浮空載具在海事領域的應用

胡勤友， 張正儒， 劉 俠

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

浮空載具在海事領域的應用

胡勤友， 張正儒， 劉 俠

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

受船舶營運的海上環境復雜多變的影響，目前近海寬帶網絡服務和海事監測服務在海上通信以及海事監管方面的實際應用上存在諸多問題，表現為現行的海上網絡服務收費高，AIS服務范圍小、盲區大、實時性差，海上搜救措施效率低等。針對這些問題，通過對浮空載具的動力定位原理進行研究，結合平流層熱氣球和氣象氣球的應用經驗，探討浮空載具在海事領域的潛在應用，分析浮空載具的獨特優勢，從而為浮空載具在海事領域的應用提供新的技術思路和建議。

水路運輸； 海上網絡服務； AIS服務； 衛星AIS； 浮空載具； 動力定位

良好的互聯網網絡服務可以豐富船員的日常生活，加強其與家人、朋友的聯系，從而使其能夠以更飽滿的狀態投入到日常的工作中。良好的AIS(Automatic Identification System)信息服務有助于增強VTS(Vessel Traffic Services)功能，實現海上交通可視化，高效的海上搜救措施的重要性更是不言而喻。

然而，航運工作的地域特殊性以及海洋環境的特殊性對互聯網服務、AIS服務以及海事搜救產生了諸多影響，表現在：

1. 遠海域的互聯網網絡服務收費高、速度慢。

2. 一般岸基AIS基站服務范圍小。傳統AIS基站的信號傳輸范圍與天線的架設高度[1-2]有關，天線過低將無法有效地覆蓋水域，過高又會產生交疊

干擾問題。隨著船舶作業范圍日漸擴大，有些船舶經常會超出岸基AIS基站覆蓋范圍進入盲區。

3. 衛星AIS系統不能對船舶位置持續覆蓋。衛星AIS屬于非實時通信系統，其對船舶位置的覆蓋不是一直持續的，因此使用衛星探測AIS來監控船舶實時性差。

4. 海事搜救措施經常因示位和通信不便而造成拖延，嚴重威脅船員的人身和財產安全。

浮空載具作為一種常見的載具，在氣象探測、網絡搭建、遙感監測等方面都有著廣泛的用途和成熟的應用經驗，其滯空時間長、成本低等獨特優勢可幫其有效解決上述問題，這給浮空載具在海事領域應用帶來了啟發。

1 浮空載具分類與簡介

浮空載具是一種依靠較輕的氣體產生的浮力或空氣動力駐空的航空載具，主要包括飛艇和氣球兩大類，此外還有飛滑翔傘、無人機等。飛艇從結構形式上可分為硬式和軟式；從控制形式上分為無人飛艇和有人駕駛飛艇。氣球基本上是軟式結構，從控制形式和用途上可分為載人氣球、自由氣球和系留氣球。浮空載具因具有成本低、滯空時長、載荷能力大、噪聲低、能量消耗小、安全性好、效費比高等獨特優勢，發展空間巨大，在交通運輸、環境監測、遙感通信、觀光旅游、應急救援等諸多領域有著廣泛應用。

2 浮空載具的廣泛應用

浮空載具在諸多領域都有應用。此處主要介紹平流層熱氣球、氣象探測氣球和平流層飛艇的應用。

2.1谷歌“熱氣球網絡計劃”

谷歌“熱氣球網絡計劃”項目計劃在大氣平流層放飛無數可回收的熱氣球，組成一個無線網絡，以填補網絡服務的盲區或幫助受災斷網地區恢復網絡。每個熱氣球能在平流層中飄浮100 d，覆蓋面積約為1 256 km2，且不受地形影響，其網絡信號的速度甚至可以超過3G的水平。熱氣球在完成任務后可以被回收繼續利用，當一個氣球飛離某一位置后，會有另一個氣球來替代，這樣就可以使氣球基站高效率地保證網絡信號的持續性。

谷歌計劃圍繞地球建設一個類似于圖1的“氣球”網絡，每只氣球通過射頻信號收發設備與其他氣球連接在一起，其能把接收到的信號傳回地面站，該地面站又能連接到當地的網絡提供商，這樣氣球就在天空中架起了一個網絡。氣球通過另一個收發設備確保與地面的網絡基站通信，利用當地預留的空白電視頻段將信號發到地面的接收器，接收器再向專門設計的、安裝在用戶家中的專用天線發送互聯網信號，如此以來，在其天線覆蓋下的網絡設備終端就可以連接到互聯網了。

2.2氣象氣球

氣象氣球是常用的高空氣象觀測平臺，可搭載多個探空儀并接收衛星指令，被廣泛應用于天氣預報、大氣污染監測和大氣邊界層探測。其除用于觀測溫、濕、壓、風等氣象要素外，還用來觀測臭氧以及監測大氣污染，能在數小時至幾十小時內連續測量各個選定高度上氣象要素的變化。平流層氣象氣球還可用于探測大氣成分、臭氧、太陽常數、輻射量等。

圖1 “氣球”網絡

2.3平流層飛艇

平流層飛艇依靠空氣靜浮力駐空，可定點駐留，亦可機動巡航；具有駐空時間長、載重量大、可重復使用等特點。此外，其還可長時間停留在特定地區，作為定點觀測的最佳觀測平臺，實現長期連續觀測。譬如，可在重大自然災害地區(如洪災、森林火災等)、重要設施與工程、城市(如交通監控、重大活動安全監視)等實現連續觀察，及時掌握動態信息，提供實時的決策依據，保障地區安全、減少災害損失。

平流層飛艇觀測平臺的主要功能是實現區域性長期、定點、機動、高分辨力觀察，因此是目前對地觀測方式的必要補充，滿足國家在地區安全保護、大氣定點監測、熱點地區持續觀察等方面的迫切需求。

2.4遙感航拍熱氣球

以航拍熱氣球為飛行平臺、攜帶數碼相機或成像光譜儀進行低空遙感航拍也有著越來越廣泛的應用，主要包括國土測繪以及對海洋、高壓線路、災情與氣象等進行監視。

我國航拍熱氣球已經在洪澇災害應急監測、太湖藍藻監測、森林火災監測、大氣臭氧監測以及大型科學試驗中發揮重要作用。如在2008年“5·12”汶川特大地震的抗震救災工作中，航拍熱氣球與遙感技術相結合取得了顯著效果。

2.5浮空載具的其他應用

浮空載具在其他領域也有著廣泛的應用。在軍用領域，多用于預警、電子對抗、技術偵察與監視、超長波通信、信息中繼等方面；在科學研究領域，被用于高能物理、天文、空間物理等多學科的探測。

3 浮空載具在海事領域的潛在應用

上述浮空載具成功應用的經驗給海事領域帶來了許多啟發，可能會在提供海上網絡服務、海事監測以及海上搜救上產生諸多影響。

3.1浮空載具提供海上網絡服務

目前海上的互聯網絡服務幾乎空白，僅可用的小型地球站和海事衛星均有著高昂的收費和嚴格受限的速度吞吐量。

借助谷歌“熱氣球計劃”的實施經驗搭建高空網絡熱點，對遠海海域或交通繁忙的海域進行網絡覆蓋，其架設成本遠比發射衛星小得多，從而可以使船員享受到快速、穩定、價格低廉的互聯網服務。

3.2浮空載具用于搭建AIS基站

AIS基站是整個AIS信息傳輸中最關鍵一環。其傳輸范圍與天線的架設高度成正比，而AIS天線的架設高度有嚴格限制，否則會造成無法有效覆蓋水域、岸基AIS基站覆蓋范圍受限嚴重等問題。

此外，衛星AIS屬于非實時通信系統，其對船舶位置的覆蓋不是一直持續的。一般對于距離海岸幾百海里的船舶，位置更新時間間隔約為1 h，對于更遠海域的船舶，位置更新時間間隔為4 h以上，因此所監測的遠海域船舶的位置的可靠性往往不高。

浮空載具的應用給上述問題帶來了解決方案，可使用浮空載具攜帶AIS基站設備，并借鑒谷歌“熱氣球網絡計劃”和氣象氣球所用的動力定位方法搭建高空基站(見圖2)。如此一來，可大幅度提高基站的覆蓋范圍，有效解決交疊干擾問題，減少盲區數量，并縮短遠海域船舶的位置更新時間間隔。

圖2 高空AIS基站

3.3浮空載具攜帶SAR雷達進行海上監測

SAR雷達[3]是一種高分辨率的成像雷達，可通過其遙感數據檢測出船目標和航跡特征,接收和應答海上搜救信號，以及監測環境動態變化和海上溢油污染。此外，SAR不僅可監視和跟蹤油膜漂移的方向和位置，指導航測的偵察和取證工作，還可估算溢油的面積和油膜的漂移速度。

雖然SAR雷達具有作用距離遠、抗干擾能力強、信息傳輸快、準確率高等特點，但目前通常被搭載在滯空時間短、較小的無人機上和發射成本高的衛星上，這些都限制了其應用效能。若將SAR雷達設備搭載在浮空載具上，可全天候、全天時監測大范圍內的船舶情況和海上事故情況，及時接收應答搜救信號，準確定位事故發生地點，有效保證船員的人身財產安全，控制海上溢油污染范圍。

3.4浮空載具用于采集落水人員信息

最常見的緊急無線電示位標和人員落海警示系統都有監控人員安全、偵測落海意外、即時提供警示的功能。一般搜救信號傳輸機制是：透過衛星將編碼后的信息傳送給海岸邊的站臺，再由站臺傳送給當地的中央搜救中心，啟動救難機制。其缺點是受衛星角度與當地急救中心的反應時間的影響，不確定因素較多，影響救援的黃金時間。

可利用浮空載具滯空時間長的特點攜帶紅外線熱像儀等落水人員信息采集設備，或作為SART信號中繼器[4]，能在很大程度上提高搜救措施的效率和可靠性。

4 海事領域浮空載具可借鑒的動力定位原理

現已投入使用的浮空載具均具有先進的組成設備和成熟的動力定位技術。以下主要介紹平流層熱氣球和氣象探測氣球[6-7]的設備組成，并分析其動力定位原理。

4.1平流層熱氣球的動力定位原理

平流層氣球是在平流層進行探測時所用的大型浮空載具，是一種能完成20～40 km或更高的高空探測的觀測平臺。

平流層氣球選取的飛行區域為離地約20 km的平流層，雖然相對于對流層，該區域的氣候條件和氣流變化均相對穩定，但熱氣球的動力定位仍是實施計劃的第一大難點。谷歌公司提出的“可變浮力”方案可有效解決這個問題?！翱勺兏×Α苯鉀Q方案即通過改變浮力來調整熱氣球的高度，使之選擇合適的氣流，推動氣球向正確方向快速移動(見圖3)。谷歌公司擁有強大的計算機處理能力，可利用官方的海量氣象數據精確計算、模擬平流層中的氣流，結合氣球裝有的氣象設備返回的數據，精確地預測平流層的氣流方向，再通過熱氣球和氣囊之間的控制閥門，控制氣球上下移動到不同方向的氣流層，使之隨氣流快速移動，從而實現對熱氣球的動力定位。AIS高空基站可借鑒平流層熱氣球的動力定位原理，使基站位置得到良好的區域控制。

圖3 “可變浮力”解決方案

4.2氣象氣球的動力定位原理

雖然平流層熱氣球的動力定位原理給AIS基站帶來了很多可借鑒之處，但其也有著很大的局限性，主要是因為如此龐大的數據系統服務比較難獲取。

不過，氣象氣球的動力定位原理同樣值得借鑒，且更加適合在海事領域的浮空載具上應用。

氣象氣球一般使用橡膠、塑料等材料，充以氫氣、氦氣等比空氣輕的氣體。其不僅搭載有氣象數據監測設備，還搭載了位移測控系統設備和通信設備，這些設備主要由排氣閥、平衡器、位移傳感器(光電碼盤)、姿態調整伺服裝置(反作用飛輪裝置，電容)、反捻器、數據鏈接設備和無線電傳輸設備構成。

反作用飛輪控制系統[8]是實現吊籃動力定位控制的執行機構，由主控單元、飛輪系統(直流力矩電動機和飛輪)、速度傳感器、保護電路和電源等組成(見圖4)。該系統根據伺服系統和上位機給出的速度變化指令調整控制器輸出，即調整反作用飛輪的速度；分系統內部速度閉環可以穩定慣性輪力矩臺的速度，最后通過反捻裝置[9]進行卸荷和解耦，防止吊繩扭曲導致的吊籃轉動，釋放長時間積累的殘存力矩。

分布式測控系統[10-11](見圖5)將嵌入式系統作為中心處理機，完成姿態和科研數據的測量，并對吊籃的各個控制點進行誤差修正。地面中心站負責傳輸數據包的重新打包和分發；地面節點機主機和其他節點機一起與地面中心站組成地面測控系統。數據鏈接設備負責所測量數據的報文發送與接收，通過RS-232C接口與球載控制系統[12-14]和地面測控系統進行通信。

圖4 反作用飛輪動力定位系統

圖5 分布式測控系統

5 海事領域浮空載具應用的優勢及挑戰

浮空載具應用于海事領域，有著很多獨特優勢。

1. 相對于其他飛行器或衛星，浮空載具的區域滯空時間較長，其提供服務的持續性和實時性較高。

2. 相對于衛星，浮空載具的使用成本和回收成本均較低，方便檢測維修，效費比高。

浮空載具在海事領域應用同樣面臨著諸多問題和挑戰。其中最突出的問題是現有的技術僅可將浮空載具控制在一定范圍內，不能完全鎖定在固定位置，這對所搭載設備的信號穩定性會產生影響。此外，使用覆蓋范圍較大的高空AIS基站替代原始的多個岸基AIS基站后，覆蓋范圍內的船舶AIS終端激增，AIS信息報文傳輸量隨之增加，受AIS傳輸信道容量限制，會出現大量時隙重疊問題。涉及的政治問題也非常復雜，無線電傳送需使用全新頻譜的光譜，這就需要各國的監管機構達成統一認識。

6 結 語

通信網絡與互聯網絡合并以及全球網絡覆蓋是信息時代發展的大趨勢，提出浮空載具在海事領域的潛在應用具有前瞻性。通過分析平流層熱氣球和氣象氣球的動力定位原理，以及現有設備的應用經驗可得出，將浮空載具應用于海事領域具有很強的可操作性和現實性，可為海上通信、海事監測和海上搜救提供新的技術思路與建議。

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ApplicationofAerostatinMaritimeField

HUQinyou,ZHANGZhengru,LIUxia

(Merchant Marine College,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China)

Coastwise network services and maritime surveillance services are not commonly used in the fields of maritime communication and marine monitoring due to the complex and changeable environment where vessels operate. The reasons why maritime network services are not attractive include high charge; limited coverage, blind area, none realtime transmission of AIS and ineffectiveness in maritime search and rescue application. The aerostat with dynamic positioning is a promising concept to improve the services. The potential applications of aerostat in maritime field are discussed and the particular advantages of aerostat are analyzed on the basis of the experience in application of them. The new concept may bring aerostats into application in the maritime field.

waterway transportation; maritime network service; AIS service; Satellite AIS; aerostat; dynamic positioning

2014-04-03

上海市人才發展基金(201436)

胡勤友(1974—)，男，安徽舒城人，教授，博士，研究方向為海事智能信息處理。E-mail：qyhu@shmtu.edu.cn

1000-4653(2014)03-0090-05

U675.7

A