一種海上浮標陣精確點位布放方法?

朱元林 徐國貴

（91388部隊94分隊 湛江 524022）

1 引言

在利用浮標陣裝載水聲采集設備對水下目標進行定位，以及對水下運動目標軌跡跟蹤測量時，需要測量設備自身的位置能夠精確。在湖上或是其他內陸水域，布放過程簡單，不需要考慮較大的水流影響，水中只拋入一定的重物，確保不隨風漂移即可。然而在復雜的海域進行大范圍的定位、跟蹤目標，浮標陣的布放變得較為復雜。

海上實施浮標陣的布放時，為了能夠固定，需要布放鐵錨錨住浮標，構成浮標錨泊系統。該系統在波浪以及海流等環境條件作用下，其動力響應和錨泊線的載荷確定是一個較復雜的力學問題［1］。

文中根據單點系泊海洋浮標動力的相關分析以及錨系設計，結合浮標本身特性和實際中布放的經驗，總結出海上浮標陣布放方法，并通過海上驗證，證明了該方法的科學可靠性。

2 浮標錨泊系統受力理論計算

浮標錨泊系統懸浮在海面上的部分，受波浪和風力較大，在海水下面部分受海流作用大，兩者之間又彼此相互作用。并且，由于海域的不同，波浪、海流相差很大。南海西邊界流最大流速范圍為30cm/s～67cm/s［2］，一般南海流速小于 2kn（1m/s），而在渤海海域一般大于2kn。

下面給出單點系泊系統系泊力F理論計算公式［3～5］：

式中：Fw、FC為風力、水流力引起的船舶系泊力；vw、vc為風速、水流速度（m/s）；A為縱向上受風面積。Fdc為動水壓力，即形體阻力，又稱繞流力（kN）；Fsc為水流摩擦力，即摩擦阻力（kN）；kw為風引起的船舶偏蕩運動時體形增大系數或稱風偏蕩系數；kc為流引起的船舶偏蕩運動時體形增大系數或稱流偏蕩系數；kd為計算船體水下正投影面積時的船體流線折減系數，kd=0.6；kl為與船長有關的系數，偏于安全取 kl=0.01；Ad為船舶水下部分縱向投影面積（m2）；S為船舶浸水面積（m2）。

一般浮標是桿狀，其所受的風力、波浪作用力相對水流力小［6］，故而可以省略，只考慮水流力。浮標與錨的連接采用的是尼龍繩，省卻了錨鏈的沉重。

3 錨重與沉塊的計算

錨重的選擇，是由錨的系留力與浮標錨泊系統受力決定的。錨的系留力是錨的抓力與錨鏈的摩擦力之和［7］，實際中沒有必要使用錨鏈，多采用尼龍繩，故而錨鏈與海底底質的摩擦力不計入。錨的抓力P=Waλ，Wa是錨在水中的重力（乘以9.8N/kg），錨在水中的質量為本身質量乘以0.876，λ是抓力系數。

抓力系數由錨型、海底底質、錨的抓底姿態、水深決定的［8］。小船和帆船使用的錨一般是海軍錨。海軍錨是一種有桿錨，錨桿和錨爪為一整體，錨爪固定不動。錨桿上有一固定的橫桿，橫桿與錨爪平面互相垂直。這種錨結構簡單、抓重比大（錨產生的抓力與錨重之比），一般為4～8［9］。日式錨有雙爪，在錨冠處有橫桿，可以阻止錨爪的傾翻，具有穩定的作用。它是日本漁船經常用的一種錨型。

浮標錨泊系統一般采用小船用錨，比如海軍錨。海軍錨的抓力系數4～8，取值4作為選擇錨重的依據。

錨的抓力是在較理想情況下的值，實際錨的抓底姿態也是關鍵因素。一般船用錨，會采用錨鏈，錨鏈長于海深，在海底是拖底姿態，而試驗用的是尼龍繩，為了確保錨抓底是水平，需要在離錨一定距離處（2m～3m即可），在錨繩上加沉塊。沉塊重量的選擇與錨繩的繞流力有關，其受力分析如圖1。錨繩牽引力與重力反方向的夾角，由錨繩的長和水深決定。

圖1 沉塊受力分析

4 布放方法

4.1 布放前準備

水聲數據采集設備的處理。浮標上好水聲數據采集設備，在其下端綁上負重（沉塊），目的在于保證設備豎直在海水中；沉塊的重量依據浮標的浮力決定。

浮標的處理。浮標重心兩側，系上一根繩的兩端，便于起吊。提起繩的中部，此時繩與浮標構成一個三角型，那段繩簡稱三角繩。三角繩的高度，取決于船舷的高度。在起吊的時候，能夠用手拉緊三角繩，而浮標依舊躺于水中，三角繩的長度以此標準為宜。若布放的船只有起吊設備，可以借助該設備，此時三角繩的高度不能過高，而達到起吊高度的極限。

錨繩長度選擇。錨繩長度的選取，取決于浮標布放點精度的要求，和是否能提供足夠錨的抓力。水深在50m內的，可以使用2～4倍的繩體。較深水，可以采用低倍數繩，但要確保錨的抓力能夠錨住浮標。錨繩在鐵錨一端綁上沉塊，另一端通過浮球系于三角繩，綁上浮球的作用在于讓浮標在布放點自由狀態漂浮。

4.2 布放

海上的布放，因為海況較湖水惡劣，布放船只平穩性低，布放過程時刻需要注意人身安全。

拋下浮標和采集設備。確定浮標偏離錨的大概距離L（L與海深、錨繩長構成直角三角形），在布放船接近錨點L距離時，可將浮標連同水聲采集設備先布放下去。采集設備一般是較長的電纜，需要先布放于海中，留一定的空余長度，立即將浮標（和浮球）布放下去，同時釋放水聲采集設備和浮標。

拋下錨與沉塊。船行到錨點（布放點）時，將錨和沉塊布放下去，這時連接錨和浮標的繩子，會隨錨的下沉和浮標的漂浮拉動，浮標的漂浮力拉動小，錨的下沉拉速快。錨的位置確定，浮標會隨錨的錨定而回到布放點附近。

圖2 浮標布放示意圖

圖3 浮標錨泊姿態示意圖

5 海上驗證

浮標陣布放方法的驗證是在南海海域進行，選用的錨繩直徑0.008m，水深100m，錨繩取1.5倍長，水聽器電纜長50m，直徑0.02m。南海海域水流速小于2kn（約為1m/s）。

圖4 浮標布放圖

錨繩受的繞流力Fdc=0.246kN，水聽器電纜的繞流力Fdc=0.31kN，浮標錨泊系統受力為556N。選擇錨時，取錨的抓力為浮標錨泊系統受力1.2倍，錨抓力為667N，可以計算出錨的重量約為20kg。依據錨繩的繞流力和系統受力分析，可以計算出鐵錨處沉塊的重量為12kg。

按照布放前的準備，以及布放的方法進行海上作業。整個過程，布放實施效率高，浮標姿態好，浮標陣位置精確，并未出現走錨現象，說明了這種布放方法的可靠性。

6 結語

海上浮標陣精確點位布放方法，由單點系泊海洋浮標動力理論，粗略計算浮標陣所需要的錨繩長、錨重、沉塊重等錨泊參數；根據浮標自由漂泊及實際情況需要，確定了浮標的系法；聲學采集設備在海水中受流影響大，考慮測陣精度的要求，在其下端加入沉塊，確保豎直。布放中，根據浮標海面漂泊位置偏離布放點的這段距離，采用了在航行接近布放點該距離時，提前布放浮標，縮短了布放時間。該方法理論計算與實際操作經驗相結合，并通過海上驗證說明了方法的科學與高效，為相關領域提供了布放實施的思路和依據。