基于北斗卫星的海上浮标应用研究

北斗水文监测方案随着人类社会的发展和自然资源的日益紧缺，对水资源的合理管理和保护变得尤为重要。

水文监测是一种关键的手段，能够帮助我们准确了解水文情况，提供科学依据，以确保水资源的可持续利用。

而北斗导航系统的应用为水文监测提供了全新的可能性。

本文将介绍北斗导航系统在水文监测中的应用方案以及优势。

一、北斗导航系统简介北斗导航系统是中国自主研发的全球卫星导航系统，其具有高精度、高可用性的特点。

北斗系统由一组卫星、地面控制系统和用户终端组成，能够为用户提供三维定位、速度测量、时间服务等功能。

北斗导航系统的全球覆盖以及稳定可靠的性能，为水文监测提供了可靠的技术支持。

二、北斗导航系统在水文监测中的应用方案1. 水位监测北斗导航系统可以通过卫星定位技术，实时获取河流、湖泊等水体的水位信息。

监测站点安装北斗终端设备，通过与北斗卫星的通信，可以实时记录并传输水位数据。

这种方式相比传统的人工测量更为高效和准确，能够提供实时、连续的水位数据，有助于对水位变化进行精确监测，并为防洪、调度等工作提供数据支持。

2. 降雨监测北斗导航系统还可以应用于降雨监测。

通过在降雨监测站点安装北斗终端设备，可以实时获取降雨量数据。

北斗卫星与终端设备之间的通信，能够提供高精度的降雨数据，进而为水文预报、水资源管理等提供科学依据。

3. 土壤湿度监测土壤湿度是水文监测的重要指标之一。

北斗导航系统可以通过与土壤湿度监测设备的配合，实时获取土壤湿度数据。

终端设备将数据通过北斗卫星传输至地面，再进行数据分析和应用。

这种方式不仅能够提供准确的土壤湿度数据，还可以实现对土壤湿度的实时监测和远程调控。

三、北斗导航系统在水文监测中的优势1. 全球覆盖北斗导航系统具有全球覆盖的优势，可以为各地区的水文监测提供服务。

无论是在城市还是偏远乡村，都可以通过北斗导航系统实现水文数据的实时获取和传输。

2. 高精度定位北斗系统具有高精度定位和测量能力，能够提供准确的水文数据。

基于北斗卫星导航系统短报文服务的水上安全通信随着我国海洋经济的不断发展和海上活动的增加，水上安全问题日益凸显。

海事安全通信是保障海上航行安全的重要手段之一，而北斗卫星导航系统短报文服务，在提供精准定位和导航服务的也为水上安全通信提供了新的可能。

本文将围绕基于北斗卫星导航系统短报文服务的水上安全通信展开讨论，分析其在水上安全领域的应用前景和意义。

一、北斗卫星导航系统短报文服务概述北斗卫星导航系统是我国自主研发的卫星导航系统，具有全球覆盖、高精度、高可靠性等特点。

北斗系统提供了多种服务，其中包括短报文服务。

短报文服务是指用户可以通过北斗系统向指定的接收方发送简短的文字信息，实现点对点的通信功能。

这一功能为水上安全通信提供了新的工具和技术支持。

1. 通信方式多样化基于北斗短报文服务的水上安全通信可以实现多样化的通信方式。

不仅可以通过文字信息进行通信，还可以传输图片、语音等多媒体信息。

这样的多样化通信方式可以更全面地传递信息，提高信息传输效率，有利于及时准确地传递紧急情况或指令。

2. 紧急求救功能北斗短报文服务可以实现紧急求救功能，当水上突发情况发生时，船舶或水手可以通过北斗系统发送求救信息，接收方可以及时获知相关信息并采取救援行动。

这一功能对于提高水上安全的应急响应能力具有重要意义。

3. 航行监控管理基于北斗短报文服务的水上安全通信还可以实现航行监控和管理功能。

船舶可以通过北斗系统发送航行计划、位置信息、航行轨迹等数据，相关管理部门可以实时监控船舶的航行情况，提高海上交通管理的精度和效率，预防事故的发生。

4. 信息交流协作水上安全通信不仅仅是信息的传递，更重要的是信息之间的交流与协作。

基于北斗短报文服务的水上安全通信可以实现信息之间的交互，促进不同船舶、海事管理部门、救援机构之间的合作协调，共同应对水上安全事故和突发事件。

1. 提高水上安全水平基于北斗短报文服务的水上安全通信可以提高水上交通的管理水平，降低事故的发生风险，提高海上安全水平。

《基于SINS-北斗的组合导航技术研究》篇一基于SINS-北斗的组合导航技术研究一、引言随着科技的不断进步，导航技术在军事、航空、航海、自动驾驶等领域得到了广泛的应用。

惯性导航系统（SINS）以其独立自主的导航特性被广泛应用，然而，单一的惯性导航系统在长时间内存在累积误差的问题。

而北斗卫星导航系统作为我国自主研发的全球卫星导航系统，具有定位精度高、可靠性强的特点。

因此，将SINS与北斗卫星导航系统进行组合，形成SINS/北斗组合导航系统，可以有效地提高导航的精度和可靠性。

本文将基于SINS/北斗的组合导航技术进行研究，探讨其原理、实现方法以及应用前景。

二、SINS/北斗组合导航技术原理SINS/北斗组合导航技术是将惯性导航系统和北斗卫星导航系统进行有机融合，利用两种系统的优势互补，提高导航的精度和可靠性。

SINS通过测量载体的加速度和角速度，进行积分运算得到载体的姿态、速度和位置信息。

而北斗卫星导航系统通过接收卫星信号，进行定位、测速和授时。

将两者进行组合，可以有效地抑制SINS的累积误差，提高导航的精度和稳定性。

三、实现方法SINS/北斗组合导航技术的实现主要涉及两个方面：硬件设计和软件算法。

硬件设计方面，需要设计合理的惯性测量单元（IMU），包括陀螺仪、加速度计等传感器，以及与北斗卫星接收机进行数据交互的接口电路。

同时，为了保证系统的稳定性和可靠性，还需要对硬件进行抗干扰设计、电磁兼容性设计等。

软件算法方面，主要包括数据预处理、SINS算法、北斗定位算法以及组合导航算法等。

数据预处理主要是对传感器数据进行滤波、标定等处理，以消除噪声和误差。

SINS算法和北斗定位算法分别用于实现惯性导航和卫星导航。

而组合导航算法则是将两种系统的数据进行融合，以实现优势互补。

四、应用前景SINS/北斗组合导航技术具有广泛的应用前景。

在军事领域，可以用于战场态势感知、导弹制导等。

在民用领域，可以用于无人驾驶、智能机器人、航空航天等领域。

基于北斗卫星信号反演大气可降水量及应用研究基于北斗卫星信号反演大气可降水量及应用研究摘要：大气可降水量是评估地球水循环和水资源管理的重要指标之一。

本文基于北斗卫星信号，通过反演技术研究了大气可降水量的估算方法，并分析了其在气象预报、水资源管理等领域的应用潜力。

研究表明，基于北斗卫星信号反演的大气可降水量估算方法具有较高的精度和实时性，可以为气象预报、防灾减灾等提供重要的支持。

然而，尽管在实际应用中仍面临一些挑战和难题，但基于北斗卫星信号反演大气可降水量的研究前景广阔，为改善水资源管理和气象预报提供了新的思路和方法。

1. 引言大气可降水量是指在特定地区和特定时间内大气中的水分可以以降水形式从大气中落下的总量，是地球水循环的重要组成部分。

精确估算大气可降水量对气象预报、水资源管理、农业生产等具有重要意义。

2. 北斗卫星信号北斗卫星是我国自主研发的全球卫星导航系统，具有全球覆盖、高精度、实时性等特点。

北斗卫星通过卫星间的信号传输以及地面测控系统的信号处理，可以提供高精度的导航、定位和测量服务。

3. 大气可降水量估算方法基于北斗卫星信号的大气可降水量估算方法主要通过反演大气掩星（Atmospheric Occultation）数据来实现。

掩星数据是指卫星在通过大气层时接收到的信号信息，在测量路径上可以获取到大气的温度、湿度等参数，从而推算出大气中的水分含量和可降水量。

4. 大气可降水量估算技术大气可降水量估算技术主要包括频率偏移法、全局最小二乘法和窄带预处理法等。

这些技术都是基于对大气掩星数据的数学模型和算法进行反演计算，从而得出大气可降水量的估计结果。

5. 应用案例分析5.1 气象预报大气可降水量是气象预报中的重要参考指标之一。

基于北斗卫星信号反演的大气可降水量估算方法可以为气象预报模型提供更准确的初始场数据，从而提高气象预报的准确性和实时性。

5.2 水资源管理大气可降水量的估算对于水资源管理具有重要意义。

gnss 浮标法（最新版）目录1.GNSS 浮标法的概述2.GNSS 浮标法的工作原理3.GNSS 浮标法的应用领域4.GNSS 浮标法的优缺点正文【1.GNSS 浮标法的概述】GNSS 浮标法是一种利用全球导航卫星系统 (Global Navigation Satellite System, GNSS) 进行海洋观测的技术。

它通过在浮标上安装GNSS 接收机，接收卫星信号，实现对浮标位置、速度、加速度等海洋参数的实时监测。

这种方法具有精度高、可靠性好、成本低等优点，被广泛应用于海洋科学研究、海洋环境监测等领域。

【2.GNSS 浮标法的工作原理】GNSS 浮标法的工作原理主要基于 GNSS 系统的卫星信号。

GNSS 系统由多颗卫星组成，卫星向地面发射信号，接收器接收到至少三颗卫星的信号后，可以计算出自身的位置信息。

GNSS 浮标法将接收机安装在浮标上，通过接收卫星信号，实现对浮标的精确定位。

同时，浮标还配备了各种传感器，如温度传感器、盐度传感器等，可以对海洋环境参数进行实时监测。

【3.GNSS 浮标法的应用领域】GNSS 浮标法在多个领域都有广泛应用，包括但不限于以下几个领域：(1) 海洋科学研究：通过 GNSS 浮标法，科学家可以实时监测海洋表层和深层的流速、流向等参数，为研究海洋环流、海洋生态系统等提供数据支持。

(2) 海洋环境监测：利用 GNSS 浮标法，可以实时监测海洋表层温度、盐度等环境参数，有助于了解海洋气候变化、海冰融化等情况。

(3) 海洋灾害预警：通过 GNSS 浮标法，可以实时监测海啸、风暴潮等海洋灾害的动态信息，为灾害预警和防范提供数据支持。

【4.GNSS 浮标法的优缺点】GNSS 浮标法具有以下优缺点：(1) 优点：- 精度高：GNSS 浮标法利用卫星信号进行定位，精度可以达到厘米级别。

- 可靠性好：GNSS 浮标法不受天气、海况等环境因素影响，具有较高的稳定性。

- 成本低：相较于传统海洋观测方法，GNSS 浮标法的设备成本和维护成本较低。

信息技术在海洋工程中的应用研究海洋，占据着地球表面的约71%，蕴含着丰富的资源和巨大的潜力。

随着人类对海洋探索和开发的不断深入，海洋工程逐渐成为一个重要的领域。

而信息技术的飞速发展，为海洋工程带来了前所未有的机遇和变革。

信息技术在海洋工程中的应用，首先体现在海洋数据的采集和监测方面。

通过卫星遥感技术、浮标监测系统、水下传感器网络等手段，能够实时获取海洋的温度、盐度、海流、波浪等多种物理参数，以及海洋生态环境、海洋地质等方面的信息。

这些数据对于海洋资源的评估、海洋灾害的预警、海洋生态系统的保护等都具有重要意义。

例如，卫星遥感技术可以大范围、快速地获取海洋表面的信息，如海面温度、叶绿素浓度等。

这些数据有助于了解海洋的热力结构和生态状况，为渔业资源的管理和海洋环境保护提供依据。

浮标监测系统则可以长期、定点地监测特定海域的物理和化学参数，为海洋科学研究和工程应用提供连续的数据支持。

水下传感器网络能够实时监测水下环境的变化，对于海底管道的安全监测、海洋平台的基础稳定性评估等发挥着关键作用。

在海洋工程的设计和规划阶段，信息技术同样发挥着重要作用。

计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助工程（CAE）软件的应用，使得海洋工程结构的设计更加精确和高效。

通过建立三维模型，可以对海洋平台、船舶、海底管道等结构进行力学分析、流体动力学分析和疲劳分析等，从而优化结构设计，提高工程的安全性和可靠性。

此外，地理信息系统（GIS）技术可以将海洋地理信息与工程设计数据相结合，为海洋工程的选址、航线规划等提供直观的决策支持。

例如，在规划海底电缆铺设路线时，利用 GIS 技术可以综合考虑海底地形、地质条件、海洋生态保护区等因素，选择最优的铺设路径，降低工程成本和环境风险。

信息技术还在海洋工程的施工和运营管理中扮演着重要角色。

在施工过程中，全球定位系统（GPS）和北斗导航系统可以实现对施工船舶和设备的高精度定位和导航，确保施工的准确性和安全性。

国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用①李 清1,陆 海2,韩 睿1,王建军2(1.上海外高桥造船海洋工程有限公司,上海 201306;2.同济大学国家海底科学观测系统项目办公室,上海 201306)摘要 国家海底科学观测网是经国家发改委批准的重大科技基础设施建设项目,旨在全方位㊁多领域㊁立体观测海洋㊂与业务化运行的浮标网不同,海底科学观测网对浮标平台的数据采集和控制系统㊁水声通信㊁系统的防护和国产仪器实验平台等方面提出了新的更高的要求㊂针对这些科学目标的工程实现,探讨对现有浮标的改进和功能增删以满足整个海底观测网的需求㊂关键词 国家海底科学观测网;海洋资料浮标;数据采集和控制系统;水声通信中图分类号:P 714 文献标志码:A 文章编号:20957297(2023)011907d o i :10.12087/oe e t .2095-7297.2023.02.19D e s i g n o f C h i n a N a t i o n a l S c i e n t i f i c S e a f l o o r O b s e r v a t o r y B u o y Pl a t f o r m L I Q i n g 1,L U H a i 2,H A N R u i 1,WA N G J i a n ju n 2(1.S h a n g h a i W a i g a o q i a o S h i p b u i l d i n g &O f f s h o r e C o .,L t d .,S h a n gh a i 201306,C h i n a ;2.P r o j e c t M a n a g e m e n t O f f i c e o f C h i n a N a t i o n a l S c i e n t i f i c S e a fl o o r O b s e r v a t o r y ,T o n g j i U n i v e r s i t y ,S h a n gh a i 201306,C h i n a )A b s t r a c t C h i n a N a t i o n a l S c i e n t i f i c S e a f l o o r O b s e r v a t o r y (C N S S O )i s a m a j o r s c i e n c e a n d t e c h n o l o g yi n f r a s t r u c t u r e p r o j e c t a p p r o v e d b y t h e N a t i o n a l D e v e l o pm e n t a n d R e f o r m C o m m i s s i o n (N D R C ),w h i c h a i m s t o o b s e r v e t h e o c e a n f r o m v a r i o u s a s p e c t s a n d f i e l d s .U n l i k e t h e b u o y n e t w o r k o p e r a t e d b y t h e g o v e r n m e n t ,C N S S O r e qu i r e s s m a r t d a t a a c q u i s i t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m ,u n d e r w a t e r a c o u s t i c c o m m u n i c a t i o n ,s ys t e m p r o t e c t i o n a n d d o m e s t i c i n s t r u m e n t e x p e r i m e n t p l a t f o r m.I n r e s p o n s e t o t h e r e a l i z a t i o n o f t h e s e s c i e n t i f i c g o a l s ,i m pr o v e m e n t s n e e d s t o b e m a d e f o r t h e b u o y p l a t f o r m t o m e e t t h e r e qu i r e m e n t o f C N S S O .K e y wo r d s C N S S O ;b u o y ;d a t a a c q u i s i t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m ;u n d e r w a t e r a c o u s t i c c o m m u n i c a t i o n 0 引 言长期以来,人们对于海洋观测的认识局限于岸边和表层,对于海洋内部的认识比较少㊂而随着科学研究的需要和工程技术的进步,众多国家开始建立第三代海洋观测平台海底科学观测网㊂相比于调查船测量和卫星遥感,海底科学观测网可以深入海洋内部,提供定点㊁长期㊁连续的观测数据,有助于更加深入理解海洋随时间的变化[1]㊂在海底科学观测网中,浮标观测平台能够获取海气界面的科学数据,包括大气数据和近海面水体参数,是观测网系统的重要组成部分㊂本文将从浮标平台的发展现状㊁海底观测网的功能需求分析㊁平台设计探讨㊁柴发太阳能混合能源系统4个部分来阐述㊂1 浮标观测平台的发展现状根据功能的不同,浮标观测平台可以包括浮标①基金项目:同济大学国家海底科学观测系统㊂作者简介:李清(1980 ),男,大学本科,高级工程师,主要从事船舶与海洋工程装备制造生产管理方面的研究㊂E -m a i l:l i q i n g@c h i n a s w s .c o m ㊂第10卷 第2期2023年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E Q U I P M E N T A N D T E C H N O L O G YV o l .10,N o .2J u n .,2023㊃120㊃海洋工程装备与技术第10卷体㊁锚系㊁传感器系统㊁数据采集和控制系统㊁能源管理系统和通信系统㊂1.1浮标体浮标体是整个平台的载体,可以为系统提供足够的浮力,与锚系共同确保整个平台在海洋环境中的稳定工作㊂按照结构类型划分,浮标体可以分为圆盘型㊁船型和柱型等结构㊂其中,应用最广泛的㊁历史最悠久的是圆盘型浮标㊂圆盘型浮标通常按照直径分为大型㊁中型和小型3种类型㊂国外的浮标平台使用源于20世纪60年代,当时多采用12m 直径和10m直径的大型浮标[2]㊂随着材料技术的进步,美国的国家数据浮标中心(N a t i o n a l D a t a B u o y C e n t e r,N D B C)逐渐发展出了直径3m的标准浮标,成为美国浮标观测网的主力浮标[3]㊂我国的海洋浮标研制起步较晚,现在也进入了业务化运行阶段㊂我国已经初步建立了包含约130个浮标的近海浮标观测网,包括10m大型浮标㊁6m中型浮标和3m小型浮标,主要型号是10m大型浮标[4]㊂究其原因,我国近海渔业活动频繁,采用大型浮标可以降低丢失和损坏的风险,能够提高浮标系统的稳定性㊂而国外的海况比较良好,渔业活动较国内稀少,因此,采用易于运输和维护的3m小型浮标,只有在比较恶劣的海况才使用大型浮标㊂1.2锚系锚系通常由锚和系缆组成,能够为整个浮标系统提供足够的系泊力,与浮标体共同保证系统的稳定运行㊂根据系留方式的不同,锚系可以分为单点系留和多点系留㊂其中,单点系留又可以分为全锚链式系留㊁拉紧式系留㊁半拉紧式系留㊁倒S型系留和弹性系留系统[5]㊂锚的类型有有杆锚㊁无杆锚㊁大抓力锚和特种锚㊂系缆的材料类型有锚链㊁钢丝绳㊁化纤缆绳和弹性系缆原件㊂弹性系留是比较新的系留方式,可以降低海流导致的系缆运动,改善浮标的随波状态,提高浮标的数据质量[6]㊂1.3数据采集和控制系统数据采集和控制系统是整个浮标系统的控制中心和数据处理中心,能够完成对传感器的数据采集㊁远程控制和电源管理㊂数据采集系统结构可以分为采集电路㊁控制芯片㊁存储设备和相应软件等㊂当前,我国浮标平台普遍采用的数据采集和控制系统主要支持海洋气象㊁物理海洋和少量海洋传感器的采集和控制,满足国家海洋局㊁气象局等单位的业务化运行需要㊂对于这些业务化运行的浮标平台,增减传感器数量和种类都需要重新设计,增加了工作量㊂国外的发展趋势是,研制可以应用浮标㊁潜标和水下滑翔机等多种平台的低功耗的智能型数据采集和控制系统[7],其关键是模块化设计和标准化设计㊂国内的各个机构,包括中国海洋大学㊁山仪所㊁中船重工七一五所等都设计了自身的基于C A N总线的数据采集和控制系统[8㊁9],具有较好的扩展性㊂1.4电源管理系统电源管理系统是数据采集控制系统㊁通信系统和传感器系统的能量来源,能够实现电源的补充和管理㊂通常,浮标平台采用太阳能和蓄电池结合的方式实现能量的采集和存储㊂在阳光充足的时候,太阳能电池板可以将光能转化成电能,除了供应传感器消耗之外,将多余的电能储存在蓄电池中㊂在没有阳光的时候,蓄电池中的能量可以满足整个系统的运行㊂其中,电源管理模块可以监测并显示电池的电压㊁电流和温度等要素,防止蓄电池过充㊁过放和过热等[10],最终,实现系统的长期平稳运行㊂1.5通信系统通信系统是浮标平台和岸基站之间的联系通道,可以实现数据和控制指令的双向传输㊂浮标上常用的通信方式有V H F㊁C D M A㊁G P R S㊁北斗卫星和海事卫星等多种方式㊂在近海和湖泊中,手机信号比较强,采用C D M A或者G P R S信号通信具有速度快㊁费用低和稳定的特点㊂在离岸较远的区域,通信基站较少,卫星通信成为唯一的方式㊂为了避免数据的泄露和高昂的流量费,国内的浮标平台普遍采用北斗卫星通信,其在寻址方式㊁信道畅通率㊁用户容量㊁通信实时性和价格方面都优于国际海事卫星通信,但是一次只能传递78个字节,每次通信需要分成多个数据包才能完成[11]㊂1.6传感器系统传感器系统是整个浮标系统的工作部分,可以实现对多种海洋环境参数的测量㊂根据观测的科学目标的不同,搭载的传感器包括气象传感器㊁物理海洋传感器㊁海洋化学传感器和海洋生物传感器等㊂目前,国内浮标观测网搭载的传感器一般采用国外的产品,价格昂贵,维护比较麻烦㊂而国产传第2期李清,等:国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用㊃121㊃感器的问题在于,没有相应的产品,产品精度不能达到使用要求,或者没有在浮标上的使用经验㊂这些问题限制了国产传感器的研发和使用,导致与国外传感器产品差距越来越大,最终国内传感器产业萎缩甚至消失㊂2海底科学观测网浮标平台功能性分析在东海海域,海底科学观测网需要从海面到海底,全方位立体协同观测,从而深入理解人类活动影响下的长江口东海的物质交换及其生态环境效应,研究东海低氧区的形成机制㊁生物地球化学过程及对生态环境的影响,探索长江冲淡水与西太平洋边界海流的相互作用㊂因此,海底观测网的浮标平台提出了新的更高的要求㊂2.1搭载的传感器数量多㊁学科全㊁控制要求高业务化运行的浮标平台一般搭载海洋气象传感器㊁海洋物理传感器和少量海洋化学传感器,主要测量指定海域的气象特征㊁温度盐度深度和流速等水文特征㊂而海底科学观测网的目标在于对东海的全方位观测,不局限于气象和水文特征㊂因此,海底观测网的浮标平台除了搭载常见的海洋气象传感器(风速㊁风向㊁气压㊁气温㊁湿度等)㊁物理海洋传感器(流速㊁流向㊁水温㊁波浪等)外,还要搭载众多的海洋化学传感器,比如用于测量p H值㊁溶解氧㊁水气C O2㊁硝酸盐㊁甲烷等的传感器㊂另外,浮标平台还要搭载激光粒度仪㊁光合辐射仪㊁三波长荧光计㊁光量子效率仪和浮游生物成像和分类系统,来观察水体中的浊度㊁光合作用㊁叶绿素㊁有机质和生物丰富度㊂如此多的传感器,对浮标系统的测量项目㊁传输方式及接口㊁防护等级㊁供电及功耗㊁体积与安装㊁连续工作时间与维护周期等方面,提出了较高的要求㊂浮标平台上传感器的稳定协调工作是海底观测网长期稳定运行的重要保证㊂2.2观测网防护要求除了需要搭载传感器实现海气界面的观测之外,浮标平台还要承担守护海底缆系的作用㊂东海地区繁忙的渔业活动对于海底的缆系具有较大的威胁,需要浮标平台提供一定的示警和防护作用,来提醒渔民注意指定海域底部的缆系,从而提高整个海底科学观测网的稳定性㊂2.3水声通信要求为了实现海底科学观测网的全方位观测,除了浮标平台,还需要潜标㊁四脚架㊁观测塔等平台同时工作㊂而这些平台的能量和数据是通过海底的光电复合缆传输的㊂浮标和部分无缆的潜标必须使用无线通信,才能接入海底科学观测网㊂无线电波和激光等信息载体在水下衰减剧烈,无法实现水下信息的传输,因此声波成为水下通信的唯一载体㊂在海底观测网中,水声通信系统共有3个主要作用:将无缆区域的浮标和潜标纳入实时海底观测网,将有缆区域的无缆浮标纳入海底观测网㊁海底电缆通信故障时的数据出水应急通道㊂借助水声通信,将浮标㊁潜标㊁四脚架等平台真正整合为一个有机整体,从而更好地实现数据的实时传输㊂2.4仪器国产化要求和国外传感器相比,国产的传感器优势在于价格便宜㊁维护方便以及可以提供必要的技术支持,打破国外的技术封锁㊂缺点在于测量精度不够㊁稳定性不够和没有使用经验不足等㊂另外,某些保密性的数据也只能通过国产的仪器采集和处理㊂在海底科学观测网中,为了降低后期的运行维护成本,保证声学数据的保密性,需要传感器的国产化㊂3浮标平台设计探讨3.1智能型数据采集和控制系统设计针对当前浮标数据采集和控制系统主要支持海洋气象㊁物理海洋和少量海洋化学传感器的现状,研制模块化程度高㊁扩展能力强㊁人机交互良好㊁具备辅助预警决策功能的智能型控制系统㊂该数据采集系统主要包括主控芯片㊁C A N总线控制模块㊁分布式数据采集预处理模块和预警辅助决策模块等㊂图1所示为数据采集和控制系统结构框图㊂为了保证传感器数量的迅速扩展,采用C A N总线和分布式预处理模块结合的方法㊂分布式预处理模块包括数据采集电路㊁数据处理和控制芯片以及相应的硬件模块化设计㊂当需要增加或者改变传感器时,只需要将传感器装在预处理模块上,再将预处理模块与C A N总线相连,从而实现传感器的迅速扩展㊂另一方面,还要开发易于操作的人机界面,使得科学家在岸上能够实时监测设备的健康状况,提前发现可能出现的设备故障,发出预警,并通㊃122㊃海洋工程装备与技术第10卷图1浮标数据采集和控制系统F i g.1B u o y d a t a a c q u i s i t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m过交互式远程控制系统对设备进行控制,从而保障海底观测网的稳定工作㊂3.2水声通信数据链为了实现潜标和浮标平台之间的水声通信,需要在浮标和海床基上加装水声通信机㊂浮标上的水声通信机基阵采用柔性线阵列,在柔性保护管内部安装发射换能器和接受水听器,外部安装透声保护罩㊂基阵主要由8个接受水听器和1个发射换能器组成,阵元间距为200m m,整体长度为2m左右㊂基阵下端配重,保证基阵在一定流速范围内可以保持基阵垂直㊂在浮标系统中,金属锚链的振动声㊁连接头旋转的声音㊁海浪冲击标体的声音等都会影响水声通信的效果㊂为了减弱这些噪声的影响,通信机基阵需要伸出浮标底部一定距离,其下端应伸出浮标地面5m左右㊂3.3浮标平台防护措施为了保证浮标平台的安全和整个海底观测网的长期运行,需要在浮标上增加安全防护装置㊂首先是报警系统,具体包括人员闯入报警㊁事故报警和故障报警等㊂这些报警系统需要加装相应的传感器,例如舱开门㊁舱进水㊁浮标移位㊁浮标倾斜等传感器㊂其次,在浮标上要加装A I S防撞系统,实时监测浮标周围12海里海域内的过往船只,对驶入2k m范围内的船只进行识别跟踪,并利用海事和渔政系统对其发出警告㊂为了避免某些没有加装A I S 系统或者A I S系统关闭的船只,可以采用V H F电台对其广播,使其远离浮标㊂最后,为了激发渔民的主动保护意识,除了每年对渔民进行宣传之外,还可以借助观测数据开发相应的数据产品以服务渔民,保障渔民的生命财产安全㊂例如,可以在渔船靠近时,向渔民的手机发送该海域的天气状况及预测,帮助渔民了解海上天气状况,减少损失㊂3.4仪器实验平台建设为了提高仪器的国产化水平,促进海洋传感器的发展,需要在浮标平台上搭建传感器的实验平台㊂在海底科学观测网中,每一个锚定点附近会有一个实验标和两个警戒标,在观测海底的同时,起到保护海底电缆的作用㊂而在每个浮标上会开6~ 8个仪器安装井,在保证海底观测网的长期稳定运行的基础上,可以将部分安装井作为国产传感器的实验平台,以验证㊁完善其使用性能㊂还可以同时搭载国外同种传感器产品,提供数据比对,以明确改进方向和验证数据的准确性㊂4柴发太阳能混合能源系统传统太阳能发电系统的发电功率与太阳能板的数量成正比,通常仅能支持低频率的数据采集㊂太阳能发电的效率受天气影响较大,无法满足浮标平台在连续阴雨天㊁台风等极端天气的用电需求㊂为了实现多种传感器全天候的高频连续观测㊁高带宽数据的实时传输,浮标平台采用柴油发电机和太第2期李清,等:国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用㊃123 ㊃阳能板混合发电,经蓄电池存储转换后供所有仪器设备用电㊂4.1 柴油发电机的布置柴油发电机在各类大小船舶中应用非常成熟,工作期间的振动㊁噪声和散热大,通常布置在独立的机舱中㊂在浮标平台上,柴油发电机布置在能源室深处远离浮标中心的方向,能够降低对浮标小平台仪器㊁仪器室数采设备的影响㊂油柜布置在发电机外侧,配置油位计,如图2所示㊂柴油发电机周围应预留设备维护空间,满足定期保养和检修需求㊂图2 柴油发电机的布置F i g .2 A r r a n g e m e n t o f d i e s e l ge n e r a t o r s 4.2 柴油发电机的冷却系统船用柴油发电机通常采用海水直接冷却的方式㊂海水经过滤后进入发电机冷却水管,具有冷却效率高的优点;缺点是冷却水管内部易发生腐蚀或堵塞㊂浮标平台以无人值守的方式长期工作在东海近岸含沙量高的海水中,需要采用间接海水冷却的方式㊂在冷却水管路中充满淡水,以内循环的方式冷却发电机㊂一部分冷却水管穿过舱壁后进入冷却水舱,由海水对冷却水管进行降温冷却㊂经验证,间接海水冷却的方式完全能够满足发电机的使用工况㊂4.3 柴油发电机的通风系统柴油发电机工作期间消耗新鲜空气,因此需要配置通风系统㊂新风从桅筒侧面的烟雾处理器进入结构风道㊁风机,一路直接送至能源室柴油发电机进风口附近,另外一路经电动风闸送至仪器室㊂发电机产生的废气经排烟管从桅筒背面一侧排至舱外,不影响舱内设备运行和人员工作㊂当人员需要进舱作业时,开启风机和仪器室的电动风闸,能够为仪器室快速注入新鲜空气,减少海上作业等待时间㊂4.4 柴油发电机油箱设计柴油发电机(以下简称柴发)选用K O H L E R13.5E F K O Z D ,可输出110~220V /50H z 共计7种电压,输出功率13.5k W ㊂油柜采用独立箱柜设计,按照系统的设备及柴发的设计工况,即75%负荷每日工作一小时,油耗为2.92L /h ,1500L 容积,可为柴发提供超过250天的续航,见表1㊂由于浮标平台为无人值守设计,需要设计远程读取液位数据,因此,在油柜顶部设计有浮球式磁性液位计;在侧面设计有翻转式磁性液位计,用物理显示的方式显示液位,保证了柴油液位监控的准确可靠,如图3所示㊂表1 柴油发电机油耗说明T a b .1 D i e s e l g e n e r a t o r f u e l c o n s u m p t i o n d e s c r i pt i o n 油耗60H z 50H z柴油,L /h (g ph ),%(载量)100%4.57(1.21)3.90(1.03)75%3.55(0.94)2.92(0.77)50%2.50(0.66)2.02(0.53)25%1.57(0.42)1.19(0.31)注:60H z 模式下16E K O Z D 油耗,50H z 模式下13.5E F K O Z D 油耗㊂㊃124㊃海洋工程装备与技术第10卷图3 柴油发电机示意图F i g .3 S c h e m a t i c d i a g r a m o f d i e s e l ge n e r a t o r s 4.5 水循环改进及设计柴油发电机原设计采用船用柴油机,其冷却水系统为开式二级循环冷却系统,即通过泵和管路抽取外部环境水,用环境水和发电机内部的缸套水进行热交换,是为一级循环;缸套水通过闭式循环管路再冷却柴油机气缸等部件,从而带走发电机运行产生的热量,是为二级循环㊂使用后的环境水通过排气管和高温气体一起排出㊂但是,该冷却水方式适合低盐水环境的内河环境使用,对于无人值守的海上浮标平台显然不适用㊂因此,需要将原有的开式二级循环系统改造为闭式三级循环冷却系统㊂在标体外围的浮力舱内单独划分出一个海水冷却水舱,使舱内有和吃水高度一致的海水,舱底布置耐腐蚀材质制成的热交换盘管,用来实现低温淡水与海水的热交换,是为一级循环;低温淡水部分设置有除气水箱,用于去除系统循环中产生的气体,气体通过水箱顶部的管路进入位于高位的膨胀水箱,再通过膨胀水箱上的透气管排出系统㊂膨胀水箱有两个功能:二级循环系统补水;承担系统运行时冷却水热膨胀释放㊂二级循环冷却水通过发电机内部的泵及热交换器和发电机内的三级循环系统进行热交换㊂通过改造,冷却水循环系统可大大提高冷却水系统的可靠性,从而满足浮标平台无人值守的要求,如图4所示㊂图4 水循环系统示意图F i g .4 D i a g r a m o f t h e w a t e r c i r c u l a t i o n s ys t e m 4.6 通风及排烟设计为满足浮标舱内设备散热及发电机运行对于新鲜空气的需求,浮标系统内还设计布置了通风系统㊂通风系统分为两路:日常设备运行通风及发电机送风㊂两路通风系统通过计算机控制风闸,考虑到海上环境对于设备的影响,进风口设计有盐雾过滤器㊂当日常设备运行时,风闸间歇性打开,通风第2期李清,等:国家海底观测网十米浮标平台系统研究与应用㊃125㊃系统可以带走设备运行时产生的热量,为系统可靠性提供保障㊂当柴发启动运行时,设备运行的风管分闸关闭,所有空气全部用于柴发送风㊂根据柴油机的运行需求,此时柴发的需求风量需要达到10000L/h㊂5结语本文首先介绍了浮标平台的结构组成以及国内外的进展;然后,提出了海底科学观测网对于浮标平台的功能性需求,包括对浮标数据采集和控制系统的要求㊁对水声通信的要求,和对海底电缆的防护要求和仪器国产化的要求;最后,针对海底观测网的这些需求,提出了一些建设的意见㊂总之,浮标平台未来将向智能化㊁系统化㊁网络化发展,这需要广大科技工作者的共同努力㊂参考文献[1]汪品先.从海洋内部研究海洋[J].地球科学进展,2013,28(5):517520.[2]M c c a l l J,K e r u t E,H a a s G,e t a l.E v o l u t i o n o f B u o yE l e c t r o n i c s a n d T e l e m e t r y[C].O c e a n s.I E E E,1978:19.[3]T a f t B,B u r d e t t e M,R i l e y R,e t a l.D e v e l o p m e n t o f a n N D B CS t a n d a r d B u o y[C].I E E E,2010:110.[4]王波,李民,刘世萱,等.海洋资料浮标观测技术应用现状及发展趋势[J].仪器仪表学报,2014,(11):24012414. [5]王军成.海洋资料浮标原理与工程[M].北京:海洋出版社, 2013.[6]王亚洲,杨永春,李忠君,等.一种波浪浮标弹性系留系统[J].山东科学,2011,24(4):7881.[7]T o m a D M,D e l R i o J,J i r k a S,e t a l.N e X O S S m a r tE l e c t r o n i c I n t e r f a c e f o r S e n s o r I n t e r o p e r a b i l i t y[C].O c e a n s.I E E E,2015:15.[8]王晓燕,裴亮,付晓.基于C A N总线的浮标数据采集系统设计[J].微计算机信息,2008,24(14):2021.[9]刘晓.基于C A N总线的海洋维权执法浮标的信息采集系统[D].青岛:中国海洋大学,2013.[10]谈作伟,李延涛,王腾,等.一种海气界面太阳能浮标电源的设计[J].电源技术,2014,38(8):15281530.[11]李文庆,付晓,王文彦,等.北斗二代卫星导航系统在海洋资料浮标监控与管理中的应用[J].山东科学,2012,25(6):2126.。