盛堰 温明明
（广州海洋地质调查局 广州 510760）
第一作者简介：盛堰，男，1973年生，工程师，主要从事海洋地质调查工作、先后参加105-15大洋调查、天然气水合物资源调查，参加了863、126、大洋课题等研究工作。
摘要 在当今海洋地质调查作业中，声学通信技术、ADSL通信技术、卫星通信技术、局域网络通信技术等现代通信技术得到广泛应用，本文对应用到的几种主要现代通信技术原理及其应用实例进行了介绍。
关键词 现代通信技术 海洋地质调查 声学通信技术 卫星通信技术 ADSL 通信技术
1 前言
现代海洋地质调查越来越成为集海（水下设备、传感器等）、陆（调查船、作业平台等）、空（GPS定位、卫星通信等）各种高技术的综合应用平台，特别是随着卫星通信技术、移动通信技术，网络通信技术以及计算机信息技术的飞速发展，各种现代通信技术在海洋地质调查中得到了广泛的应用（图1）。
图1 通信技术应用示意图
Fig.1 Communication Technology App sketch map
2 海洋地质调查中的应用
在当今海洋地质调查作业中广泛应用的现代通信技术包括：声学通信技术、ADSL通信技术、卫星通信技术、局域网络通信技术及无线电通信技术等。
2.1 声学通信技术的应用
海洋是一个神秘莫测的境地。在海水中，电磁波衰减很快，光也很容易被吸收或是形成散射，因此无线电及其光通信技术在海水中很难像在陆地上一样广泛使用。随着现代科学技术的发展和人类进步的需要，声波在水中的传输特性、逐渐形成了一种新型的水声通信技术。水声通信是一种运用高科技的通信技术，整个系统的工作过程比较复杂，要进行一系列的信号转换。数据、文字、语音、图像等信息转换成电信号，再由编码器将信息进行数字化处理，然后经换能器将电信号转换为声信号。声信号通过水介质传递到接收换能器，在这里声信号又转换为电信号，译码器将数字信息编译出数据、声音、文字及图片等。
无缆海洋调查地质设备主要的通信手段大都利用声通信技术。在当前我国海洋地质调查船上使用声通信工作或控制的典型设备就有：多波束（海底地形、地貌测量）设备（如：SEABEAM2112、SIMRAD EM-3000、EM-950等多波束系统），水深测量设备（如：SOUND210等），超短基线、长基线水下定位设备（如：NAUTRIX USBL系统），各种典型的声呐设备、水声通信MODEM、PINGER等，它们都是通过声波发射接收器（水听器）、声阵列等发送和接收调制有数据信号和控制信号的声波信号，从而进行通信及资料采集与控制等工作。
声波在海水中的传播速度是温度、盐度和压力的函数，声速计算一般采用威尔逊（Wilson）经验公式，即：C=1449.14+△CT△CS△CP△CSTP
式中，1449.14为一常量，代表了一个大气压下，海水温度为0℃，盐度为35.00时海水具有的声速值。
△CT代表温度变化产生的声速改正值：
△CT=4.5721T-4.4532＠10-2T2-2.6045＠10-4T3+7.985＠10-6T4
△CS代表盐度变化产生的声速改正值：
△CS=1.3980（S-35）+1.692＠10-3（S-35）2
△CP代表海水压力变化产生的声速改正值：
△CP=1.60272＠10-1P+1.0268＠10-5P2+3.5216＠10-9P3-3.3603＠10-12P4
△CSTP代表盐度、温度和压力同时变化时产生的声速改正值。
上述公式中，C为声速；T为温度；P为海水压力；S为盐度；Z为深度。
声波在海水中传播时会受很多因素的影响，不仅与工作频率有关，还与海水的温度、盐度、各种噪声以及各种障碍物产生的反射、折射等因素有关，由于海洋中波浪、鱼类、船舶等影响会产生的各种噪声干扰，声波在海水中传递同时还形成“多径干扰信号”，加之海水对声波的吸收，会导致接收到的信号模糊不清，传播效率和质量都要受到影响。随着科技的发展，现在水声通信采用了跳频通信、伪随机码调制等新技术来解决噪声干扰及“多径干扰信号”。但是声波在水中的声速还不及光速的20万分之一，在水中声信号的传输率较低，加上声波在水中的散射、传输的损耗以及回波的干扰等，水声通信的距离仅有约10km。
2.2 ADSL通信技术的应用
ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）技术即非对称数字用户环路技术，是XDSL系列铜缆用户internet接入技术中目前应用最广泛的一种，它通过普通电话铜线高速传输数据、语音、视频信号。上行采用FSK（频移键控）技术，下行采用DMT（离散多音频调制）技术或CAP（无载波幅度/相位调制）技术，为用户提供上、下行非对称的传输速率（带宽），它的下行速率在2.048Mb/s～8.19Mb/s之间，上行速率在640Kb/s左右。ADSL系统主要由中央交换局端模块和远端模块等部分组成。随着技术的发展，逐步成为一种较方便的宽带接入技术。ADSL系统是在一对普通铜线两端各加装一台ADSL局端设备和远端设备而构成。ADSL Modem主要由处理D/A变换的模拟前端（analog front end）、进行调制/解调处理的数字信号处理器（DSP）以及减小数字信号发送功率和传输误差，利用“网格编码”和“交织处理”实现差错校正的数字接口构成（Walter，2000）。ADSL是目前较先进的一种接入技术，有“网络快车”之美誉，因其速率高、频带宽、性能优、安装方便，成为继MODEM、ISDN之后的又一种全新的高效通信技术。
随着海洋技术的发展，ADSL技术也在海洋地质调查设备中得到广泛应用，如ROV系统、海底视频采集系统等，下面以“深海彩色数字摄像系统”（863项目，广州海洋地质调查局主持开发）为例进行说明，系统框图如图2。
图2 海底观测系统结构模块图
Fig.2 Seabed observation system construction module chart
“深海彩色数字摄像系统”利用原有的CTD铠装钢缆作为传输介质，在甲板控制单元和水下单元各用一个 ADSL Modem，利用ADSL通信技术实现网络互连，进行视频传输和采集控制。由于受到抗拉强度、水密性能、抗高压性能的影响，对铠装缆的要求非常高，传统的铠装钢缆带宽较低，不能实时无滞后传输海底高保真视频图像，因此只能对图像进行有损压缩。现在最新的海底观测与视频采集系统开始使用铠装光缆作为传输介质，极大的扩展了其传输带宽，提高了海底观测的实时性和保真度，使海底视频观测采集技术向光电通信技术迈进。
2.3 卫星通信技术的应用
随着空间卫星通信技术的发展，卫星通信在海洋地质调查中也得到普遍应用，尤其是GPS卫星定位和卫星气象的应用尤为广泛。
GPS（Global Positioning System）全球定位系统是以卫星为基础的无线电导航系统，可为航空、航天、陆地、海洋的用户提供3维的导航、定位和定时。GPS由卫星星座（空间部分）、地面监控系统（地面控制部分）、GPS信号接收机（用户设备部分）等三个部分组成。GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成，这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座，其中21颗为可用于导航的卫星，3颗为活动的备用卫星。这24颗卫星分布在6个倾角为55°的轨道上绕地球运行。卫星至地球表面的平均高度为20200km，运行周期约为12恒星时。地球上任何地点、任何时刻至少都能观测到4颗卫星。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS用户正是利用这些信号来进行工作的。以3颗位置已知的卫星为圆心，以被测点到卫星的距离为半径作3个圆，这3个圆的交点就是被测点的位置。在GPS系统中，就是根据空中运行的3颗卫星和这些卫星到被测点的距离，确定被测点的位置。全球卫星定位导航系统采用多星高轨测距体制，GPS接收机在同时接收到3颗以上卫星的信号后，由3颗卫星至用户的3个等距离球面的相交即可确定用户的位置。通过对4颗卫星的观测还可定时，并由时钟改正值来修正距离测量误差（徐绍铨等，2004）。该系统具有全球连续覆盖、定位精度高快速、被动式全天候观测无需通视、操作简便、抗干扰能力强等优点使其应用领域不断扩大虽然美国军方从战略目的出发，采取选择可用性（Selective Availability）和反电子欺骗技术（Anti-Spoofing），但目前相位观测法可以绕过SA的影响，消除大部分人为加入的误差，其应用已不仅限于导航定位的军事用途，还用于大地测量学、地球动力学、大气科学、灾害监测等。
在海洋地质调查中经常要使用GPS（或DGPS）卫星通信定位，所有测站的坐标都使用GPS卫星实时定位，导航GPS接收机接收GPS卫星信号，并根据测量投影方式进行解算后对船舶进行导航和定位。GPS接收机型号各异，如SECEL GPS接收机、LGBX-PRO GPS接收机、SF2050 GPS接收机等，其精度指标也各不相同。
在进行海洋地质调查时，调查船舶每天还要接收气象卫星信号，并根据卫星云图上显示的气象信息（如：台风、低压、高压等的生成情况、大致走势）判断工区未来24小时内的气象情况，从而动态安排测站调查作业。
随着internet技术的发展，在调查船上也可以实时收发email和上internet浏览新闻等，但是目前卫星信道收发上下行速度相对较慢，且费用昂贵。
2.4 局域网络通信技术的应用
在综合的海洋地质调查中涉及到DGPS导航定位测量、地质取样及其描述、化学测试分析、多波束及水声测量等多学科多专业，不仅要进行资料采集，还需进行资料处理、解释、分析、研究等工作，各种资料既相互独立又密切结合，调查中需要综合分析利用各种数据资料，因此各专业数据共享成为必要。
在现代海洋地质调查作业时，野外无纸化的数字办公、网络办公越来越成为新的办公方式，既节约成本又可以提高效率还可以减少差错；其次船舶位置信息、状态、物资、气象信息等网络化共享，不仅为首席科学家科学部署提供决策参考，还可以更好地为船长综合指挥船舶服务；因此，随着信息技术的发展，调查船载有线局域网络通信技术和无线局域网络通信技术得到了普遍的应用。以综合海洋地质调查“海洋四号”科考船为例，局域网络通信技术在综合信息采集和野外办公中得到很好的应用。图3 为“海洋四号”局域网络通信模块图。
图3“海洋四号”科考船局域网通信模块图
Fig.3 Haiyang4 R/V’s LAN Communication module chart
2.5 传统无线电通信技术的应用
在现代海洋地质调查中，传统的无线电通信技术仍然得到继续利用，比如对讲机，单边带等。
3 结语
现代通信技术在海洋地质资源调查中得到广泛应用，但是由于受到很多客观条件限制，陆地上已经使用的很多现代通信技术在茫茫大海中还不能使用。下一代的太空网络架构正在开发制定中，这个新的架构将利用互联网协议确保地面（包括陆地、海洋和大气层）和卫星网络的互操作性，利用卫星进行通信互连，这将使数据存储、传输和使用的方式发生革命性变化，一个基于卫星的IP通信网络可在全球范围内将服务延伸到世界上任何地区的用户。企盼着即将到来的下一代网络（NGN）、下一代电信网（NGT）、下一代互联网（NGI），下一代无线移动通信网（3G，B3G，4G）都能基于卫星IP网络平台上为海洋通信提供良好的技术服务，深信科学家们的不懈努力“一个世界，一个网络”不再是梦想，地面和太空将一起形成一个无缝的卫星通信服务体系。
参考文献及资料
广州海洋地质调查局，海底摄像技术手册
广州海洋地质调查局，seabeam2112技术手册
Walter Gorlsky，著.刘勇等译.2000.ADSL和ADSL技术，北京：人民邮电出版社
徐绍铨，张华海，杨志强，王泽民编著.2004.GPS测量原理及应用（修订版）.武汉：武汉大学出版社
The Application Of Modern Communication Technology In Marine Geological Survey
Sheng Yan Wen Mingming
（Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，510760）
Abstract：The communication technology such as sound communication tech.，Netware communication tech.，ADSL communication tech.and satellite communication tech.has been more and more applied in the field of Marine geological survey.in this paper，It is simply introduced the theory of these communication technologies and the applications in different survey equipment and methods.
Key Words：communication tech.Marine geological survey Acoustics communication tech.satellite communication tech.ADSL communication tech.
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