基于北斗衛星的溢油跟蹤浮標

楊瑞，顧群

(交通運輸部水運科學研究院，北京 100088)

0 引言

為進一步滿足社會經濟發展和人民生活質量提高的需求，我國正在加大海洋開發利用力度和大力發展水上交通運輸業，這使水上活動日益繁忙，海運量急劇增加.同時，船舶大型化的快速發展、超萬箱集裝箱船和30萬噸級油船的頻繁到港以及船舶到港密度的增加使海上發生重大交通事故和溢油事故的風險不斷加大.我國今后將長期面臨水上交通安全和環境保護的巨大壓力，加強水上交通安全和提高環境事故處理能力刻不容緩.

我國石油消費的高峰已經到來，為此，國家已開始實施石油安全戰略，依靠石油進口建設國家石油儲備基地已成為我國能源發展的長期戰略.近年來，我國原油進口量平均年增長18%.船舶溢油既可造成萬噸級原油泄漏的重大溢油污染事故，又會造成難以挽回的生態環境災難以及巨大的經濟損失.我國溢油主動監測和跟蹤定位設備大多依賴進口，常用的跟蹤監測技術主要有海事搜尋［1]、雷達技術［2-3]、軟件模擬技術［4-6]、浮標技術［7-9]、遙感技術［10]等，國產設備技術水平較低，系列化成套產品嚴重不足，在溢油預報、跟蹤監測、應急方案優化、溢油應急業務化等方面急需發展.

本文在闡述溢油跟蹤浮標的技術特點和研究情況的基礎上，通過水動力學優化研究，完善跟蹤浮標技術參數，采用定位通信衛星，研制具有多功能、全天候、代表性溢油類型的溢油跟蹤浮標，并開展海上應用試驗.試驗表明，該浮標對不同海況、不同油膜均具有良好的跟蹤和監測能力，可滿足水上溢油跟蹤定位和監測的需要.

1 溢油跟蹤浮標技術現狀

溢油跟蹤浮標是一種隨波浪漂流的表層漂流微型浮標，能實現溢油的跟蹤定位，具有全天候使用和全程監測能力，是一種海上溢油實時追蹤監測的穩定、可靠、成本低廉的技術方法.

根據浮標應用行業和用途的不同，大部分浮標的質量為3～50 kg，一些具有特別用途的浮標質量可達噸級，其中:用于定點環境監測的錨系浮標，多采用鋼板結構設計，質量基本在噸級范圍，其安裝、維護等需吊裝的作業內容均需船舶吊機協助完成;用于海上洋流監測的流型浮標，結構較復雜，洋流、氣象等傳感器系統龐大，質量一般可達35～50 kg;具備溢油跟蹤功能的浮標，有良好的漂流性能，結構相對簡單，質量一般為3～25 kg.

在國外，美國Met-O公司在溢油跟蹤漂流浮標產品和技術上處于領先.該公司生產的Argospheres浮標表面直徑28 cm，質量8 kg，結構為玻璃鋼或一體化注塑，可在大氣溫度-20～50℃，浪高0～30英尺(1英尺≈0.304 8 m)的環境條件下工作，通信設備多采用ARGOS衛星或銥星，定位采用GPS，由于其使用的通信網絡具有較大的時滯，在溢油跟蹤方面沒有實際應用.

臺灣圣杰科技公司開發出海上漂流浮標，其中SJ8989型浮標外部尺寸為40 cm×40 cm×60 cm，質量約為20 kg，采用GPS定位、SiRF STAR II天線和VHF通信，主要使用在海上漁網跟蹤定位方面，無溢油跟蹤能力.

國家海洋技術中心是我國開展浮標技術研究較為深入的研究單位，其開發的自持式剖面循環探測漂流浮標、表面漂流浮標等在海洋環境探測等方面發揮顯著作用，其中FZS3-1型表層漂流浮標最具有技術代表性.該浮標利用ARGOS衛星系統定位通信，測量表層水溫和水下水帆所在水層的平均海流，主要觀測分析海域的表層海流特征和漂移路徑上的溫度變化，不具備溢油跟蹤功能.

國內外表層漂流微型浮標產品見圖1.

圖1 國內外表層漂流微型浮標產品

目前，國際上對于海洋環保和環境監測技術十分重視，我國現階段也正在加大海洋環保及監測力度.近幾年在水上浮標關鍵技術研發方面有所突破，但能用于溢油跟蹤定位的浮標還需更進一步研究.溢油跟蹤浮標在提高跟蹤性能的基礎上，正朝著微型化、智能化、全天候、全過程的方向發展.

2 溢油跟蹤浮標關鍵技術研究

在對國外相關產品進行充分研究的基礎上，結合國內配套元器件條件，根據浮標搭載衛星通信模塊、電池組及相關傳感元件的特點，通過開展浮標海面漂移的水動力學性能研究、衛星定位通信技術研究、海上溢油漂移模型計算機設計研究等工作，完成具有多功能、全天候、全過程的溢油跟蹤浮標研制.

2.1 總體參數設計

本文對海上浮標的形狀、結構、功能進行分析和研究，開展浮標體材料、制造工藝、成型方法，浮標外形及質量，浮標功能，浮標體內部結構，電池設計及配置，控制單元、衛星定位通信裝置、浮標相關軟件等方面的研究工作.通過水動力學性能研究、漂移模型計算機設計研究，使浮標技術參數更加合理.

研制的溢油跟蹤浮標主要由浮標體、衛星定位設備、衛星通信設備、控制系統軟硬件、內部鋰電池組、傳感器等部分組成.海上溢油跟蹤浮標總體設計見圖2.

2.2 水動力學技術研究

溢油跟蹤浮標在表層海水中受到風力和洋流的共同作用.如果溢油跟蹤浮標能完全跟蹤溢油油膜，則溢油跟蹤浮標與油膜具有相同的運動速度和運動方向，并且浮標處于受力平衡的狀態.［11]

圖2 海上溢油跟蹤浮標總體設計

風對溢油跟蹤浮標的作用力可表示為

式中:Fair為風對浮標的作用力;ρair為海面空氣的密度;Vair為海面風速;V0為溢油漂移速度;A2為迎風面積;CDa為浮標的空氣阻力因數.

當浮標勻速運動時，處于受力平衡的狀態，受到的海水阻力與風推力平衡，得

式中:ζ為風因數，該值通常采用海上實測的方式獲得;α為風生流因數，為海流緯度;ρwater為海水密度;A1為迎水面積;CDc為浮標的水阻力因數;h為浮標水面以上高度.

根據水上浮標的形狀、尺寸、質量參數，可確定某溢油跟蹤浮標的平衡參數，從而推導出其風因數水動力學平衡模型.令

則溢油跟蹤浮標的平衡方程可簡化為

根據相關研究，溢油跟蹤浮標內腔需放置相關電子通信定位設備，故應具備一定的空腔體積;另外，綜合浮標內腔各設備部件的質量，溢油跟蹤浮標的質量一般應在3～10 kg，常見的基本在7 kg左右.

為掌握不同幾何形狀浮標對油膜的跟蹤效果，查閱國際上相關技術資料，綜合當前國內外常見浮標的形狀，本文針對球形、橢球形、正圓臺、倒圓臺(類蘑菇型)、圓柱等幾類浮標進行研究，繪制不同形狀浮標的風因數變化曲線，見圖3.

圖3 不同形狀浮標的風因數變化曲線

對溢油跟蹤浮標的風因數水動力學平衡模型和不同形狀浮標風因數變化曲線的分析研究可以發現:在體積一定的條件下，隨著浮標質量的增加，球形浮標和橢球形浮標的風因數變化不大，而圓臺浮標和圓柱浮標風因數變化較大;對于球形、圓柱、正圓臺和倒圓臺4種體積相同的浮標，其質量大約在7 kg時，風因數由大到小依次為正圓臺、圓柱、倒圓臺、橢球形、球形浮標.綜上，在相同的條件下，球形浮標的水面溢油跟蹤能力具有絕對的優勢.

在我國沿海海域，浮標風因數的范圍為0.02～0.07.［12]從不同的溢油事故中測得的數據表明，油膜的風因數取值不是唯一的，范圍為 0.025～0.055.研究表明，對于某一特定尺寸的浮標，隨著浮標質量的增加，浮標風因數逐漸減小，進一步說，浮標質量越大，越適合跟蹤風因數小的油膜，反之，浮標質量越小，越適合跟蹤風因數大的油膜;對于某一特定質量的浮標而言，隨著浮標尺寸的增大，浮標風因數逐漸增大，進一步說，浮標尺寸越大，越適合跟蹤風因數大的油膜，反之，浮標尺寸越小，越適合跟蹤風因數小的油膜.因此，針對某一穩定海況和油膜，可通過優化浮標參數(尺寸、質量)與溢油風因數的特定組合，實現對溢油的跟蹤.

2.3 北斗定位通信系統

目前，水上表層漂流浮標一般用GPS完成定位功能、采用衛星系統實現無線數據通信要求.在溢油事故發生后立即將浮標投放在厚油膜層中，浮標隨油膜一起漂移，通過通信系統接收浮標的位置及相關信息，實現對溢油位置、漂移速度、軌跡和方向的實時跟蹤.因此，通信定位系統在海上溢油跟蹤浮標上的實時性、準確性、實用性就顯得尤為重要.

現階段，常用的衛星系統主要有ARGOS，GPS，Beidou，Galileo，GLONASS，INMARSAT 和 IRIDIUM等.ARGOS是法國建設的，是國際上廣泛應用的一種衛星數據收集和定位系統;GPS是美國在20世紀70年代研制的新一代空間衛星導航定位系統，可提供實時、全天候和全球性的導航服務;Beidou是由中國建立的導航定位系統，能實現導航定位、通信、授時等功能;Galileo是歐盟發射的一種中高度圓軌道衛星定位系統;GLONASS是在20世紀80年代由前蘇聯建設的全球定位系統;INMARSAT是采用多址無線通信方式的通信衛星;IRIDIUM是基于低軌道衛星群的全球衛星移動通信系統.

根據上述通信定位系統的技術特點和應用情況，統計出各系統具有的特點，見表1.

表1 通信定位系統的技術特點與應用對比

根據溢油跟蹤浮標的使用特點以及北斗衛星定位通信系統在定位、通信上具有的不可比擬的優越性，項目研制出的低功耗、高可靠性的北斗小型板卡非常適合應用于該溢油應急裝備的通信定位系統.

3 溢油跟蹤浮標技術參數及特點

3.1 主要技術參數

溢油跟蹤浮標具有全天候使用和全過程監測能力.通過對溢油跟蹤浮標形狀、結構、功能的優化研究，研制出BOT-A型海上溢油跟蹤浮標，其外觀和主要技術參數［13]分別見圖4和表2.

圖4 BOT-A型海上溢油跟蹤浮標

表2 BOT-A型海上溢油跟蹤浮標主要技術參數

3.2 主要技術特點

(1)先進可靠、跟蹤性能好.產品采用定制通信定位設備，全面提高可靠性;外表面直徑25 cm，方便搬運及存儲;產品總質量4 kg，容易投放及回收;跟蹤性能好，可完成水上實時跟蹤.

(2)定位通信系統靈活.產品采用空間衛星通信定位方式，數據鏈路可靠，定位系統精度高，具備精確定位能力;平臺首選北斗衛星定位通信系統，可集成通信、定位功能自由無縫組合，實現系統信息交換的無障礙;根據實際使用特點，也可選“INMARSAT+GPS”“ARGOS+GPS”的“通信定位”組合模式，實現多系統優勢互補.

4 試驗和應用

在浮標水動力學研究的基礎上，研制出基于北斗衛星的海上溢油微型跟蹤浮標，并在東海海域開展溢油事故應急演練試驗［14]，主要對研制完成的浮標漂浮特性、溢油跟蹤性能進行實戰測試，取得較好的試驗效果和實戰經驗.本次海上科學試驗研究主要信息見表3.

表3 海上科學試驗研究主要信息

試驗配備Cosmo-Skymed Radarsat遙感監測衛星、溢油跟蹤浮標、溢油預測支持系統、溢油跟蹤漂流示蹤裝置、跟蹤船舶等.根據試驗數據分析，浮標在一定程度上受風力的影響比受洋流的影響明顯，在整個試驗漂移過程中，在試驗海域的風力與洋流共同作用及變化影響下，溢油跟蹤浮標漂移方向出現4次比較大的拐點，累計漂移軌跡約67.7 km，全程平均漂移速度約1.57 km/h.本試驗中浮標漂移軌跡見圖5.溢油預測支持系統預測的浮標漂移軌跡見圖6.

圖5 根據浮標實時數據繪制的浮標漂移軌跡

圖6 溢油預測支持系統預測的浮標漂移軌跡

試驗過程中，根據溢油跟蹤浮標實時數據繪制的浮標漂移軌跡與溢油預測支持系統預測的浮標漂移軌跡具有高度的相似性，在試驗漂移軌跡趨勢、漂移距離、漂移速度等各方面均具有高度的一致性.本次海上科學試驗主要數據見表4.

溢油跟蹤浮標在易發生溢油事故高風險區域(東海油氣平臺)進行投放，經過連續43 h的溢油事故應急演練試驗，溢油跟蹤浮標能及時反映海上溢油漂移軌跡及趨勢，該軌跡及趨勢與溢油預測支持系統預測的信息基本一致，浮標數據與預測數據有較高的匹配度，達到海上應用的要求.

表4 試驗過程中主要數據

5 結束語

隨著研究的開展，海上溢油跟蹤浮標系統已基本研制完成，正在進行相關測試.通過水動力學優化研究，完善溢油跟蹤浮標技術參數，采用定位通信衛星，研制具有多功能、全天候、代表性溢油類型的溢油跟蹤浮標，開展海上試驗應用.試驗表明:該浮標對不同海況、不同油膜均具有良好的跟蹤、監測能力，可滿足水上溢油跟蹤定位的需要.

項目研制的水面溢油跟蹤浮標可實時跟蹤水上溢油，可用于環境敏感區、鉆井平臺、溢油排污口等溢油多發地區，從而大大地減少環境污染損失、海洋生態損失、海岸線污染損失等，有利于促進漁業、旅游業發展，提高我國在環境保護領域的國際形象和地位.

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