基于BDS海洋上冰山蹤跡監測方案設計

郭英起,張 賀,高延平,薛 劍

(黑龍江工程學院測繪工程學院,黑龍江 哈爾濱 150050)

0 引 言

海洋上的冰山是冰川或者極地冰蓋由于受到地球氣候的影響在臨近海洋的一端產生破裂后掉入大海中的體積、重量及形狀都各異的淡水冰。冰山冰的平均年齡大都在5000年以上,有的可達數萬年或更長些。冰山由于大小、形狀的不同,其在大海上生存的時間有所不同,有的在一年左右,也有的體積巨大冰山在海洋上生存時間可長達十年以上。冰山在茫茫的大海上是漂移不定的,目前浩瀚海洋上冰山的位置在航海圖上是無法標識的。如果海洋上的遠洋船舶撞上冰山大多會嚴重受損甚至沉沒。所以海洋上的冰山亦被稱為“海洋殺手”。

冰山在海洋上的運動動力主要是風,冰山在風速的影響下其運動的速度可達每天幾十公里,速度的大小主要取決于冰山的重量及其冰山高出海面部分的形狀。冰山的運動動力其次是洋流,冰山亦會受到海洋洋流的影響逆風而行。由于受到多因素的影響有時冰山在海洋上還會傾翻、兜圈子,橫沖直撞。冰山在茫茫大海上的位置是飄忽不定的。

1 海洋上冰山的威脅

由于冰山冰是從上萬年或數萬年冰川或者極地冰蓋上崩裂下來的,故十分堅硬。冰山的重量十分巨大,平均在十萬噸左右。大冰山的重量可達數百萬噸以上,上萬噸的冰山都屬于中小型的冰山。冰山巨大重量助長了它的破壞力,其對在附近海洋上航行的船舶構成很大的威脅。眾所周知的“泰坦尼克”號在航海中撞上冰山后沉沒的事故即是海洋上冰山巨大威脅的實際表現。在航海史上,海洋上船舶與冰山相撞造成慘痛事故屢有發生。

另外,海洋上漂移冰山的巨大重量和體積通常是航海者利用肉眼無法直接觀測和估計到的。

設整個冰山的體積為V,冰山露出在海面上的體積為V1,冰山在海面下的體積為V2.冰在0 ℃以下的密度是ρ冰=0.917 kg/m3,海水的密度一般與海水的鹽度有關,現取海水的密度ρ海水=1.025 kg/m3.根據阿基米德定理可有:

V·ρ冰=V2·ρ海水,

(1)

所以

(2)

現將冰和海水的密度代入上式可得

(3)

則有

(4)

可以看出來海洋上冰山露出海面的部分僅僅是其總體積的十分之一左右,其隱藏在海水平面下面的部分是其總體積的十分之九左右如圖1所示。這就是說航海者利用肉眼直接看到的“小冰山”實際上它的重量和體積應該是航海者觀測到“小冰山”的十倍左右。當然其破壞力也必然是觀測者預想的數倍或更大。冰山在海洋上露出海面部分的大小還與冰山的具體形狀有關,由于冰山的形狀千差萬別、各有所異。所以，海洋上冰山露出在海洋上面部分亦會有一些差別。

圖1 冰山的體積分布

實際上海洋上冰山對船舶的威脅不僅僅是船舶撞上冰山以后才會體現出來的。冰山在茫茫大海上“隨意”漂移的過程中,由于海浪、海潮和海風的原因,空氣和水的熱效應會增加,這會導致冰山的破裂。時常會有大小不同的冰塊從冰山上脫落下來,冰塊脫落后沖入海水中就會激起急速的巨浪。同時亦會破壞冰山的平衡、失去冰山的穩定性,此時冰山可能會產生晃動或旋轉。所有這些這都會給附近航行的船舶造成不堪設想的后果。海洋上的船舶如果駛入冰山附近2海里范圍內水域時都將是很危險的。

冰山的巨大破壞力和位置飄忽不定的特性給海洋上的遠洋船舶構成極大的威脅,對于航海者來說早發現,躲著走、敬而遠之是上策。但是在海洋上利用視覺瞭望的方法及早發現冰山是比較困難的。在天氣良好的情況下發現大的冰山一般在4海里至十幾海里,這取決于冰山露出海面部分的形狀。中小型的冰山則需要距離冰山1、2海里的情況下才可以發現。目前在海洋上航行的船舶為了躲避冰山一般都配備有比較先進的雷達或聲納等設備,借助于雷達或聲納設備船舶可以了解航行路線附近冰山的分布情況,通過較早地改變航線躲避冰山。但是當海上有大浪的情況下,冰山容易隱藏于大浪中,雷達根本無法追蹤。另外,由于冰山反射雷達脈沖的能力比船舶和海岸的反射能力要弱一半以上,所以雖然海洋上船舶配備雷達或聲納等較先進的設備,但是冰山對過往船舶的巨大威脅卻依然存在。

2 基于BDS海洋上冰山蹤跡監測方案設計

2.1 北斗衛星導航系統(簡稱BDS)

BDS是北斗衛星導航系統的簡稱,BDS是由我國獨立自主設計、建造和管理運行的世界上四大全球衛星導航定位系統之一。按計劃在2020年北斗衛星導航系統將全部建成并實現全球無源導航定位服務能力[1]。

北斗衛星導航系統是由空間星座、地面控制和用戶終端三個部分組成。空間星座:由5顆地球靜止軌道衛星(GEO)、27顆中圓地球軌道衛星(MEO)3顆傾斜地球同步軌道衛星(IGSO)組成。其中,GEO衛星高度為35 786 km;27顆MEO衛星均勻分布3個傾角為55°軌道平面上,高度為21 528 km;3顆IGSO衛星均勻分布于3個傾角為55°傾斜地球同步軌道平面上,飛行高度為35 786 km[2-4].

地面控制是由若干個主控站、注入站和監測站組成。目前監測站分布于國內:喀什、烏魯木齊、成都、北京、三亞、廈門和綏陽。到2020年北斗衛星導航系統實現全球覆蓋后,監測站將擴展到國外,如法國、澳大利亞、德國、美國和南美等地。

用戶終端是由各類BDS用戶終端和與其他衛星導航系統兼容的終端組成。

北斗衛星導航系統的衛星信號:中國向“國際電信聯盟(ITU)”申報了4個頻率。目前公共服務信號:1 561.098 MHz;1 589.742 MHz;1 207.14 MHz;授權服務信號:1 268.52 MHz.

以后還將會發射的公共服務信號:1 575.42 MHz;1 191.795 MHz.

BDS時間系統:BDS時間系統采用的是北斗時(BDT);BDT時起算歷元為2006年1月1日(周日)0時0分0秒的世界協調時(UTC);BDT時與UTC時的偏差保持在100 ns以內(閏秒信息將在導航電文中播報);

BDS坐標系統:BDS坐標系統采用的2000中國大地坐標系(CGCS2000);CGCS2000的實踐稱為中國2000地球參考框架(CTRF);CTRF2000參考于ITRF97;CGCS2000的定義與國際地球參考系統(ITRS)相一致;

北斗衛星導航系統提供兩種服務方式:公共服務和授權服務。

其公共服務的標準為:定位精度:平面±10 m,高程±10 m;授時精度:單向50 ns(雙向授時優于20 ns); 測速精度:±0.2 m/s;

通信服務:公共服務雙向短報文通信服務,60秒一次,一次40個漢字;授權服務短報文服務是每秒一次,一次120個漢字。

另外北斗衛星導航系統還具有全球搜尋援救的功能,其他全球衛星導航定位系統是不具備此功能!

北斗衛星導航系統具有先進性、適用性、軍民兩用性、抗干擾性和抗繼毀性等諸多特點[5-7]。

北斗衛星導航系統在2020年將全部建成并實現全球無源服務能力。屆時北斗衛星導航系統是四個全球衛星導航定位系統中唯一能夠為所有用戶提供短報文通信服務(單向、雙向)的。全球衛星導航定位系統的導航定位服務能夠使用戶確定自己的三維位置坐標和三維速度,而北斗衛星導航系統提供的短報文通信服務還可以讓用戶告知其他人自己的位置坐標等信息。過去用戶告知其他人自己位置坐標等信息的方式通常是利用數傳電臺、GSM及無線網絡等通信方式。但是在廣闊無垠的大海上惡劣天氣一般會頻繁出現,這些通信方式都存在有作用距離短、可靠性差和保密性差等缺陷,無法滿足海上信息高效率無誤傳輸的要求。

2.2 基于BDS海洋冰山蹤跡監測方案

早在上世紀中期許多國家都已經建立了海上冰山巡邏隊、海上破冰服務組織等機構,專門負責探測和收集海上冰山以及沿海冰情信息等資料,預測冰情變化的趨勢并為過往的船舶提供相關資料。他們通常配備有專用飛機、破冰船等設施,并建立了眾多的監測站。所有這些都為監測海洋上冰山的蹤跡奠定了基礎[8-9]。

在1998年,美國前副總統戈爾首次提出了“數字地球”的概念。數字地球是指以地理坐標為依據,將地球自然屬性信息和社會屬性信息數字化,并能夠提供立體顯示和多維分析的地球技術系統。而數字海洋又是數字地球非常重要的組成部分,數字海洋是指以集成海量、多分辨率、多時相、多類型的海洋觀測與監測等數據及其分析算法和數值模型,并且運用3S技術、數據庫技術、網絡技術、科學視算、虛擬現實與仿真等技術手段構建一個虛擬的海洋系統。也就是說數字海洋既是利用現代信息技術收集并處理海量的海洋數據,形成多樣化的信息服務產品,把現實的海洋世界數字化,并裝入計算機而形成的信息系統。數字海洋系統以數字化、可視化等方式通過計算機實現對海洋現象和過程的虛擬表達,展現真實海洋世界的各種狀況,再現海洋的過去、預現海洋的未來,從而促進和提高人類對海洋的客觀認識,為海洋的可持續發展提供信息支撐服務。數字海洋是一項龐大、復雜的信息化系統工程。經過十余年的發展和建設,數字海洋的基礎設施建設已經有了較大的成就,其中海洋觀測監測和數據處理手段已經向綜合性立體方向發展,不僅在硬件技術上業已成熟,更重要的是相配套的以軟件為支撐的數據處理能力已大幅度提高,增加了海洋的預處理功能和儲存能力[10-12]。

利用遙感數字圖像或者通過海上冰山巡邏隊可以發現在浩瀚的海洋上大概某個位置存在有較大或大型的冰山時,可以利用飛機將特制的北斗衛星導航系統接收設備“扔到”冰山上,此接收設備同時還應該具有一些附加功能,如能夠將太陽能轉化成電能給蓄電池充電維持接收設備長時間的工作需要。冰山在茫茫大海上漂移的過程中接收設備不僅可以利用北斗衛星導航系統的信號確定冰山自己在茫茫海洋上的位置坐標,而且還可以隨時(時間間隔等參數可以根據需要提前設定)利用北斗衛星導航系統的短報文通信服務將其位置坐標傳送給監測站或相應的海上服務機構。并將其位置坐標信息及其屬性納入到數字海洋的基礎信息當中。監測站或相應的海上服務機構會按照一定的頻率利用其相應的硬件和軟件設施將該信息傳遞發布出去,在冰山附近海域航行的遠洋船舶利用相應的接收終端接收信息并在導航設備的屏幕上顯示出來,并且給出必要的危險提示,告知用戶目前在其航線附近具有較大或大型的冰山存在,用戶即可以提前準備并繞行躲避冰山避免碰撞,保證用戶遠洋航行的安全。

3 結束語

由于冰山具有較大或很大的體積和重量對船舶構成很大的破壞力,同時冰山在茫茫海洋上的位置漂移不定,所以其對過往的船舶構成極大的威脅。提前預知冰山在海洋上的位置坐標并及時躲避冰山避免災難的發生是海洋上船舶安全航行的必要條件。本文研討了利用北斗衛星導航系統(BDS)的定位和短報文通信服務功能對海洋上冰山的蹤跡進行監測的方案,并利用目前數字海洋建設中的相關設施及時告知海洋上航行的船舶用戶冰山的具體位置,達到使海洋上航行的船舶提前躲避冰山避免災難發生的目的。

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