别为线程1，线程2、线程3和线程4，线程1的扫描频率为10Hz，以实现对涡动相关法通量测量模块的数据采集、姿态校正、通量计算校正，并进行实时的浮标晃动校正，获取自然地理坐标系下真实高频三维风速，并每隔30分钟进行1次涡动相关通量计算，获得动量、感热、潜热和二氧化碳通量，并以30分钟间隔的数据表格存储在CR3000的CF存储卡中；线程2的扫描间隔为10秒，以实现对块体法通量测量模块的数据采集、统计分析、表格存储；线程3的扫描间隔为30分钟，以实现定期读取海水皮表温测量模块和上层海流剖面测量模块的数据，并解析、统计和存储；线程4为北斗线程，以按照北斗协议格式将数据发送至数据处理中心；
所述锚定单元为用S型锚定单元，包括配重锚链，所述配重锚链的上端通过卸扣和浮标本体的底部中心相固定连接，下端通过卸扣和第一丙纶缆绳相固定连接，第一丙纶缆绳的另一端通过卸扣和丙纶缆绳压载锚链相固定连接，丙纶缆绳压载锚链的另一端通过卸扣和第二丙纶缆绳的一端相固定连接，第二丙纶缆绳的另一端通过卸扣和耐压浮球组的顶端相固定连接，耐压浮球组的底端通过卸扣和第三丙纶缆绳的一端相固定连接，第三丙纶缆绳的另一端通过卸扣和第四缆绳的一端相固定连接，第四丙纶缆绳的另一端通过卸扣和第五丙纶缆绳的一端相固定连接，第五丙纶缆绳的另一端和霍尔锚相固定连接；
所述的海水皮表温测量模块为一根长度为1200mm的测温棒，其中测温阵列长度为1000mm，控制部件长度为200mm；测温部件由1000组热敏探头以1mm的间隔垂直排列，另外在每个热敏探头上并列安装1个压力探头用于同步测量水深；该测温棒通过安装支架固定在浮标体上，信号线连接到数据采集通讯单元，由该单元以30分钟的间隔定期采集0-1000mm深度的温度、压力数据，每次采集可得到1000组温度剖面和同步的1000组深度剖面数据，剖面流速测温棒由浮标舱内的电源系统供电，并通过串口和数据采集通讯单元连接，进行数据双向传输。
2.如权利要求1所述的基于北斗铱星双星通信的海-气耦合实时观测浮标系统，其特征在于，所述块体法通量测量模块包括综合气象站、红外温度传感器、四分量辐射仪；所述综合气象站测量风速、风向、相对湿度、气压、降水、气温；所述红外温度传感器用于测量海水皮温；所述四分量辐射仪用于测量向上短波辐射、向下短波辐射、向上长波辐射、向下长波辐射和净辐射。
3.如权利要求1所述的基于北斗铱星双星通信的海-气耦合实时观测浮标系统，其特征在于，所述上层海流剖面测量模块为一个400Khz的超声流速剖面测量仪，根据海-气界面观测需求设置其工作模式为：0.5米测量盲区，7米层厚，测量层数为10层，测量间隔为30分钟，每次测量3分钟，ASCII码形式输出流速剖面仪的工作状态和十层流速、流向、回声信号强度数据。
4.如权利要求1所述的基于北斗铱星双星通信的海-气耦合实时观测浮标系统，其特征在于，所述供电单元为太阳能供电单元，包括太阳能板、光伏控制器以及蓄电池；太阳能板的输出端连接至光伏控制器的光伏端、蓄电池的输出端连接至光伏控制器的电池端，当光伏控制器监测到电池电压低于设定值时，则会切断其负载端的电源输出。
5.如权利要求1所述的基于北斗铱星双星通信的海-气耦合实时观测浮标系统，其特征在于，所述传输安全性高、数据传输流量低的数据包括传输风速、风向、气温、相对湿度、降水、气压、海表皮温、四分量辐射、0-70米的10层剖面流速、流向、GPS、 浮标姿态、系统电压、密封舱温度数据；所述传输安全性低、 数据传输流量高的数据包括0-1.0米海水表层温度、深度剖面和涡动相关系统的高频湍流数据。
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