基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的漂流浮標(biāo)的研究

賈世耀 鄧 川 楊 祥

（交通運(yùn)輸部東海航海保障中心上海航標(biāo)處， 上海 201208）

1 研究背景

隨著浮標(biāo)技術(shù)、無(wú)線電導(dǎo)助航技術(shù)、航標(biāo)燈技術(shù)的不斷發(fā)展，我們可以利用新興的技術(shù)，研制一款小型應(yīng)急浮標(biāo)，外形上有易于發(fā)現(xiàn)，并且能夠支持落水人員漂浮，拋投進(jìn)入水里后能夠模擬人體隨洋流漂浮，現(xiàn)場(chǎng)搜救能夠快速實(shí)施。

中國(guó)自行研制生產(chǎn)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅具備在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)為用戶確定其所在的地理經(jīng)緯度和海拔高度的能力，而且在定位性能上有所創(chuàng)新。北斗系統(tǒng)與其他系統(tǒng)最大的不同，在于它不僅能使用戶知道自己的所在位置，還可以告訴別人自己的位置，特別適用于需要導(dǎo)航與移動(dòng)數(shù)據(jù)通信的場(chǎng)所。

結(jié)合北斗通信技術(shù)，將浮標(biāo)的位置傳輸至指定的指揮終端，使后臺(tái)管理人員能夠收到浮標(biāo)的當(dāng)前位置，并快速部署搜救工作；結(jié)合AIS通信技術(shù)，將浮標(biāo)位置廣播給附近的船舶，讓附近船舶能夠快速定位到遇險(xiǎn)人員位置，有針對(duì)性地展開(kāi)快速救援；結(jié)合航標(biāo)燈新型透鏡技術(shù)，讓搜救船舶、飛機(jī)在夜間也能快速定位到遇險(xiǎn)人員。

2 漂流浮標(biāo)研究?jī)?nèi)容

2.1 浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及表面顏色

漂流浮標(biāo)的主要功能是在遇到危險(xiǎn)或人員落水時(shí)，將其拋投入海中，模擬人隨洋流漂浮的路徑，縮小搜查范圍，方便海上搜尋、救援，因此浮標(biāo)的外形、重量等應(yīng)盡可能地接近人體參數(shù)。浮標(biāo)應(yīng)具有良好的密封性能及一定的漂浮能力，且在結(jié)構(gòu)上應(yīng)設(shè)計(jì)方便人員抓握的部位，一方面方便搬運(yùn)、拋投，另一方面在人員遇險(xiǎn)時(shí)可以快速抓住浮標(biāo)，保持漂浮，見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 浮標(biāo)外形圖

圖2 浮標(biāo)剖面圖

海上救援響應(yīng)最快的交通工具為直升機(jī)，飛機(jī)抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后將浮標(biāo)拋投入海中，即可開(kāi)始模擬人體隨洋流漂浮的路徑，高空拋投的浮標(biāo)在進(jìn)行自由落體進(jìn)入水里時(shí)，水與浮標(biāo)之間產(chǎn)生壓力對(duì)容易造成浮標(biāo)形變、破裂等，因此，浮標(biāo)主體材料應(yīng)當(dāng)具有良好的韌性，在浮標(biāo)接觸水面時(shí)能夠釋放自由落體產(chǎn)生的巨大能量；此外，應(yīng)當(dāng)盡可能地減輕浮標(biāo)的重量，以減輕浮標(biāo)自由落體產(chǎn)生的能量。

浮標(biāo)內(nèi)部搭載北斗與AIS設(shè)備，為確保北斗數(shù)據(jù)與AIS數(shù)據(jù)能夠順利傳輸，浮標(biāo)的標(biāo)體上應(yīng)盡可能減少金屬制品。漂流浮標(biāo)主要起應(yīng)急、救援作用，其表面顏色應(yīng)選擇鮮亮、明艷、易于發(fā)現(xiàn)的顏色，同時(shí)應(yīng)當(dāng)與常規(guī)的浮標(biāo)表面顏色有所區(qū)分。此浮標(biāo)可放置于船上便于拋投的位置，其表面應(yīng)當(dāng)具有良好的抗紫外線、抗UV、抗鹽霧腐蝕等海上惡劣環(huán)境的性能，即使長(zhǎng)時(shí)間不使用，其表面顏色、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都不能發(fā)生明顯變化。

2.2 航標(biāo)燈的射程、發(fā)散角度

航標(biāo)燈作為夜間現(xiàn)場(chǎng)搜尋指示燈，作用距離大于1 n mile（1.85 km）即可，但是為了使附近船舶和直升機(jī)都能觀察到浮標(biāo)，航標(biāo)燈發(fā)出的光束角度應(yīng)當(dāng)越大越好。考慮到漂流標(biāo)主要為應(yīng)急用，為確保緊急情況下航標(biāo)燈能夠正常啟動(dòng)，應(yīng)充分考慮燈器開(kāi)關(guān)的便捷性與智能性。

2.3 北斗與AIS通信模塊的工作

北斗通信模塊能夠?qū)⑵鞲?biāo)的位置信息傳輸?shù)酱d指揮終端，同時(shí)AIS設(shè)備能夠在5 n mile范圍內(nèi)被船載AIS設(shè)備識(shí)別。北斗與AIS均為高頻信號(hào)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮兩種信號(hào)在傳輸時(shí)互不干擾。與航標(biāo)燈相同，北斗及AIS通信部分的啟動(dòng)也應(yīng)當(dāng)具有便捷性與智能性。

2.4 供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

供電系統(tǒng)主要為航標(biāo)燈和北斗、AIS通信部分供電，一方面要確保在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)能夠支持設(shè)備運(yùn)行一定的時(shí)間，另一方面，漂流浮標(biāo)一般處于備用狀態(tài)，用電設(shè)備關(guān)閉，不耗電，電池的自耗電量應(yīng)盡可能降低。

浮標(biāo)內(nèi)部空間有限，并且重量也有一定的限制，因此，在電池的選型上應(yīng)當(dāng)選擇能量密度比較大的電池，既能保證電量充足，又能降低浮標(biāo)整體的重量。

3 漂流浮標(biāo)的設(shè)計(jì)方案

3.1 浮標(biāo)載體

3.1.1 浮標(biāo)結(jié)構(gòu)

為達(dá)到將浮標(biāo)拋投到水中的狀態(tài)盡可能與人體落水相同，又能確保浮標(biāo)的浮力的目的，將浮標(biāo)設(shè)計(jì)為水滴狀結(jié)構(gòu)并且在浮標(biāo)表面設(shè)計(jì)環(huán)形的把手，一方面方便運(yùn)輸、拋投，另一方面能夠讓遇險(xiǎn)人員能夠快速抓握浮標(biāo)，保持漂浮，一個(gè)浮標(biāo)上最多可供四人抓握保持漂浮。采用一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將航標(biāo)燈、北斗及AIS通信模塊、供電電池都安裝與浮標(biāo)內(nèi)部，并采用嚴(yán)格的密封措施，確保浮標(biāo)拋投后不進(jìn)水，保持漂浮。

3.1.2 浮標(biāo)材料

浮標(biāo)殼體采用線性低密度聚乙烯材料滾塑一體成型，內(nèi)部填充低吸水率的閉水型聚氨酯材料，整體結(jié)構(gòu)具有堅(jiān)固、耐磨、韌性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。浮標(biāo)主體材料均為非金屬材料，將北斗及AIS通信模塊安裝在浮標(biāo)內(nèi)部，信號(hào)也能正常發(fā)送。

3.1.3 浮標(biāo)表面的抗拉伸性能

浮標(biāo)從高空拋投入海里接觸到水面時(shí)，海水與浮標(biāo)表面會(huì)產(chǎn)生較大的壓力，浮標(biāo)表面除了需要有足夠的強(qiáng)度，還需要有適當(dāng)?shù)目估煨阅?，在海水與浮體接觸時(shí)能夠快速釋放能量，避免浮體表面產(chǎn)生嚴(yán)重變形、甚至是破裂的情況。

材料的抗拉伸性能進(jìn)行試驗(yàn)中，將試驗(yàn)溫度分別設(shè)計(jì)為常溫20℃，-10℃，-20℃，-40℃和-80℃5種溫度條件，采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試方法將試件裝卡于試驗(yàn)機(jī)，拉伸速度2 mm/min ，采用計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖3。

圖3 試件在拉斷前產(chǎn)生的形變

材料試驗(yàn)結(jié)果顯示，即使在低溫-80℃的條件下，線性低密度聚乙烯材料仍然具有非常好的延伸率，在破壞前會(huì)經(jīng)歷較大的變形。

表1 線性低密度聚乙烯材料參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1.4 浮標(biāo)表面顏色

漂流浮標(biāo)主要起應(yīng)急、救援作用，其表面顏色應(yīng)選擇鮮亮、明艷、易于發(fā)現(xiàn)的顏色，同時(shí)應(yīng)當(dāng)與常規(guī)的浮標(biāo)表面顏色有所區(qū)分。作為起應(yīng)急、救援作用的浮標(biāo)，顏色應(yīng)選用類似紅色或黃色的緊急報(bào)警類顏色，為區(qū)別與常規(guī)的助航航標(biāo)，此項(xiàng)目的浮標(biāo)表面顏色采用醒目、鮮亮的橘黃色。

此浮標(biāo)可放置于船上便于拋投的位置，長(zhǎng)期受到陽(yáng)光直射，線性低密度聚乙烯材料原色材料，材料本身自帶符合IALA標(biāo)準(zhǔn)的浮標(biāo)表面顏色相關(guān)規(guī)定，材料顏色具有熱穩(wěn)定性，加工后顏色依然能保持不變。此外，材料本身具有良好的耐腐蝕、耐老化性能，抗UV等級(jí)為VU20，經(jīng)過(guò)加速老化試驗(yàn)證明，浮標(biāo)模塊經(jīng)過(guò)10 a使用后，顏色仍符合IALA標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 航標(biāo)燈部分

航標(biāo)燈主要為夜間搜尋提供燈光指示，標(biāo)體內(nèi)置的北斗及AIS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)通知附近船舶與監(jiān)管人員浮標(biāo)當(dāng)前的實(shí)時(shí)位置，當(dāng)救援船舶或飛機(jī)抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，需要通過(guò)航標(biāo)燈快速搜尋到目標(biāo)。目前常規(guī)的航標(biāo)燈為了確保燈光射程，采用透鏡技術(shù)將燈光聚集到一定的角度發(fā)射，一般水平發(fā)散角可達(dá)到360°，《JT/T 761-2009航標(biāo)燈通用技術(shù)條件》中要求浮動(dòng)標(biāo)志航標(biāo)燈垂直發(fā)散角≥8°，目前常規(guī)航標(biāo)燈垂直發(fā)散角最大可達(dá)30°，但對(duì)于飛機(jī)搜救還是很難觀察到航標(biāo)燈燈光，因此，此項(xiàng)目采用一種新型的半球形擴(kuò)角透鏡（見(jiàn)圖4），使航標(biāo)燈180°半球面全向立體發(fā)光，讓搜尋的船舶、飛機(jī)都可快速觀察的目標(biāo)，見(jiàn)圖5。

圖4 漂流浮標(biāo)航標(biāo)燈

圖5 浮標(biāo)內(nèi)置燈器LED光路追擊圖及燈光 角度分布圖

3.3 北斗及AIS通信模塊

將北斗及AIS通信模塊集成到浮標(biāo)內(nèi)部，內(nèi)置的北斗通信設(shè)備將浮標(biāo)的位置信息傳輸至后臺(tái)服務(wù)器，讓管理人員了解航標(biāo)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)；內(nèi)置的AMRD設(shè)備將浮標(biāo)位置信息廣播給附近的船舶和基站，作用距離5 n mile，發(fā)射間隔10 min。

北斗通信的發(fā)射頻率1 615.68 MHz±4.08 MHz，AIS的發(fā)射頻率范圍156.025～162.025 MHz，頻率差別較大，基本上不會(huì)相互干擾，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)回傳的數(shù)據(jù)正常，見(jiàn)圖6。

圖6 實(shí)際測(cè)試AIS軌跡圖

3.4 供電系統(tǒng)

3.4.1 供電系統(tǒng)供電能力

供電系統(tǒng)主要為航標(biāo)燈和北斗、AIS通信部分供電，一方面要確保在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)能夠支持設(shè)備運(yùn)行一定的時(shí)間，另一方面，漂流浮標(biāo)一般處于備用狀態(tài)，用電設(shè)備關(guān)閉，不耗電，電池的自耗電量應(yīng)盡可能降低。浮標(biāo)內(nèi)部空間有限，并且重量也有一定的限制，因此，本項(xiàng)目供電采用能量密度比較大的一次性鋰電池，容量大、體積小、重量輕，對(duì)浮標(biāo)重心、干舷等運(yùn)行參數(shù)產(chǎn)生的影響很小。并且所采用的一次性鋰電池本身自耗電極低，長(zhǎng)時(shí)間存放也不用擔(dān)心電量降低的問(wèn)題。

技術(shù)參數(shù)輸入電壓 9～18V設(shè)備日耗電 2.5AH*12V北斗通信參數(shù)北斗通信時(shí)間間隔 10min n mile北斗定位精度 5m發(fā)射功率 5W發(fā)射頻率 1615.68MHz±4.08MHz發(fā)送數(shù)據(jù)類型 浮標(biāo)實(shí)時(shí)位置、工作電壓、電流AIS參數(shù)頻率范圍 156.025MHz～162.025MHz默認(rèn)信道 CH2087/AIS1(161.975MHz)發(fā)射功率 2W通信模式 FATDMA AIS消息類型 MSG 1發(fā)射時(shí)間間隔 10min發(fā)射數(shù)據(jù)類型 浮標(biāo)實(shí)時(shí)位置作用距離 5

電池單體標(biāo)稱電壓為3.6 V，容量為19 AH，經(jīng)過(guò)串并聯(lián)，給燈器供電的電池為3.6 V@57 AH，給北斗及AIS通信模塊供電電池容量為14.4 V@57 AH，對(duì)于用電設(shè)備的供電能力計(jì)算如下：

1）航標(biāo)燈：

①電池標(biāo)稱電壓3.6 V，容量57 AH

②燈器發(fā)光功率為0.5 W，日耗電量=0.5 W*14 H*50%=3.5 WH（按照每天亮燈14 h，占空比50%計(jì)算）

③電池可供燈器發(fā)光時(shí)長(zhǎng)= 57 AH *3.6 V÷3.5 WH≈58 d

2）北斗及AIS通信模塊：

①電池標(biāo)稱電壓14.4 V，容量57 AH

②設(shè)備的日耗電量為2.5 AH*12 V，日耗電量=2.5 AH*12=30 WH

③電池可供設(shè)備工作時(shí)長(zhǎng)=57 AH*14.4 V÷30 WH≈27 d

3.4.2 用電設(shè)備的啟動(dòng)

浮標(biāo)采用一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)部供電系統(tǒng)與用電設(shè)備已連接，浮標(biāo)平時(shí)處于備用狀態(tài)時(shí)，需要將用電設(shè)備關(guān)閉，因此在供電系統(tǒng)與用電設(shè)備之間需要增加開(kāi)關(guān)，目前設(shè)計(jì)了兩種開(kāi)關(guān)，一是磁控開(kāi)關(guān)，當(dāng)需要開(kāi)啟設(shè)備時(shí)，可以人工拔下磁控鑰匙，啟動(dòng)航標(biāo)燈、北斗及AIS模塊；另外一種是遇水開(kāi)關(guān)，漂流浮標(biāo)一般在緊急情況下啟動(dòng)，緊急情況時(shí)人員易疏忽，因此當(dāng)燈器拋投進(jìn)入水里時(shí)，燈器、北斗及AIS設(shè)備也能自動(dòng)開(kāi)啟。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的漂流浮標(biāo)體積小、易于布放，配置準(zhǔn)確、可靠的定位設(shè)備，滿足國(guó)家對(duì)海區(qū)數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)男枰捎玫墓╇娤到y(tǒng)最大限度地延長(zhǎng)了浮標(biāo)在海上漂流工作時(shí)間，這對(duì)漂流浮標(biāo)來(lái)說(shuō)十分重要。采用我國(guó)自主研發(fā)的北斗通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高效傳輸?shù)耐瑫r(shí)使數(shù)據(jù)安全性得到保證。通過(guò)對(duì)海域浮標(biāo)長(zhǎng)時(shí)間定位信息分析及多站點(diǎn)的漂流路徑跟蹤可以得到真實(shí)洋流走向，對(duì)于深遠(yuǎn)海域反演旋渦信息數(shù)據(jù)以及海上救援也具有重要的意義。