海底地震仪三维布设导航定位系统的数据通信

任东旭 于双和



海底地震仪三维布设导航定位系统的数据通信

任东旭 于双和

大连海事大学，辽宁 大连 116026

针对传统导航定位设备采用串口通信导致的连接、传输和管理问题，围绕海底地震仪布设的实时通信需求，提出了一种基于多串口联网的多路设备（GPS，OBS，测试仪，罗经仪等）实时通信方案。

海底地震仪；TCP/IP；串口联网

BS (Ocean Bottom Seismometer，海底地震仪)是放置在海底的地震测量系统，用于海洋人工地震和天然地震的观测[1]。OBS探测是利用多个布设在海底的地震仪，接收并记录天然地震和人工地震所产生的地震波，经层析成像得出海底地质结构的方法，是近十多年来发展应用的一项较新的海洋勘探技术，已在天然地震、海底深部构造研究和海洋油气、海底天然气水合物调查中得到了广泛应用[1]。

1 OBS三维布设导航定位系统与数据通信

OBS三维布设导航定位系统是专用于辅助OBS精确投放和定位的综合化导航信息系统，以三维海底地图可视化显示系统为基础，包含设备管理、测网与站位管理、OBS状态管理、OBS定位成果管理等内容。，系统总体框架如图1所示[2]。

2 数据通信设计

2.1 方案设计

为了实现多串口和以太网的转换，需要设计一个联网设备，该设备包含若干个RS232串口和一个以太网接口。首先，将每个RS232串口分别与DGPS接收机、OBS、测深仪、罗经仪等设备进行连接，其次，将该联网设备接入局域网，然后，同一局域网的所有用户计算机只需要通过客户端软件基于TCP/IP 协议[5]与远端服务器建立连接，通过协议转换，所有的串口数据流都将转换为以太网数据流。此外，该通信协议还允许双向通信，联网设备也会将以太网数据流装换为串口数据流，即通过客户端软件也可以对远端联网设备发送命令参数，以此获取每一个串口的状态信息，并对其进行设置、开启和关闭等操作[3]。

2.2 硬件设计

串口联网设备本质上是一个内嵌的多串口网关，该网关基于TCP/IP 协议，主要由TCP/IP协议转换模块和多串口数据处理模块组成。TCP/IP 协议转换模块是将以太网发送缓冲区的串口帧封装在UDP 包中，传给IP 层，并接收以太网数据帧向上层层解包，分离应用层数据，然后数据的解析处理交由多串口发送模块完成，实现RS232/RS485串口流与以太网端口流的透明转换。串口数据处理模块是一个多串口（RS232/RS485）数据流的收/发控制模块，主要是接收多个串口的设备数据（如GPS、OBS、罗经仪等），并将所有数据封装写入以太网发送缓冲区打包传输。内嵌多串口网关使用的是ARM处理器，在其上运行的是Linux 操作系统[4]。

2.3 软件设计

客户端的OBS三维布设导航定位软件系统中，包含了一个设备管理模块。该模块根据TCP通信原理和多线程技术，进行socket网络通信程序设计，通过指定的IP和端口与服务器建立连接，实现数据通信。此外，为了便于数据解析，在客户端的设备管理模块需要建立多个数据缓冲区，主要包括用于存放以太网数据流的主缓冲区和对应每一个串口的设备缓冲区。将接收到的以太网数据解析后，一方面通知测试窗口，将每个串口的源数据分别显示在对应的文本框中以供查看和判断数据接受是否正常；另一方面放入对应设备数据缓冲区中，以供其设备对象在另一线程进一步解析，并将解析的最终结果封装在一个结构体中，传递给OBS三维布设导航定位系统各个功能模块，如视图显示模块[5]。

2.4 通信协议设计

TCP/IP 协议由应用层、传输层、网络层和链路层组成。为了实现透明传输，增加应用进程协议层—串口层。串口层由串口链路层和串口网络层构成。网关在串口层构建，同时解析RS232 数据包，并作为TCP/IP网络应用层的数据传输[6]。

主控计算机与串口联网设备基于TCP/IP协议进行通信时，虽然可以通过Socket网络编程获取对方的数据流，但是由于不知道数据的具体语义，所以无法将数据正确解析。为了能够将从以太网端口获取的数据流进行解析，需要设计一个通信协议，该协议包含消息收发的结构和数据类型，通过该协议主控计算机可以将每个串口设备的数据分离出来，并且可以向串口联网设备发送控制信息，例如控制串口开关、修改波特率等，还可以获取相应的响应信息。协议中的消息是用ASCII表示的字符串string和整型int两种基本数据类型表示的。消息结构包括消息头和消息体，消息头是消息内容的标识，消息体是具体的消息内容。

2.5 数据解析

从以太网端口获取到的原始数据流，需要经过两步解析，才能得到经度、纬度、方位、深度等具体的导航定位信息，并封装传送给视图更新显示和计算。通过设置每一个串口的设备类型，即相应的设备解析驱动，为每一个串口建立一个工作者线程和数据缓冲区，经过两步解析，将原始的以太网数据流无损、实时、高效的转换为具体可用于计算的导航定位数据。

3 结束语

本文以OBS三维布设为背景，结合当前勘探船的设备使用现状，利用计算机网络、软件和硬件技术，为多路导航设备的实时数据通信提供了一整套基于多串口联网的数据通信解决方案，并介绍了已构建的数据通信子系统的主要功能。本文提出的解决方案能够为OBS三维布设导航定位系统各个功能模块提供准确、稳定、可靠的实时数据，系统运行稳定，能够满足实时性要求，极大方便了多种串口设备的远程控制和统一管理[7]。

[1]张志刚，伍人暾，曾宪军.海底地震仪水下投放装置的设计[J].海洋技术，2011，30(2)：103-106.

[2]齐君，赵铁虎，刘俊.短周期OBS探测及其在南黄海地震勘探中的应用前景[C].中国地球物理，2011，26：942-943.

[3]郑贵洲,任东宇,晋俊岭,等.OBS布设导航定位系统的关键技术研究[J].测绘通报,2013(09):39-42.

[4]郑贵洲,晋俊岭,任东宇.面向OBS布设与定位回收的船舶导航系统研究[J].海洋技术学报,2013,32(3):87-91.

[5]胡家赋,徐华宁,丘学林,等.精密枪控计时器设计及在海底数据采集中的应用[J].热带海洋学报,2012(03):97-102.

[6]刘丽华,吕川川,郝天珧,等.海底地震仪数据处理方法及其在海洋油气资源探测中的发展趋势[J].地球物理学进展,2012,27(06):2673-2684.

[7]郝小柱,伍忠良,王巍伟,等.海底地震仪精密计时器的研制与应用[J].气象水文海洋仪器,2013,30(2):9-13.

DataCommunication OBS Three-Dimensional Layout of Navigation and Positioning System

Ren Dongxu Yu Shuanghe

Dalian Maritime University, Dalian, Liaoning Dalian 116026

According to the connection, transmission and management problems caused by serial communication with traditional navigation and positioning equipment, around real-time communication needs of OBS emplaced, it proposed a real-time communication scheme with multi-port network based on multi-channel devices (DGPS, OBS, compasser and echo sounding, etc.).

OBS;TCP/IP;serial ports networking

P715

A

1009-6434(2016)07-0191-02

“中央高校基本科研业务费专项资金”资助。