北斗衛星通信系統在海洋探測平臺上的應用

李 鋒，陳毓偉

（1. 中國船舶集團有限公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003；2. 清江創新中心，湖北 武漢 430076；3. 中國信息通信科技集團武漢光迅科技股份有限公司，湖北 武漢 430205）

0 引言

“海洋環境探測平臺”是指搭載系列海洋環境探測傳感器，集信號采集、處理和傳輸一體化的海洋工程載體，達成海洋動力環境觀測、生態環境監測、資源生態調查、科學研究以及海戰場攻防作戰等海洋環境信息參量的獲取工作。廣義的海洋探測平臺包含天基、空基、岸基、船基、?；?、潛基、海床基等。這些平臺和通信衛星系統構建空–天–海–潛–底五位一體的立體、長周期、全要素觀探測體系，實現人類對海洋環境要素的連續、大面積、實時觀探測[1]。

海洋環境立體觀探測平臺通過綜合集成各種海洋技術（海洋基礎技術、海洋相關技術、海洋應用技術），形成一個多維儀器、裝備以及工程的系統。作為實現功能和技術指標的基本平臺，搭載海洋環境觀測載荷的載體，涵蓋水面、水下至海底任務空間，擔負海洋水文、氣象、水質、地質地貌、海洋物理、海洋聲學、海洋生物及海洋化學等海洋泛在學科領域的觀探測任務。是人類感知海洋、認知海洋、經略海洋的技術基礎[2]。海洋觀探測能為海洋預警預報、海洋空間規劃、海洋生態管理、海洋資源開發和海洋維權、海戰場建設以及海上方向聯合作戰提供參考信息，是支撐國家利益向海拓展和海上實戰效能提升的 “倍增器”，具有典型的各方共建、共享、共用的多融合屬性。在某種程度上，海洋環境探測成果能為我國實現現代海洋強國、搶占制海高點奠定基礎。同時，它也反映了一個國家真實的海洋競爭實力和綜合國力。

自20 世紀80 年代以來，隨著衛星通信導航（定位）技術的進步，推動了以無人化、自動化和智能化為主題形態的海洋環境觀探測裝備體系快速發展，并支撐海洋環境觀探測領域越限破閾，步入 “多元化、實時化、長時序、立體化、網絡化” 的可持續發展階段[3]。相較于傳統海洋平臺的綜合導航（定位）通信體制，星基通信導航技術體制作為現代海洋環境觀探測平臺兩大核心共性技術，具有從服務區到工程實現的、無可比擬的廣域海洋場景適配優勢。其關鍵性和保障性地位，是海洋平臺發展和海洋探測領域進步不可或缺的支撐技術基礎?？梢哉f，沒有星基通信導航系統的支撐，就沒有現代海洋環境立體探測體系的建立。

1 北斗對海洋探測平臺的支撐作用

“十五” 以來，與北斗大系統 “三步走” 戰略同步，歷經10 多年的實踐探索和技術攻關，我國“海洋環境觀探測裝備平臺+北斗”應用模式漸進成熟，體系化推進海洋環境觀探測平臺嵌入式、融合式、模塊化集成應用。北斗導航定位、信息傳輸在海洋環境觀探測中的重要作用不可或缺。

目前，北斗三號全球衛星導航系統（BDS3，簡稱北斗三號）是我國新時代自主時空通信定位基礎設施中最先進的。北斗“PNT（定位、導航、授時）+短報文通信” 已實現全球服務，具備導通一體、位置跟蹤、直達末端的特色基礎信息支撐屬性。此外，北斗三號新體制信號在接收靈敏度、抗多徑干擾等能力上也較北斗二號有顯著提升。短報文通信全球覆蓋、數據擴容等關鍵性增量通信載荷等，都對海洋觀探測領域升級換代意義深遠，成為支撐海洋環境觀探測裝備體系拓進全域海洋應用場景的最優工程選擇。北斗終端嵌入式/模塊化北斗應用模組支持RNSS 和RDSS 一體功能，具有通信導航一體化技術（CPIT）屬性，擁有成本低、安裝約束小、適裝性好等工程集成優勢，賦予了海洋探測平臺制信息權、制智權的深刻內涵。為海洋環境觀探測裝備平臺提供覆蓋全球的實時、連續、安全和精確的定位、測速、授時信息和位置報告、短報文通信服務。

基于加快海洋強國建設的時代大背景，以北斗三號為創新引擎，挖掘“海洋環境觀探測裝備領域+BDS3” 技術手段融合實現，創新應用北斗三號星座通信增量服務，適應性構建“海洋環境觀探測平臺+BDS3” 迭代應用模式，可望破題自主化、覆蓋區和信道容量系列領域導通保障手段與能力困境，強化對平臺的精確控制、任務的及時調度、數據的實時交互，實現全域可達、全鏈貫通、可信可靠、簡潔高效，全時空、全剖面覆蓋海洋觀探測平臺任務系統需求，進一步賦予海洋物聯網前沿感知節點特質[4-5]，支持生成 “基于北斗三號的全球/區域海洋環境觀探測網系態勢”，助力我國陸、海、空、天、潛、底海洋環境觀探測體系全球化布局轉型，進而支持國家戰略利益獲取，推動國家戰略空間持續向深海和遠海拓進[6]。

目前基于北斗三號的海洋自主式探測平臺，除了剖面浮標（ARGO 浮標）、水下滑翔機（UG）、波浪滑翔器（AUG）、自主潛航器（AUV）及水面無人艇（UUV）等無人自主移動觀探測平臺外，還包括漂流/錨泊浮標、錨系潛標、海床基、地波雷達等多種定點或無控漂浮平臺。本文探討 “海洋環境觀探測無人平臺+BDS3” 的典型應用需求與方案策略。

圖1 波浪滑翔器Fig. 1 Wave glider

圖3 HM2000 型/HM4000 型剖面浮標Fig. 3 HM2000/HM4000 profiling buoy

圖4 海洋探測潛標Fig. 4 Buoy for ocean exploration

波浪能滑翔器是一種利用海洋波浪起伏能推進的海洋環境探測平臺，其控制與通信電路采用太陽能板供電。系統具有衛星通信、全球定位和自主導航能力，被稱為永不停步、暢游海洋、1 年10 000 km 的海上永動機，能夠實現大范圍、遠距離的海表水文及海面氣象走航測量和測量數據實時回傳能力[7]。海洋環境定點探測潛標系統通過錨系裝置，把潛標體錨泊在海中一定深度處，具備從近海面到水下幾千米深度的溫、鹽、深、流連續、長期、自動測量和通過衛星中繼數據回傳功能。海馬系列剖面測量浮標，是一種在隨波橫向漂行的過程中，通過浮力調節裝置上下蛇行，實施對海洋環境參數的剖面測量[8]；系統浮出水面時，利用衛星中轉回傳數據。水下滑翔機利用浮力調節和航向控制技術，在水下滑翔航行，滑翔期間完成諸海洋環境要素的測量；滑翔出水時與衛星通信，上傳測量數據[9]。

廣袤深邃的海洋因其海水介質、環境、深度、空間等獨具的特殊性與未知性，決定海洋環境立體觀探測裝備一方面涉及諸多學科，技術含量高；另一方面因長期獨立工作于惡劣的海況下，需要極高的可靠性，導致其具有與其他技術裝備不同的特質。因此，在海洋探測領域共性支撐技術體系中，北斗三號衛星系統作為自主星基導航通信體制，涵蓋海洋環境觀探測平臺2 大關鍵核心共性技術，具有無可替代的廣域海洋場景配置優勢。對于支撐以無人化、自動化、智能化為主題形態的海洋環境觀探測裝備體系的深度發展以及推動海洋環境觀探測領域“多元化、實時化、長時序、立體化、網絡化” 的持續進步，起到無可替代的基礎保障作用，是平臺進步和領域進步不可或缺的配套技術基礎。

2 海洋探測平臺對北斗三號應用需求分析

北斗導通一體終端模塊具有成本低、安裝約束小、適裝性好等優勢?！笆濉?至今，隨著兩代北斗入役，我國海洋環境觀探測領域不斷探索以北斗定位通信為基礎技術平臺，圍繞海洋環境觀探測信息的傳輸短板，著力開發了基于北斗的C-ARGO、海洋水文監測潛（?。讼到y、自動氣象/海洋站等系列化創新應用，初步解決了長期困繞海洋領域的信道與定位2 大自主基礎技術支撐難題，推動了北斗在海洋環境信息領域的嵌入式、模塊化應用，形成北斗在海洋環境信息體系中的多元保障作用。

典型應用示范為C-ARGO 浮標，為一種技術性能上可比肩國際通用ARGO 的國產海洋剖面探測浮標。傳統概念上的ARGO 浮標（自主式溫鹽深剖面探測浮標）是一種通過全球海洋布放，利用衛星通信定位，建立全球海洋觀測網的專用海洋環境剖面探測設備。ARGO 浮標的核心采用美國GPS通信定位技術， 通過法國和美國合作運營的ARGOS 衛星系統傳輸海洋觀測數據，數據落地法國ARGOS 中心匯總處理，再按不同國家的權限分享成果。不難看出，ARGO 實質上從設備層到數據層全面由歐美國家掌控，形成探測數據成果向他們單向透明。海洋環境信息關系國家安危，無法掌控的ARGOS 系統數據單向透明，無疑會對我海洋主權乃至國家安全構成嚴重威脅。隨著我國海洋探測領域ARGO 類浮標部署需求的激增，迫切要求國產ARGO 類浮標從設備、定位跟蹤、數據落地、成果應用全環節，打造基于北斗導通一體的海洋探測平臺，此需求催生了國產C-ARGO 浮標的問世。C-ARGO 浮標采用“海洋立體觀探測平臺+北斗” 新體制，達成了基于北斗的廣域浮標位置跟蹤與數據回傳落地我國，確保我海洋探測信息的自主、安全、可控，進而在某種程度上打破了國外在此領域一統天下的局面。

目前，北斗三號大系統導航性能已全面滿足海洋環境無人觀探測領域相關需求。終端模塊可使用北斗三號全頻點信號實現全球范圍內的高精度定位、授時、測速功能，單點定位精度可達7 m，SBAS 定位精度達到2.5 m，后者的定位精度不但遠高于前者，而且較北斗二號同類型號定位精度也有顯著提升。此外，北斗三號新體制信號在接收靈敏度、抗多徑等能力上也得到明顯增強，使其更加適用于無人平臺廣域海洋應用場景（見表1），是一種不依賴GPS、GLONASS等國外衛星導航系統，實現全球海洋部署任務、衛星導航保障完全自主可控的國產系統。

表1 北斗三號應用體系能力評估對比Table 1 Capability evaluation and comparison of Beidou-3 application system

“海洋環境觀探測裝備平臺+北斗”應用模組以嵌入式/模塊化形態，支持RNSS 和RDSS 一體功能，為海洋環境觀探測裝備平臺提供覆蓋全球的實時、連續、安全和精確的定位、測速、授時信息和位置報告、短報文通信服務。

海洋環境觀探測無人平臺可靠導航、定位、定時工程應用時，北斗三號是現階段我國精度性能最高的自主手段。根據海洋無人平臺應用特性，北斗應用模組為潛/浮標、自動氣象/海洋站等無人平臺背景唯一示位標定單元；基于星基弱信號體制而易干擾、無法入水等局限，以AUV 為代表的水下移動平臺背景通常與慣性、水聲及海洋物理場匹配等手段組合構架導航任務系統，是提供精確時空基準信息的核心模塊。

北斗短報文通信與其它衛星通信體制有著顯著區別，系統按用戶級別規定相應服務頻度（最高1 次/s）、報文長度（區域短報文最長1 000 漢字，全球短報文最長40 漢字）和優先級（高優先級用戶在同等級服務申請時將優先考慮），理論上服務性能存在動態變化，且因系統容量限制，多數海洋無人探測平臺用戶難以申請到最高級別服務。在普通低級別服務條件下，我們通過對北斗二號應用探索實踐的分析，發現通過終端側技術手段，應用北斗三號通信擴容增強可滿足各類海洋環境觀探測無人平臺數據回傳、位置報告、控制/遙控等信道保障要求[10]。此外，考慮到信道的可用性與容量，北斗短報文還可作為其他主用通信手段以外的備份和應急手段。

3 基于無人平臺嵌入式/模塊化的北斗三號模組

3.1 工程集成形態分析

基于深遠海場景越來越復雜、傳輸距離遠、數據量大、時間長、點位多，傳統技術已難以滿足觀探測能力要求和適配導航通信保障需求。北斗導航/通信任務系統一體化和集約化已成為海洋環境無人觀探測領域嵌入式、模塊化工程應用的主流趨勢。

長期自主工作是海洋環境觀探測無人平臺的突出特性與優勢，而與之相對應，各類海洋探測平臺普遍采用電池供電方案，需要考慮系統整體重量和能源系統限制問題，平臺各任務系統需在能源受限工況下均衡共用無人平臺攜帶的電力。鑒于無人平臺能源保障和體積布局制約，嵌入式北斗模組尤其需要注重尺寸和功耗控制，通過元器件高度集成和與不同模式的優化，確保在滿足性能要求的條件下，盡量縮減模塊體積、重量和功耗，達到滿足執行全任務周期的目的。

此外，隨著我國海洋環境觀探測無人平臺持續高速發展，平臺從種類到數量持續增多，對北斗三號導航/通信模組工程應用模態要求越來越高。從AUV、滑翔機等機動平臺導通多體制綜合集成應用，到氣象/海洋站、漂流浮標、潛/浮標等平臺單一北斗導通體制應用，都進一步要求北斗三號導通一體化模組向標準化、模塊化、通用化發展，以增強載荷的適裝性和可維修性。

3.2 模組基本組成及工作原理

目前，在研海洋觀探測平臺均開展了北二向北三模組的換代工作，基于 “海洋環境觀探測無人平臺+BDS3”全方位迭代要求，為解決自身系列化產品問題，采用了基于無人平臺嵌入式/模塊化的北斗三號模組（見圖5 和圖6）。該模組采用芯片式結構設計，集成為小型OEM 板卡形態，支持北斗三號RDSS（區域+全球）/RNSS 一體工作，具備集成度高、可靠性好、尺寸小、響應快、功耗低等特點，且充分考慮與平臺共形安裝、“六性” 設計等特性解決方案，豐富了“三化” 特性內涵，成功實現了HM2000 型/HM4000 型剖面浮標、水下滑翔機、波浪滑翔器、大深度潛標系統等系列海洋環境無人觀探測產品北斗二號模組向北斗三號的升級替代與集成優化，具有較強的典型示范作用。

圖5 北斗三號一體化天線模塊Fig. 5 Beidou-3 integrated antenna module

圖6 北斗三號主板模塊Fig. 6 Beidou-3 motherboard module

北斗三號模組由天線、主板模塊及配套線纜和軟件組成，采用平臺電池直接供電。天線為定位、定時、短報文功能提供射頻信號收發功能并進行相應抗干擾處理；主板用于處理天線接收的北斗三號RDSS（區域+全球）/RNSS 信息，完成區域和全球短報文通信信息的收發處理，從而實現基于北斗三號的海洋環境觀探測無人平臺精確導航/定位與控制、短報文交互和位置報告等功能。

4 系統方案概述

4.1 硬件方案

主板模塊包含北斗、主控及接口等基本單元。北斗單元集成功放/低噪放子單元、4 通道射頻子單元、基帶子單元等，主要接收處理北斗三號RDSS（區域+全球）/RNSS 信號，兼容GPSL1 頻點，完成定位、定時解算以及短報文通信功能。主控及接口單元主要實現整機各單元管理、接口擴展、顯示輸出及外部信號接入處理等功能。

4.2 軟件方案

軟件主要包含BDS3 信號與信息處理軟件，以完成北斗衛星信號處理、電文解析、定位解算以及定時功能，并輸出平臺BDS3 定位、測速、時間信息，以及實現北斗三號區域和全球短報文通信功能。根據相關平臺任務背景，選配抗干擾處理軟件、顯控軟件等。

4.3 接口方案

主要通過有線手段為海洋環境觀探測無人平臺導航控制、數據通信等相關任務系統提供平臺位置、速度和時間等信息和通信功能；為兼顧新平臺應用和現役平臺加改裝需求，主要對外信息輸出接口為CAN 網和串口等，并可據需要提供以太網口擴展。

4.4 達到的指標

綜合評估北斗三號系統提供的新體制信號服務性能，同時考慮海洋無人平臺存在較大可能回收失敗或失控概率，為規避敏感授權模塊風險，系統主要考慮應用民用服務，即通常采用民用頻點導航和通信信號，進而得出“海洋環境觀探測無人平臺+北斗三號”應用模組導航（定位）和通信主要指標。

1）基本導航信號的導航定位基本指標。

全球定位精度（PDOP≤4，95%置信度）：水平方向優于7 m；

區域定位精度（PDOP≤4，95%置信度）：水平方向優于6 m；

授時精度：≤20 ns（95%置信度，1 PPS）。

2）短報文通信服務基本指標。

接收及處理北斗三號系統短報文通信服務信號，提供北斗三號區域、全球短報文收發服務；綜合北斗三號短報文服務性能上限，并考慮與現有北斗二號短報文終端盡量兼容，基本指標如下。

接收信號頻點：S2A、B2b、S1Q；

發射信號頻點：Lf3、Lf4；

區域：支持單次發送最長報文1 000 個漢字；

全球：支持單次發送最長報文40 個漢字。

5 結束語

本文以海洋無人自主平臺為應用背景，基于自主可控的性能特點，對海洋環境觀探測無人平臺星基導航通信體制進行了深度辨析。提出了海洋平臺端嵌入式北斗三號RNSS/RDSS 一體模組基本方案設計和“三化” 發展方向，進而梳理分析出海洋環境立體觀探測領域基于北斗三號的導航示位、數據回傳、多模監控、控制/遙控及立體組網等典型應用策略及信息流程。通過挖掘“海洋環境觀探測裝備領域+BDS3” 技術手段融合實現，提出了新時代“海洋環境觀探測無人平臺+ BDS3” 多元深度耦合模式，為平臺創新發展和領域深遠海拓進提供了新思路，因而對于加快我國海洋強國建設具有一定現實意義。

可以預見，未來一段時間內，我國必將迎來海洋環境觀探測平臺發展的高峰期，也是平臺裝備技術與北斗三號應用技術互動協同發展的“窗口期”。同時，在挖掘北斗三號優勢潛能應用的同時，我們更應正視北斗三號作為星基導通體制固有屬性，通過區分平臺的不同應有場景，達到繼承傳統技術和優化新興導通體制的目的。另一方面，我們應立足國家頂層，研究制定 “海洋環境觀探測無人平臺+BDS3” 相關標準，強力指導、引領規范、體系推進北斗三號在海洋環境觀探測領域的深度應用。改革過去那種功能單一、簡單定制或復制轉化等淺層應用模式，達到破解海洋探測領域北斗 “三化”應用途徑。同時，應基于北斗三號區域/全球短報文通信模式，規范海洋環境觀探測領域數據交互壓縮、解調標準，開發海洋環境觀探測無人平臺北斗數據鏈應用。最終，通過打通北斗底層用戶的互通能力，達到統籌我國海洋環境觀探測資源共享的目的。