海上无线电（共5篇）
海上无线电 篇1
0 引言
国际海事组织 (IMO) 开发实施的全球海上遇险与安全系统 (GMDSS) 是一个用于全球海上遇险、紧急、安全通信和常规通信的全球性综合通信系统。GMDSS由地面通信系统和卫星通信系统组成。地面通信系统包括MF/HF无线电话系统、VHF无线电话系统、数字选择性呼叫 (DSC) 系统、窄带直接印字电报 (NBDP) 系统、NAVTEX系统和现场寻位系统;卫星系统包括国际移动卫星通信系统 (Inmarsat) 和全球卫星搜救系统 (COSPAS-SARSAT) [1]。无线电通信和搜救分委会 (IMO COMSAR) 第16次会议考虑将AIS、LRIT、SSAS等新系统也纳入到GMDSS系统[2]。加之其他各种新的助航仪器、船载通信导航等电子设备不断推出, 设备安装布置变得更加困难, 对船员操作也带来了很大的挑战。
软件无线电基本思想就是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托, 通过软件编程来实现无线电台的各种功能[3], 软件无线电不是一部无线电台、无线电系统, 而是一种设计方法, 一种设计理念。为我们实现这些船舶移动通信系统中用途不一、波段跨度大、功能相异的设备的联合通信、模块化、小型化、数字化提供了理想的解决办法。
本文第1节先对软件无线电进行一些基本介绍;第2节是软件无线电应用的研究现状, 主要为海上通信方面;第3节从三方面分析了软件无线电在海上无实际应用的原因;最后第4节做出总结及展望。
1 软件无线电基本介绍
“软件无线电 (Software Radio) ”这个概念最早由美国MITRE公司的Joseph Mitola III博士首次于1992年5月在美国的全国电信系统会议 (National Telesystem Conference) 上明确提出。
软件无线电是一种新的无线电系统体系结构, 是现代无线电工程的一种设计方法、设计理念, 它的基本思想是以具有开放性、可扩展、结构精简的硬件为通用平台, 把尽可能多的无线电功能用可重构、可升级的构件化软件来实现[2]。
软件无线电由三部分组成如图1所示, 其中A/D/A是核心部分, 不同的采样方式决定了模拟射频前端组成结构, 也影响DSP处理方式及处理速度, 根据对射频模拟信号采样数字化方式的不同, 软件无线电有三种组成结构。
(1) 射频低通采样软件无线电结构
这种射频全宽开的低通采样软件无线电结构一般只适用于工作带宽不是非常宽的场合, 根据目前器件水平, 对于HF频段采用这种结构实现是有可能的, 而要以此结构实现宽频带 (大于或等于2GHz) 软件无线电是不现实的。
(2) 射频直接带通采样软件无线电结构
这种结构对ADC采样速率要求不高, 其关键部件窄带电调滤波器已有商品上市。这种结构特别适用于对体积、重量要求严格而对性能要求不是非常高的平台, 如无人机、弹载、气球载、飞艇载等。但窄带电调滤波器目前工作带宽不够宽, 有时需要分几个, 甚至是十几个分频段来实现, 需要多个采样频率, 增加了系统复杂度。
(3) 宽带中频带通采样软件无线电结构
这种结构在软件无线电中应用最为广泛, 可实现性也最强。不需要第一种结构所要求的超高速采样, 也不要求第二种结构所需要的高精度高工作带宽的采样保持放大器。
2 研究现状
目前软件无线电应用最为成功的当属美国军方的Speakeasy计划开发的多频段多模式 (MBMMR) 电台, 以及MBMMR基础上的联合战术无线电系统 (JTRS) 。JTRS现已有5种类型的软件无线电台交付部队开始投入使用, 并在各种演习中充分体现了软件无线电的优越性。
MBMMR既可以与常规HF、VHF、UHF电台通信, 还可以与SINC-GARS、HAVE-QUICK II跳频电台还有Link11数据链终端、卫星通信终端、EPLRS设备等非常规通信装备进行语音通信以及数据或者视频传输, 与此同时还能接入民用蜂窝系统, 还具备GPS定位和定时同步功能。所以实际开发成功的MBMMR电台共有6个信道, 4个可编程信道, 1个蜂窝信道, 1个GPS信道。美国Harris、南非Grinel、美国马格纳泛斯克等公司都成功研制出了MBMMR电台。
国内来说, “九五”期间立项的“多频段多功能电台技术”突破了软件无线电的部分关键技术, 开发出4信道多波形样机。另外, 我国第三代移动通信系统方案TD-STDMA也是利用软件无线电完成设计的。
第四代移动通信系统 (4G) 标准明确提出了将采用软件无线电技术, 应用范围从开始的军用扩展到到现在的移动通信、电子战、雷达、天基信息系统、电视等民用领域。关于软件无线电的研究从平台搭建到每一部分具体的硬件结构、软件模块设计, 甚至细化到某一个DSP芯片算法、某一个硬件接口设计都有很多研究人员在进行不断的研究与优化。如钟明明[11]设计的数字化中频处理平台, 就包括了总体方案设计、芯片和元件选择、电路原理、硬件平台调试、软件编写, 着重于硬件的设计;赵亮[12]主要研究了软件无线电数字下变频这一关键技术基于FPGA的处理方案;漆庄平[13]的卫星地面站系统研究与设计;徐明义等[6]重点分析中短波接收机设计中电调滤波器。
国内外多所高校对软件无线电在海上通信系统中的应用也进行了研究。
武汉理工大学的聂明新[7]于2001年提出软件无线电技术在船舶通信系统的互联和方便升级上是一种充满希望和切实可行的解决方法, 并从硬件结构到软件体系以及整个系统的模块搭建都给出了理论的介绍。
集美大学的陈朝阳[5]于2002年提出了基于软件无线电的海上中短波接收机原理。文献[5]中提出可以利用现有海上通信设备已有电路特性, 采用了宽带中频带通采样的软件无线电结构设计出接收机。接收机不仅可以实现现有海上中短波接收机、NBDP、DSC的功能, 并且能够通过加载不同的运行软件实现不同通信模式的同步接收。这种接收的出现将大大改善现有中短波通信设备工作时通信模式单一的缺点, 提高性能, 降低造价。
集美大学的符强等[9]出于整合、简化设备硬件资源和节省驾驶台操作空间的考虑, 于2003年提出了基于软件无线电的船舶通信设备综合的设想。同样采用中频数字化软件无线电结构。射频部分采用可切换的模块化设计, 便于不同通信体系的通信功能的需要, 划分2-30MHz、30-500MHz、500-3个频段, 兼容地面通信设备和卫星通信设备。
大连海事大学符策等[8]于2004年设计了频率范围在200MHz左右的软件无线电船舶移动电台。
3 软件无线电在海上通信中的应用前景分析
3.1 软件无线电技术方面[4]
(1) 软件无线电的工作频段一般都很宽, 少则覆盖一个、几个倍频程, 多则覆盖十几、几十个倍频程, 这就给与之配套的天线提出了宽频带要求。
GMDSS构成复杂, 地面通信系统工作在MF/HF/VHF频段, 设备的工作频率不超过200MHz, 海事卫星通信船站工作在L波段, 发射频率为:1626.5MHz-1646.5MHz, 接收频率为:1525.0MHz-1545.0MHz。实现“全波段”天线, 即整个波段用一副天线来实现, 且要求有比较高的效率是非常困难, 甚至不可能的。
软件无线电的天线发展分为两个方向, 一是基于智能进化算法的MEMS (微机电系统) 天线, 一种是智能天线, 以数字波束形成为基础发展起来的阵列天线技术。海上应用主要是要是后者。应该像文献[9]那样, 将整个频段进行划分, 分频段实现。
(2) 为提高软件无线电对各种不同带宽无线电信号的适应性, 中频带宽必须足够宽, 但中频带宽越宽, 对后续信号处理要求越高, 对射频前端电路动态范围要求也越高。要有速度快, 功耗低, 价格便宜的通用DSP或CPU, 目前比较困难。
针对这点, 目前解决方法为信号平台采用多DSP或多核处理芯片, 多CPU, 多模块的处理方式弥补硬件的不足。近年来DSP以及CPU发展迅速, 其性能将随着技术的发展越来越符合我们的要求。
(3) 软件无线电要求的是硬件通用化, 这样要实现不同的功能就要依靠软件来实现, 软件实现的最大问题是实时性。
可以采用FPGA进行预处理:滤波、信道化、信号检测, 来改善实时性的问题。
(4) 软件无线电的应用并不是要改成一种通信方式, 而是要通过一个硬件平台达到多种通信方式, 多种业务进行通信。同时实现不同功能时并不是说将整个软件进行重新编写, 应该实现软件编程, 形成一个个的“构件”。通过“构件”的重新配置, 或者部分“构件”的重新构造来实现不同功能。
对功能软件“粒度”的分割, 即每一个“构件”的具体功能细化程度的选取若合适, 那么实现功能重组、实现多业务通信将变得十分快捷可靠。
3.2 海上通信需求方面
GMDSS的首要任务是遇险报警通信, 通信的可靠性以及有效性十分重要, 而GMDSS中许多通信系统本身误警率就居高不下, 如HF-DSC设备, 因此整个系统包含多种通信方式, 这些通信方式各具特色, 适用于不同航区, 不同用途的船舶, 构成了庞杂的船舶通信系统[10]。
船舶上的各个通信设备价格一般都不低, 所以人们并不希望将以前的设备废弃, 同时不同设备提供了多手准备、多重保险, 这也是GMDSS越来越庞大的原因之一。软件无线的一个显著优点就是可以整合硬件资源, 节省驾台空间, 而对于我们的大型船舶来说, 这个问题的矛盾并不突出, 而小型船舶安装的设备本身就相对较少, 所以需求也并不十分强烈。
但是庞大而复杂的通信系统给船员造成了不同程度负担。在实际工作中船舶驾驶员始终存在GMDSS操作不熟练、电台管理不规范、PSC检查难通过的问题, 这些船公司带来了管理上的不便, 给船公司造成了很大的损失[14]。
3.3 新系统形成方面
软件无线电在海上通信得到实际应用这个过程与美国军方Speakeasy的研发是可以类比的。Speakeasy第一阶段主要验证了软件无线电概念的正确性、可行性。并在第一阶段成功完成理论验证基础上, 研制了演示系统, 达到了:真正开放式结构, 功能软件可编程, 能与TF-XXI AWE F、Irwin、March 97等电台互通, 支持HF、VHF、UHF多频段。其中硬件体系结构70%使用的商业现货组件, 体系结构中采用FPGA。在MBMMR基础上又形成了JTRS。我们可以看到, 在形成新系统时, 我们要先确定硬件构架, 还要有软件通信结构SCA和软件模块化设计以及面向对象编程。每一个部分的设计都需要结合技术现状进行分析、仿真和实验来确定。第2节也提到过, 关于软件无线电方方面面都有专家学者在进行着不断的研究, 各国也十分重视, 其发展是十分可观的。
4 结束语
目前软件无线电在海上没有实际应用并不是因为它是不可行的。软件无线电本身技术发展不够成熟, 海上通信对目前对新的设备需求并不强烈, 开发一套新系统所需的大量人力物力的不足等原因造成了在软件无线电应用研究热潮中, 在海上通信系统中没能得到实际应用。另外, 软件无线电需要将现代先进的通信技术、微电子技术和计算机技术结合在一起, 是一个中长期的研究项目, 需要很强的综合实力。
可以说4G就是软件无线电, 一旦成功采用了软件无线电的思想, 以后的升级更新、通信质量提高的成本、效率都会大大提高。那时我们考虑的应该就是如何改进如信号处理的算法等比较“软”的问题, 而不用大刀阔斧的废弃大批的设备。因此, 基于软件无线电的船舶通信系统的出现是必然的发展趋势。
浅谈海上无线电气象传真系统 篇2
一、建设我国海上气象传真系统的必要性
1.1履行国际公约, 提升海事形象
《国际海上人命安全公约》 (SOLAS公约) 明确规定:“各缔约国政府尤应承担义务, …使用陆地和空间无线电通信服务机构的相应岸基设备以文字、并尽实际可能以图象格式发出信息, 警告船舶注意强风、风暴和热带气旋…”。我国作为国际海事组织的A类理事国, 有必要完善海上无线电气象传真业务, 更好地履行国际公约, 提升海事大国形象。
1.2保障航行安全的重要手段
船舶航行安全与海洋环境密切相关, 据统计, 80%海上事故的直接或间接诱因是气象、气候的异常变化。通过气象传真掌握专业的海上安全信息数据并加以合理利用, 实现气象灾害早发现、早预警, 无论是对事前水上安全通航, 还是事后应急搜救均起到十分重要的作用。
1.3国家战备需要
气象信息属于国家战略资源。我国社会主义经济不断的快速发展, 引起了某些国家的高度关注, 国际争端愈演愈烈。单纯依靠国外预报产品可能导致严重的后果。为保障复杂国际形势下我国船舶的航行安全, 维护国家海洋权益, 建设我国自有的海上无线电气象传真系统, 主动掌握和发布我国沿海及周边海域的气象信息显得尤为重要。
二、我国海上气象传真系统的服务区域
一方面, 目前我国周边海域接收日本鹿儿岛发射台播发的气象传真信息, 对南中国海和马六甲海峡水域覆盖较弱。而对中国来说, 南中国海及马六甲海峡是中国海上运输的黄金水道, 是中国经济血脉的关键所在。资料显示, 每天通过马六甲海峡的船舶有60%是为中国输送货物。往返于该区域的中国远洋船舶接收到的日本气象传真信息非常微弱, 有时甚至接收到的是“错误”的信息, 不利于船舶合理安排航行计划及选择最佳航线, 大大增加航行风险。
另一方面, 中国濒临的边缘海多被周边邻国岛链所包围, 在一定程度上与邻国共有并存在一定的主权争议。北方的图们江出海口至东南沿海, 被日本、朝鲜、韩国所环绕, 从东南沿海至南海, 又被菲律宾、马来西亚、新加坡、印度尼西亚、泰国等所环绕。为维护国家主权和海洋权益, 需要将相关争议海域纳入我国气象传真覆盖范围。
综上分析, 我国气象传真系统覆盖区域在近海方面应可靠覆盖钓鱼岛、黄岩岛、台湾海峡、朝鲜海峡等水域, 在远海方面应至少覆盖南中国海和马六甲海峡等重点关注水域。
三、气象传真播发内容
世界气象组织建议气象传真图像内容包括:
3.1地面图
地面图是航海中最常用的也是最重要的基本天气图之一, 包括各种气象要素和天气现象 (如:气温、风向、风速、海平面气压、雨、雪、雾、能见度等) , 分为地面实况分析图和地面预报图。
3.2波浪图
波浪是影响船舶运动和航行安全的重要因素。通过逐日接收波浪传真图, 可及时避开恶劣海况区以达到安全航行。波浪传真图分为波浪分析图和波浪预报图。
3.3高空图
高空图是反映空中气压水平分布的图, 将空中相同气压对应的高度值填写在图上进行分析, 就可以反映出该等压面在空中起伏的趋势。
3.4冰况图
海冰包括海水结冰和陆源冰, 不仅会破坏港口设施, 造成港口封冻, 还容易造成航道阻塞, 冰流特别是冰山严重威胁船舶的航行安全。
3.5海温图
海水温度的变化对天气和气候有着极其重要的影响。厄尔尼诺和拉尼娜现象是典型的海温异常气象。
3.6重要天气图
主要包括热带气旋图, 有利于船舶掌握气象路径, 合理规避对船舶航行安全造成的影响。
四、气象传真系统总体方案
上海海岸电台海上无线电气象传真系统包括:信息源推送系统、信息调制与控制系统和信息播发系统三部分, 系统总体框架如图1所示。
信息源推送系统:分别设置于国家海洋部门和国家气象部门, 包括专题数据库单元和信息推送单元, 专题数据库单元主要完成无线电气象传真信号的提取与计算, 信息推送单元根据预设时刻表将信息推送至上海海岸电台。
信息调制与控制系统:设置于上海海岸电台中控台, 主要完成对国家海洋部门和国家气象部门推送气象信息的采集、信息的存储与编排、信息的调制及整个系统的控制。
信息播发系统:设置在上海海岸电台发信台, 包括发射机、天线矩阵和天线等设备。信号匹配单元完成调制信号的初级放大和信息格式的匹配, 同时选择发射机及天线进行气象传真信息的播发。
根据ITU的相关规则, 海上无线电气象传真的播发设有专门的频段。根据短波信号传播的特点, 为保证气象传真信号的连续有效覆盖, 需要同时开设中频和高频电路。另外, 短波信号通过天波传播, 受电离层、环境等因素影响较大, 单条电路在覆盖范围内的适时率约为70%, 为保证较高的适时率 (90%或以上) , 应适当增加冗余电路。
海上无线电气象传真系统的建设和开放, 将有效降低极端气象灾害所带来的水上安全事故风险, 提高我国航海保障服务水平, 为通航管理及应急搜救提供专业气象数据支持, 提升海事大国形象。
摘要：海上无线电气象传真是船舶接收海上气象信息的重要手段之一。本文从建设的必要性、服务区域、播发内容和总体方案等方面对我国海上无线电气象传真系统进行了阐述。
关键词：气象传真,航海保障,海岸电台
参考文献
[1]国际海事组织 (IMO) 《1974年国际海上人命安全公约 (SOLAS) 》及修正案, 1974年;
[2]《交通部、中国气象局关于共同做好海上搜救气象服务的协议》, 2006年;
海上移动平台间无线通信浅谈 篇3
在实际应用中, 经常需要在多个移动平台间构建无线通信链路, 完成平台间数据的有效传输, 但在设备选型或设计规划中常常受岸上无线通信设备使用经验影响, 实际设计规划或选择出来的设备, 换个环境就“水土不服”, 问题频发, 却又常常让人手足无措。针对这一系列现象, 根据实际工作经验, 给出使用规划设计、设备选型等方面的建议。
二、原因分析及选型、设计中的对应措施
为什么陆上使用正常的设备, 到了海上就“晕船”, 无法完成既定的通信任务, 分析原因不外乎电磁频谱不兼容、超出作用距离、遮挡和硬件故障等几个方面。
2.1电磁频谱不兼容
海上移动平台上无线设备使用常常存在安装空间受限, 用频设备多, 导致电磁环境复杂, 相互间干扰问题时有发生。故电磁兼容性设计、验证尤为重要, 否则容易造成过多投入后, 无法使用, 造成资源浪费。各平台间安装无线用频设备不同, 随着移动平台移动, 平台间的电磁环境相互影响, 会愈来愈复杂, 底噪升高, 造成无线通信设备接收信号信噪比降低, 当达不到链路储备时, 通信链路受到影响, 会改变调制方式, 降低速率, 甚至中断。为了避免这一问题的发生, 首先, 要严格电磁频谱管理, 设备用频应进行频谱审批, 并接受相关频谱管理部门的管理监督, 规范频谱使用秩序;其次, 在设备建设规划初期, 要进行电磁兼容性设计和测试, 这一工作需要在拟安装改型设备的所有平台进行, 确保所有设备开机工作时, 无相互干扰;第三, 在设备选型上, 要根据使用带宽需求, 尽可能选择宽带智能天线或MIMO天线系统, 同时, 要求设备具备电磁频谱感知或测试功能, 如果设备自身没有这样的功能, 在设计上就要考虑增加频谱分析仪, 并适时监测频率使用情况, 这样就能够及时了解拟用电磁频段的用频情况, 为是否更改频段, 规避干扰提供参考依据。
2.2超出通信距离或遮挡
海上移动平台一般天线安装高度有限, 受视距的影响, 往往难以实现远距离通信。尤其是平台间相互移动, 链路环境不稳定, 常常造成通信不稳定, 甚至中断。
海上平台大小不同, 受海浪影响也不尽相同, 平台摇摆幅度过大, 往往容易造成天线波束无法相互覆盖, 造成通信单向, 时通时断, 甚至中断。另外, 受天线安装位置限制, 随着平台航向变化, 原来通视的位置可能变得有了遮挡, 这往往也是影响海上移动通信的重要因素。
针对这一问题, 首先, 需选择具备相应增益的天线。由Bullintog近似计算公式Pr=Pt (h1h2/d2) 2grgt可知, 天线高度和天线增益对信号传播的影响很大[1]。
第二, 应根据带宽、作用距离等需求的实际情况, 进行链路计算, 计算天线高度需求, 有条件的情况下, 尽可能提高天线架高, 确保即使平台航向变化也不会因遮挡等原因影响天线波束, 做到设备功率范围内通视。一般根据以下公式确定天线的架设高度:
r (km) =4.12 (sqr (h1) +sqr (h2) ) (考虑大气折射效应后) [2]
式中r (单位为km) 为传输距离, h1、h2 (单位为m) 分别为两端天线的架设高度。
第三, 尽可能选择高增益和宽波束的智能天线, 天线赋形后增益提高以增加链路储备, 且保证平台摇摆波束有效覆盖, 有条件的情况下, 对于点对点通信可以考虑为定向天线增加伺服系统, 确保天线指向稳定, 以保证较高的增益, 稳定链路储备, 提高通信可靠性。
第四, 设备技术指标允许的情况下, 设计中应考虑在原有基础上增加或采用更高指标的低噪声放大器, 提高设备的电平储备。
2.3硬件故障
海上移动平台无线通信设备受安装条件的影响, 尤其是设备天馈系统中为了避雷、滤除干扰而串接了避雷器、滤波器等多接头的无线通信系统, 往往容易出现受海风、盐雾等影响出现接头松动、被腐蚀等情况的发生, 在完全中断前, 随着平台移动往往出现通信时通时断的情况, 造成通信链路不稳定。针对这一问题, 应定期对连接缆线进行检查、检测, 对松动的接头及时进行紧固, 对被腐蚀的接头及时更换, 定期对缆线进行更换, 确保室外天馈系统指标正常, 这一工作也可以定期使用天馈线测试仪进行天馈系统指标检测, 检测天馈系统驻波比等参数并进行比对, 及时掌握设备天馈系统变化情况, 以便及时采取更细致的检查或处理措施。另外为了实时监测设备的工作状态, 建议设备在设计论证时应要求网管软件具有设备状态实时记录、输出功能, 或通过在本平台安装频谱分析仪的手段, 定期采集设备工作状态参数, 建立设备工作状态数据库, 及时比对参数变化, 以便于做出装备性能是否下降或受影响的正确分析, 及时进行处理。
三、使用过程中的故障处理步骤
设备在海上移动平台安装使用过程中, 尤其是临时安装设备使用中, 应时刻关注本端设备工作状态变化, 同时关注本平台上其他用频系统工作情况, 一旦工作状态有变化应及时通报远端通信设备保障人员, 以便于做到出现问题早发现早解决。一般易出现以下几个方面的问题, 此时, 应结合具体情况进行分析解决。
3.1通信突然中断
按以下顺序进行检查, (1) 看:查看设备工作情况, 一看设备供电是否正常;二看设备互联缆线连接是否正常;三看设备工作状态指示是否正常;四看设备网管技术指标是否正常。并结合观察到的实际情况进行技术分析, 乃至用天馈线测试仪对天馈系统进行检查并做相应的技术处理, 流程详见图1所示。 (2) 问:一问航向情况和远端平台的相对位置、航向, 了解是否是由遮挡造成的通信中断, 弄清是本平台遮挡还是远端平台遮挡;二问远端平台工作情况, 了解是否是远端平台供电、缆线或者状态指示的其他故障造成的通信中断;三问本平台是否有大功率用频设备开机工作, 如果没有则及时了解其他平台相关用频设备工作情况。 (3) 查:用频谱仪检查或设备内置频谱监测功能查看所用频段是否有底噪异常升高, 导致设备接收电平异常升高, 信噪比下降等情况, 该步结合技术指标检查完成。如果是频率干扰, 通过步骤 (2) 及时排查干扰源, 请示进行进一步处理。 (4) 换:在查明确实是频率受到干扰造成通信中断, 通过频谱分析是否有可用频段, 有的情况下, 及时通报相关平台设备更换频率参数, 重新建立通信链路。
3.2信噪比和接收电平有规律的变化且幅度较大
出现这种情况一般是天线故障或整个通信系统 (设备-馈线-滤波器-馈线-天线) 接头处有松动或馈线有破损, 导致信噪比和接收电平随移动平台晃动而变化较大, 此时需检查各接头是否连接正常, 用天馈线测试仪检查整个天馈系统的故障位置, 更换故障部件。
3.3信噪比和接收电平无规律的变化
确认整个天馈系统无故障后, 这种情况很有可能是有电磁干扰, 用频谱仪或天馈线测试仪的频谱监测功能, 通过频谱分析是否有可用频段, 在确认有可用频段的情况下, 应及时通报相关平台设备更换频率参数, 重新建立通信链路。使用频谱仪或天馈线测试仪的频谱监测功能时, 最好把设备关机, 这样能更清晰、迅速地查找到可用频段。
四、结论
本文针对海上移动平台间无线通信设备在使用过程中经常出现“水土不服”的实际情况, 对其出现的原因进行了分析, 并给出使用规划设计、设备选型等方面的建议, 最后结合笔者经验, 总结了易出现的故障及相应的处理措施, 对提高海上移动平台间无线通信的稳定性提供了帮助。
摘要：在实际应用中, 经常需要在多个海上移动平台之间构建无线通信链路, 完成平台间数据的有效传输。本文从海上移动平台间无线通信设备的安装使用环境等方面入手, 分析了通信中易出现的问题, 针对问题给出了设备选型或设计规划、使用等方面的建议, 并简单总结了故障处理方法。
关键词：海上移动平台,无线通信,MIMO,频谱分析
参考文献
[1]董保明, 贾振强.无线电台天线驻波比浅析[J].中国无线电, 2007 (6) :43-44
海上无线电 篇4
1.1基于移动模型的节点动态预测
海上无线传感器网络, 节点呈现高度的动态性。为此, 采用移动模型对节点状态进行模拟, 移动模型是对网络中移动节点移动方式的抽象, 反应了移动节点的位置、速度、加速度的变化情况。在现有的研究中, 移动模型又有不同的分类方式, 根据移动模型的构建方式不同, 移动模型分成踪迹移动模型 (Trace Mobility Model, TMM) 与合成移动模型 (Synthetic Mobility Model, SMM) 两类[4]。针对海上环境的特点, 假设分布在海上的无线传感器节点的运动趋势是基本一致的, 将组移动模型应用到无线传感器网络拓扑中, 充分考虑节点间的位置关系, 适当删除冗余链路, 构建合理拓扑。
在这个模型中, 节点运动呈现一致性, 具有一个相同的基础速率和基础移动方向, 为了表示各节点移动状态的差异性, 各个节点的移动速率是由组移动速率加上随机附加速率。
根据节点的运动状态对节点未来的移动状态进行预测, 假设t时刻得到节点的移动速率为v (t) , 移动方位为Φ (t) , 预测得到的t时刻节点的移动速率为v1 (t) , 移动方位为Φ1 (t) , 预测t+1时刻节点的移动速率为v2 (t) , 移动方位为Φ2 (t) , 它们之间存在如下递推关系:v2 (t) = (1-α) v1 (t) +αv (t) , v2 (t) = (1-β) Φ1 (t) +βΦ (t) 。
根据上述递推公式, 可以在t时刻根据得到的移动目标的运动速率和方位以及历史的预测结果预测出节点在t+1时刻的运动速率。
2 改进的分簇协议
本文采用[1]中所提到的无线电传播模型, 根据无线信号传播能量损耗模型可知, 当无线传感网络规模较大, 实现从源节点到目的节点的通信需要消耗很多能量, 为此, 考虑将无线传感器节点进行分簇。分簇拓扑结构具有较好的可扩展性, 适合大规模网络, 与平面拓扑结构相比, 更容易克服传感器节点移动带来的问题。
LEACH算法进行周期性工作, 每轮的循环过程为:在簇的建立阶段, 每个节点选取一个介于0到1的随机数, 如果这个随机数小于LEACH算法所计算的阈值, 该节点成为簇头, 簇头向所有节点广播自己成为簇头的消息, 每个节点根据接收到的广播信号的强弱来决定加入哪个簇, 并回复该簇头[5,6]。利用LEACH算法生成的网络拓扑, 与平面拓扑结构相比, 可以延长网络生命周期, 但也存在一定的缺陷, 首先网络簇头完全随机选取, 没有考虑节点的剩余能量, 能量较少的节点当选簇头, 会加快节点的死亡, 其次, 网络节点的位置也是完全随机的, 分布不均匀, 造成严重的数据冗余和链路冲突阻塞。
LEACH算法中, p是簇头所占所有节点的百分比, 即节点当选簇头的概率;r是目前循环进行的轮数, G是最近1/p轮中还未当选过簇头的节点集合, 当节点n在集合G中时, 由LEACH算法的计算的T (n) 可通过p与 (1-px[rmod (1/p) ]) 的比值得到, 当n不在集合G中时, T (n) =0, 从T (n) 我们可以看出, 当选簇头的节点在接下来的1/p轮循环中将不能成为簇头, 剩余节点当选簇头的阈值T (n) 越大, 节点生成小于T (n) 的随机数的概率随之增大, 所以节点当选簇头的概率增大。
针对LEACH算法的不足, DCHS (deterministic cluster-head election) 将能量因素考虑进来, 改进了T (n) 的计算方法[7]。
rs表示节点连续未当选过簇头的轮次。一旦当选了簇头, rs重置为0。上述公式的改进有效地解决了DCHS的缺陷, 综合考虑了节点的能量和阈值大小对簇头选取的影响, 使算法更公平合理。
除了节点剩余能量, 还要考虑到能量均衡, 在簇头选择过程中, 应同时考虑簇头节点到汇聚节点的距离及节点度, 在利用DCHS选举簇头基础上, 利用下式确定簇的大小:
其中dmax、dmin分别表示网络中的节点到汇聚节点的距离的最大值和最小值, d (si, DS) 表示节点si到汇聚节点的距离。
3 实验仿真
为验证提出算法的可行性及正确性, 仿真实验是在Matlab7.0中进行。图1所示为本文所提算法与LEACH、DCHS算法的比较, 三种算法的平均耗能差别不大, 但所提算法要优于两种基础算法。
4 小结与展望
近年来, 对无线传感器网络的研究已经取得了卓有成效的研究, 提出了许多改进算法和新的协议, 但目前的算法研究对象多为节点分布均匀的静态网络, 而现实存在的网络节点都是随机部署的, 很难保证节点分布均匀, 且很多实际应用中可能需要利用移动节点的配合完成任务, 现有的静态网络算法不能满足实际应用的要求, 所以应该将视野转到对动态网络的研究, 提出更为有效的、节省能量的适用于节点位置动态变化的拓扑、路由协议。
参考文献
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海上无线电 篇5
为了实现缆绳张力的实时监测,系统利用无线通信组网技术,将所有的应用设备组成一个广域的传感器网络,将FPSO上的缆绳拉力通过无线传输的方式传到提油轮上的手持终端,从而使提油轮上的船长对FPSO上的缆绳拉力进行在线实时监视,并根据实际情况进行操作,有效地避免缆绳拉断的危险。
1 系统的规划设计
2.4GHz和433MHz是我国的免申请发射接收频率。理论上来说,频率较小的电磁波波长较长,性能较为优越,但传输数据量较小,采用433MHz作为此系统的传输信号。鉴于油轮的缆绳上已经安装了拉力传感器,转换器的输出为4～20mA标准模拟电流信号,并已有一套含检测缆绳拉力的监控系统。考虑到本装置的独立性,避开解析系统复杂的网络与接口协议以获取拉力信号带来的困难和繁琐,本系统采用拉力传感器上的信号作为本系统的信号来源,即从传感器转换器输出的4～20mA的标准模拟电流中取信号,设计一套与现存控制系统相平行且相对独立的数据采集与传输系统。由于FPSO监控系统的设备(包括大缆拉力传感器、转换器)都安装在比较封闭的铁质船舱里,且处在船的底部。为屏蔽障碍物对无线通信的影响,可将转换器输出的4～20mA标准模拟电流信号采集到发射模块,传送到FPSO轮的顶部(驾驶室顶部)再发送到提油船。
本装置的数据采集部分直接将4～20mA电流进行A/D转换,经过MCU简单的处理(数字滤波等)后,将数据通过无线信道直接发送。无线传输采用433MHz载波信号,无需执照就能使用,只是发射功率上有所限制,发射功率不能大于1W。但这完全能满足油轮信号发射端到各停靠船只最远距离在1.5km内的要求。
系统采用标准的射频收发器和微处理器,它具有通信距离远、抗干扰能力强、组网灵活及性能可靠稳定等优点;可实现点对点、一点对多点和多点对多点之间的设备间数据的透明传输,可组成星型、树型和蜂窝型网状网络结构。
2 系统的硬件设计
处理器用Microchip公司生产的PIC24HJ系列16位单片机,该MCU指令速度为40MI/s,远远能够胜任QVGA分辨率的TFT液晶屏的刷屏工作。显示屏采用QVGA格式的TFT液晶显示屏,分辨率为320×240,18位色深,26万色。无线收发器模块带有MCU,采用美国atmel公司的atmegaMCU,带有10位A/D转换,精度为1‰,综合误差为3‰,对4～20mA信号读数精度为0.05mA。移动显示终端把掌上电脑(ARM9)和433M无线收发技术两大最新成果有机地结合,组成分布式监控系统,可实现多参数多种图形的数据监测、报警显示和分析。
从总体上看,该系统分为两个部分:数据采集设备和手持设备。前者用来获取FPSO油轮缆绳上的拉力数据,并将它通过无线方式发射;后者使用于提油轮上,它能够接收FPSO油轮上发射出来的数据,并在显示器上显示当前的缆绳拉力。如果缆绳拉力超出设定范围,可以发出报警。
数据采集部分主要包括一个4～20mA的转换器,把模拟信号转换为数字信号,并通过SPI接口将数据送给MCU,MCU对数据进行处理后,通过CC1000转换为无线电波发射到空中。数据采集节点上带有一个显示器,用于实时显示当前缆绳的拉力,并带有报警功能,当拉力达到上限时会发出报警声音。数据采集节点上也可外接一个键盘,用于人机交互,用户通过键盘可以对采集节点进行一些简单的设置,例如无线发射功率的设置,调节无线发射的距离(50～1 500m之间)。
手持设备包括无线收发器RF、参数设定键盘及TFT显示等模块。操作人员只需要用按键对菜单进行操作,就可以实现实时显示及报警等功能。
移动终端监控设备用于提油船操船人员使用,采用嵌入式手持的设计方式,用于动态地显示当前缆绳中的拉力。手持设备包括一个无线收发模块和触摸显示器。操作人员只需要用按键对菜单操作,就可以实现全部的监控功能。该产品需要实现数字显示、报警及设定报警值等功能,并且可靠性要求高。
3 模块方案
采集发射一体机中的发射模块阻抗为50Ω,采用外置电源供电。电源将外部220V交流电经由AC/DC电压模块转换为直流定压5V/5W进行供电。各类信号数据由外置天线发射。采集发射一体机应靠近罗经仪数据源进行安装,发射天线置于船舱顶部最高处。罗经仪信号通过RS232串口传输,经发射模块MCU调制后发射。大缆拉力信号为4～20mA标准模拟信号,经A/D转换后进行发射。一体机采用带磁性座天线,安装在FPSO船舱顶部,要求和接油船的天线在150°范围内可视。因天线10m的衰减不到1/10,如果将天线装在玻璃窗内将受到遮挡和周围环境的影响,其衰减可达1/3或以上。移动显示终端包括无线接收模块、5V/10W电源转换模块、天线、PDA(ARM9系统)和7寸触屏。同时内置USB口、RS485口、100M以太网口和32G存储卡供用户使用[1]。由于终端有较高的移动便携要求,采用内置电池进行供电,采用10Ah四并一串的聚合物锂电池进行供电。
4 技术方案要点
考虑到海上油田作业的特殊性,本系统在设计时充分考虑以下几点要求:
a.发射和接收模块都有唯一的ID号,在1 500m范围内,只有一定权限的人员才能通过笔记本电脑使用专用USB口接收模块的软件监测、修改或增减收/发模块的ID号、参数和报警值。
b.一次发射误码率为1%,二次发射为0.1‰。
c.除接收终端采用锂电池供电外,其余全用船上电源供电。
d.无线收发模块规范通用性强,主要用于工业信号的收发,且便于更换。嵌入式系统采用ARM9芯片+WINDOWS CE5.0/6.0操作系统[2]。应用程序可根据实际需求进行深度定制开发,适合将来进一步拓展。
e.无线频段433MHz适合工业信号传输[2],为指定范围内实时监控和指挥决策提供最便捷的手段。
f.手持终端采用7寸触摸屏操作方式,操作方便、简单。
海上油田监控系统的控制设备(包括大缆拉力传感器、转换器和PLC)全都安装在比较封闭的铁质船舱里,对无线信号的传输有屏蔽。
该系统读取传感器输出的4～20mA标准模拟信号,然后进行A/D转换[3],经过MCU简单的处理(数字滤波等)之后,将数据通过无线信道直接发送,移动终端接收发射装置的信号,并实时显示拉力数据。
为解决上述问题,采取以下措施:
a.为增加通信传输距离,增强电磁波传输过程中的穿透能力,避免丢失数据包,本系统的无线通信在315、433、868、915MHz频段中工作,根据现场条件选择一个最合适的频段。这几个频段与2.4GHz频段相比频率小很多,波长大很多。
b.无线通信收、发装置的天线放在外壳外边,并且设计成性能最佳的尺寸。
c.在生活楼屋顶等一些与外界相连的空间架上一台覆盖范围较广的无线通信天线,而在集控室内部采用无线收发器收发室内信号,随后通过无线通信塔发射出去。
5 结束语
该项目已在“海洋石油116”号FPSO上进行了实施,并取得了较好的效果,提高了输油过程的安全性和可靠性。该设备成本低,易于安装和使用,并且操作简单,不需要对相关人员进行专业培训。此技术的实施应用,为提油作业的安全提供了有效的保证,结束了以前靠人工监控,用对讲机吼叫的落后模式。冬季季风季节,受涌浪影响缆绳拉力瞬息万变,有时还没来得及报告给提油轮船长,拉力就已经超出了缆绳所承受的最大拉力。若按照每年更换一条缆绳计算,一条缆绳4万元,一条软管56万元,最少更换两条软管,一次断缆直接经济损失近1 16万元,损失软管内原油30m3,回收及消除污染费用约120万元,该损失还没有计算更严重的油轮碰撞的风险,若产生碰撞损失将不可估量。若按一次事故计算就可避免损失236万元,此技术除在本油轮应用外,已经在“海洋石油1 15”及“奋进号”等FPSO上得到推广,随着此技术的逐步推广和认可,很可能在以后的设计中固定下来,成为FPSO艉输系统的固定配置,为设计方面带来新思路,为配套带来新模式,此项目带来的安全效益将无可估量。
摘要：通过设计了一套基于无线通信技术和数据库技术的综合信息平台,实现了对海上提油作业环境各种参数信息的管控,并运用手持终端进行数据呈现和展示,以达到监测、预警及综合协调等功能。
关键词：大缆拉力,罗经仪数据,无线传输,实时监控
参考文献
[1]胡平平,王东兴,王晶杰.ModBus协议在无线监控系统中的应用[J].计算机工程与应用,2005,41 (17):211-214.
[2]任丰原,黄海宁,林闯.无线传感器网络[J].软件学报,2003,14(7):1282-1291.