SHSComPoS数据传输定位系统在海洋数据传输上的应用.docx

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1、一、天通一号卫星移动通信系统基本情况天通一号卫星移动通信系统是我国首个自主研制和应用的卫星移动通信系统,填补了国内自主移动通信系统的空白，可提供稳定可靠的卫星移动通信服务,为应急通信、军事安全、国土安全、海洋安全提供了通信保障。建成后的天通一号卫星移动通信系统，在陆地上覆盖我国全境，在海上覆盖中国及周边、中东、非洲等相关地区，以及太平洋、印度洋大部分，如下图所示，可为各类手持和小型移动终端提供全天候、全天时、稳定可靠的移动通信服务，支持语音、短报文和数据业务。二、基于天通一号移动通信卫星和北斗卫星的数据传输定位系统科技有限公司是集海洋高端传感器、水下机器人装备研发制造、海洋数据通信和海洋大数据

2、应用为一体的高新技术企业，是“海燕”水下滑翔机的产业化单位。“海燕”水下滑翔机装备性能达到世界先进、国内领先水平，产品广泛应用于海洋环境观测监测。在海洋环境实时保障过程中，水下滑翔机观测到的温度、盐度、深度、噪声深等海洋环境数据需及时从海上回传到岸基指控中心。由于北斗卫星短报文通信不能大量传输数据，只能依赖美国钺星通信卫星系统，观测采集的数据需落地美国钺星地面站后才能回传国内，对军事行动产生致命的安全风险。自2016年天通一号Ol星发射入轨后，科技有限公司紧密跟踪我国卫星移动通信技术发展状况，联合大学、科技股份有限公司，于2018年初开始对水下滑翔机搭载天通通信设备的技术可行性研究和关键技术攻

3、关；2020年1月天通一号卫星01星投入商用后，公司加大财力、物力、人力投入，先后攻克了双向数据传输、天通通信和北斗定位模块融合、数据断点续传和大深度耐压水密天线等技术难题，成功研制了基于天通一号和北斗卫星的数据传输定位系统（以下简称SHSComPoS系统），经过近6个月的陆上试验和海上试验验证，性能指标已完全达到实际使用要求。2020年12月底，4台水下滑翔机搭载公司自主研制的SHSComPoS系统参加了某海域的活动，将观测到的每一个剖面数据实时高效、可靠、高质量的传输到岸基指控中心，准确率达到100%,圆满的完成了保障任务，再次验证了系统的性能指标，受到活动指挥部的高度好评。（本次活动数据

4、传输性能分析见第四部分）SHSComPoS系统集成了天通一号卫星的数据快速传输功能、短报文通信功能和北斗卫星的定位功能，可广泛应用于各类水面、水下各种无人观/探测设备与平台、水而水下通信中继、远洋渔船、石油钻井平台等需要小型移动终端的用户。三、天通卫星通信跟北斗卫星短报文的比较1 综合性能比较北S卫星具备短报文功能，数据传输能力为每1分钟发送1条，每条78字节。天通一号卫星通信系统数据传输速率最高达960字节/秒，是美国钺星通信系统数据传输速率的4倍；天通短报文通信服务，每1分钟发送6条，每条140字节，在通信技术体制和数据传输能力上天通一号卫星明显优于北斗。科技有限公司自主研制的SHSCom

5、PoS系统，无论数据传输能力还是短报文通信能力远远强于北斗短报文通信系统，同时还融合了北斗卫星的定位功能，可为配装平台提供定位。SHSComIbS2 .适装性比较物理尺寸当前SHSComPoS终端版本尺寸与北斗短报文通信终端尺寸基本一致，形状和尺寸均可根据项目具体要求进行定制。天线接口均采用标准化的射频同轴连接器；北斗短报文通信射频接口至少2个；SHSComPoS终端1个，结构上更加简化。供电要求SHSComPoS终端和北斗短报文通信定位终端基本一致，没有特殊的供电要求。功耗SHSComPoS终端比市面上北斗短报文通信定位终端的功耗都要低，天通额定发射功率2W,北斗通信额定功率5W,同等数据量

6、下的天通数据传输耗能更少，优势明显。3 .经济性比较两者均采用成熟的商用化器件，在通信方面天通卫星在技术体质明显优于北斗，总体上两者价格基本一致。四、SHSCOmPOS数据传输效率分析时间:2021年1月;区域：某海域；海况：36级；深度：1000米SHSCOmPoS配置：水下滑翔机搭载SHSCOmPoS终端，采用1:1数量配置,SHSComPoS配套天线采用自主研发的耐压2000米天线；指控中心配置1套天通指挥机和天线。实时回传的单个剖面数据密度：1层/米，共100O层；水文观测型实时剖面数据内容：时间（天时分秒）、位置（经度、纬度）、CTD数据（温、盐、深）、设备状态参数、数据校验与数据包

7、识别参数等。声学观测型实时剖面数据内容：时间（天时分秒）、位置（经度、纬度）、声学特征数据、CTD数据（温、盐、深）、设备状态参数、数据校验与数据包识别参数等。水文观测型实时回传的单个剖面数据量：8010字节；声学观测型实时回传的单个剖面数据量：12180字节；水文观测型和声学观测型共4台水下滑翔机在活动中的实时剖面数据均全部回传到指控中心，达到了预期效果，SHSCOmPOS工况稳定。水文观测型水下滑翔机实时剖面数据传输时间最长5分50秒，最短2分46秒，平均耗时3分39秒。如果采用北斗短报文通信，在不考虑海况和工况的条件下，理论上需要1.7小时。声学观测型实时剖面数据传输时间最长6分25秒，

8、最短1分57秒，平均耗时4分46秒。如果采用北斗短报文通信，在不考虑海况和工况的条件下，理论上传输时间超过2.5小时。159号实时剖面数据传输耗时分析以下采用编号为159号的水下滑翔机在实时数据传输中的实际样本数据进行图表分析。本次任务期间，共采样67个剖面，具体见下图。下图横坐标表示剖面序号，数字1表示第1个任务剖面，数字67表示第67个剖面，即最后一个剖面；纵坐标为单个剖面的数据下载时间，格式mm:ss。07:1205:46W04:19T025301.26oaoo135791113151719212325272931333537394143454749515355575961636567剖

9、面序号五、结论SHSCOmPOS数据传输定位系统适用于岛礁、海上平台、无人气象站、无人海洋站、无人船、波浪能滑翔器、浮标、漂流浮标等水面平台的控制和数据传输,也能满足AUV、水下滑翔机、Argo、实时通信潜标等水下平台的控制和数据传输需求，解决了我国海上平台通信和数据传输的难题。附参考：海洋数据传输网络体系结构及挑战海洋数据传输网络与陆地网络相比具有以下明显特征：网络边界和路径以及通信资源的高度动态性和不确定性、通信介质的异构性和节点性能的非对称性、海洋通信网络资源构成的复杂性和能力局限性以及海洋空间网络用户构成的复杂性和大流动性及低密度分布等。针对上述特点，从业务特征、网络构成、网络特点、体

10、系架构方面探讨海洋数据传输网络体系，重点指出体系架构面临的5个方面挑战，包括自适应性、智能组网、透明传输、漫游支持、安全传输。1引言目前，在海洋环境中常用的数据传输手段是卫星传输，但存在一些缺点影响其普及率：其性价比较低，更无法用于水下通信；近地轨道卫星的传播时延长，需要特制的收/发终端和传输协议；中低轨道卫星绕地球高速运转，增加了高质量通信组网的难度。另一个广泛使用的海洋通信系统是海事无线电，由于受带宽的限制，它主要用于语音通信，无法支持高速数据传输。现代移动通信技术也被少量应用到港区和航道提供互联网服务，但相对于海洋，其覆盖范围太小，无法大规模部署在海域。目前无论海上战备通信、应急救援或常

11、规数据传输，还是军用、商用或民用，都需要稳健性强、性价比高和泛在的海洋数据传输服务。但目前还没有一种通信网络系统能单独构建一个性价比高、覆盖范围广和使用方便的海洋数据传输系统，海洋数据高效传输是亟待解决的重要课题。海洋涵盖空天、海岸、水面和水下的广阔空间（本文称“海洋空间”），特殊的地理和气候条件使海洋空间陆基网络设施的建立和维护变得非常困难和昂贵。虽然目前海洋空间中已经部署了多种通信网络系统,但是它们的归属不同、掌管部门和运作单位众多、部署形式多样以及通信制式和标准不统一。目前缺乏有效的方法和规范统筹使用，它们之间无法有效方便地协作和互联互通。海洋的特殊环境及海洋数据传输技术的现状决定了要改

12、变上述局面是个艰难的任务，而且水下通信的瓶颈在短时间内很难获得突破，导致大面积水下高速组网仍需依赖水面及以上的通信系统。为了系统性地解决海洋数据传输的相关问题，提高海洋通信宝贵资源的利用率，需要统筹协调海洋空间中各种通信网络系统，实现空天地海潜一体化、应急与常规系统、战时与平时系统相互支撑的共同体，以此构建稳健性强和高效的海洋数据传输系统。这种由多个系统有机组成、功能更完备、协作互助的复合通信网络系统通常称为网络体系。而目前国内外对海洋数据传输网络体系的研究非常缺乏。2海洋数据传输网络的概况和体系架构2.1 业务特征随着涉海活动逐渐增加，业务多样化，数据业务逐步代替传统语音业务，这些都对通信网

13、络安全提出更高的要求。另外，海洋数据分布稀疏、多源异构，具有高维度、时空性、敏感性和多模态等特征，导致数据信息交互独立、共享度低。近年新型海洋应用（如E-navigation）的出现，以及对未来应用（如无人船舶等）的研究，都对海洋通信业务提出了新的要求，以支持相关新型数据的有效传输，例如及时、可靠、安全和大量的数据高速传输以支持船岸一体化信息集成与融合,提升航保服务的性能、节约航行能耗、减少航运排放以及高密度无人船舶航行的安全性和稳定性等。2.2 网络构成海洋数据传输网络由覆盖天、空、岸、海及水下的综合性通信网络节点组成,是关键的海洋信息化基础设施。海洋数据传输网络系统组成如图1所示，共分成四

14、大部分，即岸基、水面、空中和水下。当前正在运营的岸基和空中通信网络主要包括海事无线电、卫星和局部部署的移动通信系统。有线海底观测网是目前相对成熟的水下通信系统，例如美国的MARS和我国在南海、东海和黄海所部署的观测网络。除此之外，也有一些基于中低轨道卫星的庞大星座项目计划，例如,美国SpaceX公司的StarIink项目计划采用12000颗低轨道卫星提供宽带服务；中国航天科技集团有限公司的“鸿雁”星座计划用300余颗低轨道小卫星构建通信网络，首星已在2018年年底成功发射。人们也在探讨其他通信网络技术，如高空通信平台和无线自组织网络。高空通信平台能提供大范围、高速率且相对廉价的通信服务，主要问

15、题是如何将它们长期部署在特定空域以提供不间断的通信服务。无线自组织网络不依赖于特定通信网络设施，有很强的自组织和自愈能力，适应动态不稳定的海洋网络环境；例如，船舶自组织网络和网状网络以及由飞行器构成的航空无线自组织网络等。但是，这种网络容量和通信质量均不稳定,动态网络拓扑使网络连通性得不到保障，无法提供不间断的网络服务。水下通信网络环境更加复杂多变，因为适合水下通信的主要介质是声波，其传输速率和传播速度都非常低、通信质量不稳定。陆基数据传输网络系统主要基于固定的光纤骨干网络，无线主要用在“最后一公里”的接入部分。而海洋数据传输网络是跨时空，甚至跨介质（如声电融合传输）的动态异构复杂系统，且以无

16、线为主，这导致了海洋数据传输网络在拓扑动态性、系统异构性和不稳定性以及通信资源构成的复杂性等方面都比其他网络更突出。这些特点对数据传输的性能影响非常大，导致了现行数据传输网络体系无法适应于海洋空间，因为前者基于相对稳定和单纯的通信网络资源、拓扑结构和系统构成。它们之间主要不同之处具体表现在以下4个方面。（1）网络边界和路径以及通信资源的动态性和不确定性一条海洋数据传输网络的路径可能一端在水下，另一端在陆上。在卫星被摧毁或者费用太高时，该网络路径可能不使用卫星，而是经过水声自组织网络、船舶自组织网络、航空自组织网络和岸基网络等。在这些网络中，除岸基网络外，其余都会由于节点的移动性而实时动态变化,极不稳定，甚至会引起网络边界和网络形态发生频繁变化。例如，岸基网络与船舶自组织网络之间的边界以及不同自组织网络之间的边界会随着节点（如船舶）移动发生变化。同样，