系泊和准静态监测类型-海洋智能无人系统技术

世界各地部署了大量的系泊或漂移节点。全球海洋网络统计数据列出了2002—2016年间活跃的125 518个系泊系统。系泊和准静态系统可以看作是无人操作的节点，能够携带几个不同的传感器，使它们具有物理基础设施、处理和通信能力。它们的特征是由传感器和寿命预期决定的，寿命通常超过至少一年。这需要明智和有效的能源管理，如任务规划和通信调度。通信技术可能依赖于卫星链接，但也可能需要额外的交互来收集由不同节点生成的大量数据。

系泊系统的寿命和耐久性是系泊系统和准静态系统的两个关键方面。这种系统用于长期部署，其中连续观察非常重要。传感器收集数据的方式对于每个设备家族来说都是独一无二的。有限的电源和通信资源会减少检索到的数据量，在采样时间和频率方面，部署持久性可能更受欢迎。许多设备都配备了能量收集模块，可以使用太阳能、波浪或风能来支持它们的电力系统。然而，在某些地方，这些技术可能会失败，例如在波涛汹涌的海域或北极之夜。此外，能量转换器增加了设备的尺寸、成本和复杂性。

浮动节点通常支持水下传感器收集测量数据，如盐度、温度、密度和光照水平。此外，利用漂移节点位置信息对海流进行建模。每一个设备都有一个特定的生命周期。同样，采样频率和持续时间是由熟悉他们所观察过程的科学家选择的。可以提供一些在尺度、范围和方法上不同的系泊和准静力学操作的例子。Argos阵列是全球气候观测系统／全球海洋观测系统（global cimale observation system／global ocean observing system，GCOS／GOOS）的一部分。阿尔戈观测系统包括大约测量2 000 m以上无冰海洋温度和盐度的3 800个自由漂移节点。跟踪节点的运动，提供关于当前的信息。数据是通过卫星通信收集的。目前正在使用两个卫星系统，Argos系统和铱系统。在SystemeArgos的情况下，节点需要花费6～12 h在地表传输数据并测量其位置。最大定位精度约为100 m，取决于卫星的数量和几何形状。当使用铱系统时，从GPS获取位置。2015年，65%的漂浮物部署在铱上，35%部署在Argos上。

另一个例子是声波接收器阵列，用于跟踪感兴趣区域的标记鱼。在这种情况下，节点通常由被动声学接收器组成，记录声学标签传输。由于接收机无法进一步传输信息，需要手工采集数据。由于节点数量众多，检索操作将消耗大量的时间和资源。此外，数据收集活动可能需要每年重复多达4次，并需要专业团队，例如戴水肺的潜水员。整个过程中收集的数据量取决于鱼活动和鱼标签传输设置。例如，每个接收器可以收集多达1 500个条目，大约是12个MBs。收集的数据总量取决于接收器的数量，但不一定是线性的，因为鱼的活动不是均匀分布的。

在某些情况下，阵列数据可能由无人驾驶载具收集。在波激器的一次运动中，一艘被动动力USV被用来收集分布在205 km以上的184个水下跟踪系统的数据。

在另一个场景中，构建了一个技术演示，其中水下接收器由一个水面单元支持。水面部分装有无线传感器网络（wireless senson network，WSN）节点，可以从水下传感器下载数据。mesh型WSN网络采用868 MHz的工业、科学和医学（ISM）通信链路。以一个小型商用现货多转子作为中继节点，对数据中继机制进行了研究。测试得到了几个kbps的传输速度，这对于该场景来说已经足够了。

另一种系泊作业是由Arctic ABC project3进行的，它涉及从几个不同的和复杂的传感器中广泛收集数据，包括水下高光谱成像仪（underwater hyperspectral imaging，UHI）单元、高清摄像机和声学浮游动物鱼类剖面仪（acoustic zooplankton column profiler，AZFP）单元。

该系统可以部署在没有适当的卫星覆盖或其他典型通信系统的地方，这些地方的实际访问非常有限。为了规避这些限制和高比特率的要求，正在考虑使用无人机进行数据收集，其中系泊节点将收集有关北极环境的信息。

图22.2　系泊作业实例，ArcticABC水下高光谱成像节点P4（插图：B.Stenberg／ArcticABCproject）

在Arctic ABC项目中，一组生物学研究人员和工程师正在建造一组冰层表面节点，以记录环境观测结果。目前正在开发用于光学、物理和生态传感器（ICE POPEs）的6种类型的冰系平台集群：

（1）冰参数监测器（P1）。(www.xing528.com)

（2）水下测光节点（P2）。

（3）声学浮游动物鱼类剖面仪节点（P3）。

（4）水下高光谱成像节点（P4，图22.2）。

（5）气象站（P5）。

（6）档案单元（P6）。

冰原P1、P2和P5每天产生的数据量很少，测量和控制数据将完全通过卫星链路传送。P3和P4携带产生大量数据的仪器。具体地说，P3预计每天生成数十MB的数据，而P4预计每天生成1 GB的数据。P6将为P3和P4提供一个后备存储器，根据部署的冰棒的数量和类型，P6预计每周收集几十GB的数据。

有三种方法可以访问P-3、P-4和P6单元上的数据。主要通信通道是一个铱短突发数据（short burst data，SBD）业务调制解调器。SBD消息到达一个微控制器，并通知它该单元每个组件的电源周期安排：主单板个人计算机（single borad personal computer，SBPC）、高速收音机、铱拨号调制解调器和传感器电源。在一个预定的时间，微控制器发送回一个包含房屋信息的消息，例如，电池电量，设备及其组件的状态。当微控制器启动所有组件时，可以使用铱拨号调制解调器访问每个单元的主SBPC。通过拨号通道可以应用配置更改，并从世界上任何位置检索记录数据的某些部分。主要的数据检索通道是在ISM波段运行的高速无线电。根据地区的不同，可以考虑使用900 MHz或2.4 GHz技术。由于高速无线电的范围有限，只有几千米，用户或数据机必须在节点附近，以便收集储存在单元上的数据。最初的想法是，数据将从部署区域附近容纳研究人员的船只上收集。第二种选择是使用远程无人机飞到部署区域并检索数据。第三种可能性是物理检索P6。

图22.3　自主航运的例子斯特拉渡轮

冰层的行为可能导致P3和P4单元无法恢复。因此，在部署期间，P3、P-4和P6部队应利用高速无线电链路定期同步储存在其内部存储器内的数据。P6的设计将使冰的分离变得不那么复杂，因此它可以由乘坐破冰船或飞行器到达的载人探险队收集。