基于北斗衛(wèi)星的海上浮標(biāo)應(yīng)用研究

張熙恒 于建軍

摘?要：本文設(shè)計(jì)研究了一種海洋浮標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過基于北斗衛(wèi)星的海上浮標(biāo)系統(tǒng)可以有效解決海上施工難度大，受天氣及海上風(fēng)浪影響大，缺少有效參照物等缺點(diǎn)，可以極大降低海上施工難度，減小遠(yuǎn)海施工危險(xiǎn)性，提高海上施工精度與效率。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星通信;海洋浮標(biāo);監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1?應(yīng)用背景

隨著我國(guó)科技進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷完善，海上施工頻率不斷增多，例如杭州灣跨海大橋工程，舟山連島工程，港珠澳跨海大橋工程……不同于陸上施工，海上施工具有難度大，受天氣及海上風(fēng)浪影響大，缺少有效參照物等缺點(diǎn)。作為一種新興的現(xiàn)代化海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)，海洋浮標(biāo)逐步受到各海洋國(guó)家的重視和利用，與其他監(jiān)測(cè)手段或工程載體相比，海洋浮標(biāo)可以承受惡劣的海洋環(huán)境，并且浮標(biāo)具有較長(zhǎng)工作壽命，海洋浮標(biāo)可對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)、連續(xù)、長(zhǎng)期的同步監(jiān)測(cè)[1]。它作為離岸監(jiān)測(cè)的重要工具，能夠與調(diào)查船、調(diào)查飛機(jī)和海洋觀測(cè)站一起，進(jìn)行全面綜合的監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境各個(gè)要素，具有比較直觀、簡(jiǎn)便和經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。作為我國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)其保密性強(qiáng)，更加安全有保障的特點(diǎn)，使其在我國(guó)海洋浮標(biāo)的定位、通信中發(fā)揮了重要作用[2]。本文研究的海洋浮標(biāo)系統(tǒng)，提高了其獲取數(shù)據(jù)的自動(dòng)化程度及精度、延長(zhǎng)了其工作時(shí)間，并結(jié)合北斗衛(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)已經(jīng)完全覆蓋我國(guó)領(lǐng)海，精度更高，與當(dāng)前已有的各種小型海洋浮標(biāo)相比，具有更大優(yōu)勢(shì)，希望本方案能為我國(guó)海上工程提供一定的參考和幫助[1]。

2?系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)研究

2.1?總體框架設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案由海上浮標(biāo)與岸/艦控制臺(tái)組成，海上浮標(biāo)負(fù)責(zé)測(cè)量和數(shù)據(jù)發(fā)送，利用北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的短報(bào)文通信功能實(shí)現(xiàn)岸/艦控制臺(tái)與海上浮標(biāo)之間的數(shù)字通信。海上浮標(biāo)用于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)的水文件、自身工作狀態(tài)、能源消耗及故障等情況的數(shù)據(jù)，通過衛(wèi)星通信信道將已經(jīng)編碼的數(shù)據(jù)發(fā)送至岸/艦控制臺(tái)，并可解碼監(jiān)控中心的指令，從而實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)程控制掌握目標(biāo)用戶臺(tái)的工作狀態(tài)[2]，同時(shí)還可對(duì)海上浮標(biāo)監(jiān)控區(qū)域入侵船只進(jìn)行告警，系統(tǒng)框圖如下圖所示。

系統(tǒng)框圖

海上浮標(biāo)上由電力系統(tǒng)（海浪發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電裝置等），動(dòng)力系統(tǒng)（陀螺儀，電動(dòng)機(jī)，小型動(dòng)力裝置等），告警系統(tǒng)（毫米波雷達(dá)等），水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及北斗終端五個(gè)子系統(tǒng)組成。主要通過海浪發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電裝置對(duì)整套系統(tǒng)供電，蓄電池負(fù)責(zé)應(yīng)急情況下供電。動(dòng)力系統(tǒng)用于固定浮標(biāo)位置，避免被海浪沖走。

2.2?系統(tǒng)功能分析

（1）參照物功能。海上施工過程中，受風(fēng)浪影響，施工目標(biāo)及船只難免會(huì)偏移，并且在缺乏參照物的情況下難以發(fā)現(xiàn)，容易造成一定施工上的偏差。因此，施工過程中，需要可靠方便的參照物。海上浮標(biāo)依靠自身動(dòng)力系統(tǒng)，陀螺儀等，配合北斗定位系統(tǒng)，可固定在海上某一位置，與其他海上浮標(biāo)一起在多個(gè)方向?yàn)槭┕ぬ峁┯行Э煽繀⒄瘴铮瑴p小各種不必要的損失。

（2）告警，驅(qū)離無關(guān)船只。海上施工，如修建跨海大橋等，在繁忙航道上，船只來往頻繁，不利于施工。由于毫米波雷達(dá)具有空間分辨率高，具有成像能力，穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng)，由毫米波雷達(dá)負(fù)責(zé)探測(cè)浮標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域是否有進(jìn)入未知艦船，并進(jìn)行識(shí)別，對(duì)陌生船只通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的短報(bào)文通信功能，實(shí)現(xiàn)及時(shí)的告警[3]。

（3）水文監(jiān)測(cè)。海上施工受施工區(qū)域水深、波高、洋流表面流速、海面風(fēng)速、潮差等影響大，施工器具大多布置在海洋工程船上，在高海況下，不僅無法施工，損失財(cái)產(chǎn)，甚至還會(huì)危及生命。通過水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)施工區(qū)域水文及氣象進(jìn)行監(jiān)控、預(yù)測(cè)，在3G/4G網(wǎng)絡(luò)不能夠有效的覆蓋遠(yuǎn)海區(qū)域，結(jié)合北斗衛(wèi)星系統(tǒng)短報(bào)文功能，使施工方及時(shí)獲取水文及氣象信息，有效減小海上施工難度及危險(xiǎn)性。

3?海上浮標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)用

3.1?浮標(biāo)布放

在施工開始前，岸/艦控制臺(tái)配備電子海圖，確定施工海域，由船舶或直升機(jī)將多組海上浮標(biāo)布放在固定位置，確定施工海區(qū)邊界，并由操作者在岸/艦控制臺(tái)上錄入浮標(biāo)固定位置經(jīng)緯度，指揮機(jī)和監(jiān)控平臺(tái)相連接，可在電子海圖上將各個(gè)浮標(biāo)的實(shí)時(shí)位置顯示出來，由海浪發(fā)電和蓄電池驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)能夠讓浮標(biāo)保持在固定位置。

3.2?施工海區(qū)船舶告警

浮標(biāo)布放后，操作者可在岸/艦控制臺(tái)上錄入施工船舶多角度圖像及應(yīng)答信息，確定浮標(biāo)告警安全距離。毫米波雷達(dá)在探測(cè)到船舶后，會(huì)將船舶成像傳輸?shù)礁婢到y(tǒng)終端，成像與已輸入施工船舶圖像進(jìn)行比對(duì)，如果二者相似度過低，則浮標(biāo)對(duì)侵入船舶進(jìn)行告警，并將侵入船舶成像發(fā)送到岸/艦控制臺(tái)。

3.3?施工海區(qū)水文監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)

水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器采集施工海區(qū)剖面流速，水溫，氣溫，風(fēng)速，降雨、浪高、鹽度等數(shù)據(jù)，按照設(shè)定的短報(bào)文方式，通過北斗嵌入式終端將數(shù)據(jù)發(fā)送至北斗空間衛(wèi)星，再通過北斗衛(wèi)星，轉(zhuǎn)發(fā)到北斗地面站，同時(shí)其將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給岸/艦控制臺(tái)上北斗指揮型終端[3]。岸/艦控制臺(tái)根據(jù)數(shù)據(jù)絕對(duì)誤差訂正方法對(duì)水文、氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差訂正，最終得到的數(shù)據(jù)可基本確定為施工海區(qū)海況水文，氣象數(shù)據(jù)，從而使操作者得到施工海區(qū)實(shí)時(shí)海況及未來海況預(yù)報(bào)。

4?結(jié)語(yǔ)與展望

本設(shè)計(jì)方案與北斗衛(wèi)星定位通信系統(tǒng)等高新技術(shù)結(jié)合，具有精度高、時(shí)效性強(qiáng)、安全性好、保密、適合在海上作業(yè)等特點(diǎn)。基于北斗衛(wèi)星的海上浮標(biāo)的應(yīng)用，為海上施工提供參照物與實(shí)時(shí)水文數(shù)據(jù)，驅(qū)離無關(guān)船舶，能夠大大降低海上施工難度，減小遠(yuǎn)海施工危險(xiǎn)性，提高海上施工精度與效率，在海上施工方面可以發(fā)揮有效作用，具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴洪磊，牟乃夏，王春玉，田茂義.我國(guó)海洋浮標(biāo)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì).山東科技大學(xué)測(cè)繪工程學(xué)院，2014.6.

[2]白帆.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在海上艦船實(shí)時(shí)定位中的應(yīng)用.艦船電子工程，2018.02.013.

[3]鄭世良.車載毫米波雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)研究.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.06.01.

作者簡(jiǎn)介：張熙恒，吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院學(xué)生。