论文专区▏无人水面测量艇研制技术(二)：测量设备加装及无线数据传输技术
【编者按】通过在无人水面测量艇加载测深、侧扫等测量设备，结合无线数据传输技术即可实现在岸边或母船上对无人测量艇的操控，达到水深测量全过程的自动化、智能化。论文综合考虑测量艇各舱室的配重情况，提出了具体的测量设备加装设计方案，针对测量设备众多、接口复杂、集成难度大的难题，采用了基于串口转换软件的远程控制技术结合无线数据传输的方案，实现了通过岸台基站即可直接对船台测量设备进行实时监控及参数设置调整。本文发表在《海洋测绘》2016年第3期上，现编发给朋友们阅读了解。黄贤源，男，福建泉州人，工程师，博士，主要从事多波束水深测量数据处理研究。
文/黄贤源 陆秀平 邓凯亮 吴太旗 暴景阳
无人水面艇（USV）是一种无人操作的水面舰艇，主要用于执行危险以及不适于有人船只执行的任务，通过植入不同的任务模块，无人水面艇可以执行不同的任务，拓宽了无人水面艇的应用范围[1]。例如将IP摄像头加装在USV上即可对港口进行监控，保障港口和航道的安全，这种模式能移动的执行监控任务，及时地传输拍摄到的画面及视频到控制台，克服了固定摄像机视频监控系统的缺点；配备水质采样设备的USV能实时进行远程采样监测，而且不受地理环境、气候、天气等因素的制约，在一些受到吃水深度影响的浅水区域，这种作业模式往往更为便捷有效，将水质采样设备更换为水文勘察仪器即可实现水域的水文观测。
无人水面测量艇主要针对港口、岛礁周边浅水区域水深测量的特点进行研制，其主要任务是在常规水深测量手段受限的条件下，可以快速机动高效地实施水深测量，因此无人水面测量艇加载的测量设备包括双频测深仪、侧扫深纳、高精度的GNSS定位设备、声速剖面仪、电子罗盘、北斗通信终端、船台采集工控主机等测量设备。文章综合考虑测量艇各舱室的配重情况，提出了具体的测量设备加装设计方案，为了实现通过岸台基站即可对无人水面测量艇及船台测量设备进行操控，采用了基于串口转换软件的远程控制技术结合无线数据传输的方案。
设计的无人水面测量艇主体长3.6m，宽0.9m，高0.5m，整体吃水恒定在40cm左右，主体船设计三个舱室，整体的布局从左至右分别为发动机舱、油电舱和设备舱。考虑到测量艇各舱室的配重及两侧加装辅体的情况，为了有效平衡测量艇各部件的重量，提出了详细的设备加装方案，其中船台采集子系统（工控主机）、双频测深仪、指挥与控制子系统、雷达监测仪、电子罗盘等主要测量硬件设备固定安装于设备舱的基板上，测量艇设备舱进行密闭处理防止由于渗水损坏测量设备；声剖布放绞盘固定安装于测量艇船艏，同时在船艏位置开具直径约20cm的声剖布放月井；侧扫设备采用悬挂式安装于测量艇右舷不锈钢连接杆上，悬挂式安装模式便于侧扫设备拆装。
为了获得无人水面测量艇实时的定位信息，选用GNSS卫星导航系统获取包括经纬度位置以及速度在内的卫星导航信息，对于超越无线传输作用距离的情况采用北斗报文传输航路点进行自主导航控制。GNSS定位设备、北斗通信终端对安装位置要求较高，安装位置周围开阔无遮挡，因此采取测量设备支架顶层固定安装的方式。设备安装支架在测量过程中处于直立状态，在运输过程中为了保护测量设备不受损坏及方便，支架可向下翻转，安装示意图如图1所示。测深仪换能器采用内嵌的方式，固定安装于测量艇的底部，内嵌的方式有效的保护了换能器在水深测量作业过程中的安全性，具体安装示意图见图1。
图1无人水面测量艇设备安装侧面示意图
无人水面测量艇在水深测量过程中，为了增强远距离、近距离预警智能避障功能，确定近距离（≤25m）采用激光扫描设备、远距离（≤18km）采用小型船用雷达相结合的避障系统，同时为了保障航行安全，测量艇还配置了基于IP摄像头的视频监控系统，用于图像、视频数据实时传输至岸台主控设备。激光扫描设备、雷达扫描头、视频监控设备的安装位置示意图，见图1。
⒈ 数据传输技术
数据传输技术是指数据源与数据宿之间通过一个或多个数据信道或链路、共同遵循一个通信协议而进行的传输方法和手段[2-4]。无人水面测量艇数据传输包括测量艇内部测量设备与设备的数据传输、船台测量设备与岸台监控设备之间的数据传输。传输的数据主要包括测控指令、测量数据以及图像、视频、雷达扫描等监控数据。测控指令的传输实现了通过岸台主控设备即可对无人水面测量艇进行操控；测深与侧扫等测量数据用于监控海底地形信息，提供浅点预警功能；图像、视频及雷达扫描数据用于保障测量艇航行安全。
⑴设备信息通信协议
无人水面测量艇加装的测量设备众多，接口复杂，设备与设备之间的信息通信协议主要包括NMEA0183协议、以太网通信、串口通信三种形式。
①NMEA0183网络协议
NMEA0183网络协议是无人水面测量艇实时信息采集的主要部分，测量艇所使用的GNSS、双频测深仪、罗经、各类传感器（温度等）等电子设备都适用于NMEA0183协议。双频测深仪、罗经等测量设备采集的数据按照NMEA0183的形式发送给船台数据采集终端。
②以太网通信系统
以太网TCP协议，主要用于船台指挥与控制子系统与岸台采集子系统之间的通信，即通信子系统模块。岸台采集子系统使用以太网发送控制命令以及接收无人水面测量艇的实时状态信息，实现对无人水面艇的远程访问与控制[5-6]。船台指挥与控制子系统与船台采集子系统等其他监控设备之间的通信采用的也是以太网TCP协议。
③串口通信
串口通信简单快捷，一方面为无人水面测量艇指挥与控制子系统提供实时的定位、姿态数据，另一方面将控制命令传达给主机推进系统等执行设备，同时将从该执行设备检测到的无人水面测量艇实时运动状态反馈给指挥与控制子系统。岸台采集子系统数据之间的传输也采用串口通信。
⑵无线以太网通信系统
船台与岸台设备数据传输即通信子系统模块的实现是基于无线以太网通信系统。利用无线以太网通信系统进行数据传输分为公网数据传输和专网数据传输，其中公网数据传输借助GPRS、3G、4G网络实现[7-9]，专网数据传输借助无线数传电台（窄带）、2.4G或5.8G无线数传设备（宽带）实现[10-11]。受到作业环境的限制，无人水面测量艇无线数据传输技术采用的是专网形式。
测量设备采集数据传输选用AKDS700无线数传电台（配套700MHz无线数传天线），该电台是一种先进的，适合在移动中稳定传输的无线数字通信系统，能实现非视距通信，特别适合使用在高层建筑物、港口、船舶密集和地理上突出的地方以及将信号撒播的地区，具备抗多路径干扰的能力，在测量海域无遮挡的情况下，AKDS700无线数传电台传输距离指标不少于8km。
视频图像信息及雷达扫描数据与测量设备采集的数据传输相互独立，视频数据选用UBNTRocket M2无线网桥进行传输（配套2.4G双极化全向天线），该产品能提供新一代强有力的点对点模式，带宽可达150Mbps以上，通过外接高增益MIMO天线，可增加无线数据传输的有效距离，在测量海域无遮挡的情况下，传输距离不少于5km。
雷达扫描采集的数据量大，数据类型复杂，因此选用UBNT Rocket M5无线网桥进行无线数据传输（配套5.8G双极化全向天线），由于Rocket M5无线网桥产品稳定，通过网线POE方式供电，点对点带宽可达150Mbps以上。通过集成MIMO无线技术，保证了雷达扫描采集数据传输接收性能的稳定性。在测量海域无遮挡的情况下，传输距离不少于5km。
配套的无线数传天线对安装位置要求周围开阔无遮挡，因此采用设备支架侧面固定安装的方式，具体的安装示意图见图2。
图2无线数传天线安装示意图
⒉ 远程控制技术
船台测量设备在水深测量作业过程中，需要对设备的测量参数进行设置调整，如双频测深仪需要根据水深的具体情况设置量程信息，使海底跟踪信息准确，采集的水深数据合理有效；侧扫设备需要根据数据采集情况，调整增益信息；船台导航采集软件需要设置串口通信，保证数据传输的可靠性。
⑴远程桌面控制技术
为了达到远程控制船台测量设备的目的，常规的技术手段即采用远程桌面控制的方式。岸台设备采集终端基于无线以太网（TCP/IP协议）通过远程桌面控制技术控制船台设备采集终端，通过对导航采集软件的串口通信进行设置，测深与侧扫软件的量程、增益进行调整，实现对船台测量设备的控制。
在远程桌面控制过程中，船台设备采集终端始终保持在锁定状态，在没有密码的情况下，任何操作人员都无法进入系统进行操作，尽管远程桌面控制的模式最终实现了船台测量设备的远程控制，并且也增加了无人水面测量艇水深测量作业的安全性。但是在实际水深测量作业过程中，依然存在不足和缺点：
①船台测量设备数据更新频繁，而远程桌面控制技术的数据传输量有限，因此，远程桌面控制模式不适合对船台测量设备进行实时监控；
②无线数据传输在远程桌面控制过程中由于调用船台测量软件而产生数据延迟，导致高精度GNSS定位、测深、侧扫数据不同步。
⑵基于串口转换软件的远程控制
为了更为有效地实现对船台测量设备进行远程实时监控，同时避免无线数据传输产生延迟，开发串口转换软件实现了通过岸台采集终端直接对船台测量设备进行控制的技术，串口转换软件即利用程序编程实现串口转发，以双频测深仪为例，远程控制过程示意图如图3所示。
图3 岸台无线远程控制技术示意图
岸台采集终端的Hydro-Box软件根据实际的水深变化情况，调整修改量程信息，经由岸台虚拟串口将指令信息发送至船台的串口集线器，最后通过串口转换软件将调整量程的指令信息发送至双频测深仪，实现海底跟踪。
基于串口转换软件的远程控制模式，对船台测量设备的控制不再调用船台测量软件，因此不必实时更新设备采集的测量数据，不会发生数据延迟的现象，通过岸台的采集终端即可实时监控船台测量设备。
为测试无人水面测量艇无线数据传输及远程控制功能，选择在珠海第一海水浴场附近海域及天津富力津门湖进行水上试验，珠海第一海水浴场主要进行无线数据传输距离测试，富力津门湖主要进行测深及侧扫等测量设备数据采集传输试验，试验区交通便利，试验码头方便无人测量艇吊放回收，同时试验区的水域宽阔，试验天气晴朗，气象条件良好。试验区位置和测线布设示意图见图4。
图4天津富力津门湖测线布设示意图
⒈ 试验过程
现场进行联机调试之后，即可对无人水面测量艇进行无线数据传输性能指标及测深、侧扫功能测试。性能指标测试主要进行无线数据传输距离测试，指标要求测量设备数据传输距离不少于8KM，视频图像信息及雷达数据传输距离不少于5KM；功能测试主要包括高精度GNSS定位设备、测深、侧扫等测量设备数据采集功能的实现。在无线数据传输过程中，为了验证串口转换软件是否起到消除无线数据延迟的作用，采用了两种方案对船台测量设备进行远程控制：
方案一：采用远程桌面控制的模式对船台测量设备进行实时监控；
方案二：基于串口转换软件的远程控制模式对船台测量设备进行实时监控。
为了全面测试无人水面测量艇的各项功能，测线布设采取灵活布设的方式，至于测线与测线的间距不做特殊要求，保证测量艇正常航行即可。
⒉ 试验结论
海上试验测试验证了无人水面测量艇船台测量设备加装方案的合理性，对各类无线数据传输设备进行了距离测试，得到如下结论：
①综合考虑了各舱室配重情况，对船台测量设备进行合理布局，试验表明测深及侧扫等测量设备均能正常工作；
②测深换能器采用船底嵌入式固定安装，有效避免了换能器在测量作业过程中由于剐蹭、碰撞出现损坏的情况发生；
③侧扫设备采用悬挂式安装于测量艇右船舷不锈钢连接杆上，便于侧扫设备拆装；
④AKDS700无线数传电台传输距离约9公里，2.4G无线数传设备和5.8G无线数传设备传输距离约6公里，均达到指标要求；
⑤基于串口转换软件的远程控制模式对船台测量设备的控制不再调用船台测量软件，因此不必实时更新设备采集的测量数据，不会发生数据延迟的现象。
图5显示的是采用远程桌面控制模式得到的水深测量成果渲染图；图6显示的是基于串口转换软件的远程控制模式得到的水深测量成果渲染图，从图中可以看出测线与测线间的数据延迟（不规则垄沟）被有效的消除了。
通过在无人水面艇加载测深、侧扫等测量设备，结合无线数据传输技术即可实现沿岸、岛礁周边浅水区域水深测量全过程的自动化、智能化。试验验证了船台测量设备加装方案的可行性，为了实现在岸台或母船基站直接对船台测量设备进行实时监控的功能，提出了基于串口转换软件的远程控制技术，有效地消除了远程桌面控制技术由于无线数据传输产生的数据延迟的影响。船台测量设备安装及数据传输技术是实现无人水面测量艇水深测量自动化、智能化的基本条件，在实际水深测量作业过程中，无人水面测量艇吊放回收技术至关重要，作为后续的工作将进行深入的研究。
参考文献：
[1]李家良.水面无人艇发展与应用.[J].火力与指挥控制,2012,31(6):65-67.
[2]杜婷茹.无人艇信息网络及控制系统设计[D].大连:大连海事大学,2014.70-72.
[3]刘保良,邓玉芬,王川.电力线通信技术在海洋测量船上的应用探讨[J].海洋测绘,2011,31(1): 65-67.
[4]邓玉芬,张博,沈明,宋海英,孙磊.基于北斗卫星的海洋测量数据传输系统[J].海洋测绘,2009,29(4):67-69.
[5]唐云,单洪.卫星通信中TCP协议分析改进方法研究[J].通信世界报,2003,12(1):27-31.
[6]李昌贵,许文学,吕志平,等.卫星通信大地测量数据传输的安全控制[J].海洋测绘,2010,30(1): 70-72.
[7]赵杰,盖志刚,惠力,等.用于海洋水文数据无线传输的GPRS模块设计[J].气象水文海洋仪器,2011,12(4):49-52.
[8]周思远.短距离无线数据传输及接口技术[D].南京:南京信息工程大学,2008.70-72.
[9]顾娟娟,李建清,邹留华.基于nRF905 的无线数据通信系统的设计[J].电子器件,2008,31(2): 529-532.
[10]高吉祥,张兴华.基于PTR8000的无线数据采集系统[J].长春工程学院学报:自然科学版,2007,8(2):73-76.
[11]冀晓骥,杨钊.无线数据传输技术的思考与探讨[J].计算机光盘软件与应用,2012,4(8):95-96.
■论文专区的文章均为在《海洋测绘》上刊发的论文，若其他公众平台转载，请备注论文作者，并说明文章来源，版权归《海洋测绘》所有。
相关阅读推荐：