黑匣子搜索定位浮標設計與實現

諶啟偉

（中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

“黑匣子”（black box）是飛機專用的電子記錄設備之一，名為航空飛行記錄器，里面裝有飛行數據記錄器和艙聲錄音器，飛機各機械部位和電子儀器儀表都裝有傳感器與之相連。它能把飛機停止工作或失事墜毀前半小時的有關技術參數和駕駛艙內的聲音記錄下來，需要時把所記錄的參數重新放出來，供飛行實驗、事故分析之用。根據 SAE航空航天標準AS8045a《自供電聲學水下定位裝置最低性能標準》，黑匣子信標的工作頻率：37.5 kHz±1 kHz，使用時間最少30 d。一旦發生航空飛行事故，黑匣子將是還原事故真相的關鍵[1]。由于黑匣子聲信標發射電源一般只能堅持 30 d，因此在這30 d的黃金時間，盡快搜尋到黑匣子非常重要。2014年3月8日，馬航370失聯轟動全世界，世界各國攜帶相關搜索設備競相奔赴可能墜機海域開展搜索，然而遺憾的是未能成功搜尋到黑匣子，成為21世紀一大疑案。

1 國內外黑匣子搜索定位技術與方法

黑匣子主要搜索技術包括潛水員手持聲吶、聲波接收器、水下自主航行器等。潛水員手持聲吶用于水下定位水下失事飛行器目標，也可以用于定位水下信標或者其他水下聲源。使用連續發射調頻（CTFM），聲吶的主動定位模式可定位最遠110 m范圍內的目標，在被動模式下最遠探測范圍為1 600 m。聲波接收器由水下、接收部分和水上輔助2部分組成。水下接收部分通過連接桿布放在水中，搜索聲學信號，接收到的信號通過電纜傳送到水上，操作人員通過耳機辨別信號強度，并可調節接收信號中心頻率。操作人員通過旋轉連接桿，改變水下接收裝置探測方向，分析不同方向的信號強度，進而確認信號方向[2]。如圖1所示。

圖1 潛水員手持聲吶與聲波接收器Fig.1 Diver held sonar and acoustic acceptor

“藍鰭金槍魚-21”型自主式水下航行器，是美國軍方研發的一種專業水下搜尋設備，它可潛入水下4 500 m，在配制相關聲吶后，能夠以最高7.5 cm的分辨率搜尋水下物體?！八{鰭金槍魚-21”型自主式水下航行器長493 cm，直徑53 cm，重750 kg，3 kn巡航時續航能力為25 h[3]。

1）法航AF447次航班空難[4]。

法航AF447次航班2009年6月1日從巴西里約熱內盧飛往法國首都巴黎，途中墜入大西洋?？针y后數周，數千塊機身碎片被打撈上來。但是，AF447的龐大機身和關鍵的黑匣子，卻在很長時間里都尋無所蹤。

1年多后，法國調查人員求助美國伍茲霍爾海洋研究所，繼續搜尋飛機殘骸。伍茲霍爾海洋研究所搜尋團隊在深海中找到了AF447的機身和引擎，還有幾十具長眠水下的遇難者遺體。2010年5月，法國把失事客機“黑匣子”的位置鎖定在大西洋一個方圓5 km的范圍內。2011年，法國民航安全調查分析局在一份聲明中說，調查人員于分別在2011年5月1日上午10時，5月2日晚在巴西東北方向離岸數百km、水平面以下3 900 m的海域找到法航空難的2個黑匣子。

2）“5·7”大連空難[5-6]。

2002年5月7日21時24分，北方航空公司的一架 MD-82客機在大連海域失事。打撈組采用旁側聲吶以及拉網式搜索，將殘骸散落區縮小在長600 m、寬400 m的24萬m2水域。與此同時，另一個重要目標黑匣子的打撈，卻始終毫無進展。搜救人員先后從大連、哈爾濱、沈陽調來設備掃測，毫無結果。唯一的渺茫希望，是760所用自制的探測儀，收聽到了黑匣子發射的信標聲脈沖，卻無法確定方向來源。

5月12日晚，美國專家帶來了聲吶信標定位儀，將聲吶轉換器插入水中，操作人員戴著耳機、手持放大器接聽信號，如果聽到黑匣子發出的“嘀嗒”信號聲，聲音越大，靠得越近。13日凌晨 3時14分，美國專家第一次接聽到信號。但由于該儀器只能定向、無法定位，在接下來的3 h16 min內，專家們做了10次定向——每次產生1條射線，射線的交叉圖像將搜索范圍圈定在直徑為 100 m的半圓中。如此反復，最終進一步縮小到直徑為5 m的圓中。大連空難打撈工作歷時12 d，軍地共出動船只128艘，累計出船1 331航次、6 955 h，軍民參加搜救打撈人員共計17 838人次抽調潛水作業人員64人，累計潛水作業672人次，作業時間697 h。

綜上所述，目前黑匣子搜索裝備主要存在噸位大、巡航短、定位難、耗時長、使用復雜、使用成本高等一系列問題。為此，我們設計開發了一款基于剖面漂流浮標技術的黑匣子搜索定位浮標。該浮標可下沉到聲速界越層以下對黑匣子的水聲通信信號進行搜索，并對水下黑匣子進行距離估算，發現目標信號后，自主上浮到水面，通過衛星上傳探測信息給岸站，為搜尋節省寶貴的時間。

2 系統組成及工作原理

黑匣子收索定位浮標主要由浮標平臺和水聽器組成，水聽器直接掛載在浮標底部。如圖2所示，浮標平臺主要由3部分組成：通訊天線模塊、主體控制模塊、浮力調節模塊。其中通訊天線模塊包含銥星與 GPS天線；主體控制模塊包含控制電路、電池、電機、壓力傳感器、水密接頭等；浮力調節模塊包含浮力調節機構、重塊、浮塊等。水聽器安裝位于浮力調節模塊底部，其通過水密接頭與主體控制模塊連接。浮標重量不超過6 kg，連續工作時間不少于30 d，最大工作水深1 000 m，搜索定位距離1.5～2 km。

圖2 浮標結構示意圖Fig.2 Structure schematic diagram of buoy

該浮標在預定海域對浮標進行配重后投放，浮標到達預定深度后開始探測，期間可通過拋投浮塊或重塊進行深度微調。在捕獲特定信息后，浮標拋投預定重量的重塊，開始上浮至水面進行定位通訊，通訊完畢后拋投預定重量的浮塊再次下沉到指定深度，如此進行循環。另外，該浮標可對需要探測的海域采用多點陣布放模式，對區域海洋進行聲信號監測。

3 組部件設計

1）通信模塊。

通信模塊主要由天線外殼、天線蓋和天線座組成。天線外殼用來安裝固定 GPS和銥星天線，取1.5倍安全系數，在18 MPa壓力條件下，對天線外殼和天線蓋進行了仿真分析，其機構強度滿足要求。

2）殼體模塊。

殼體模塊主要由主殼體、頭殼和尾殼組成。取1.5倍安全系數，在18 MPa壓力條件下，應力圖及總體形變圖如下，滿足1 000 m耐壓要求。

圖3 殼體模塊結構示意圖Fig.3 Structure schematic diagram of housing module

3）電源模塊。

電源模塊有一次性鋰電池組成，電池共8節，4組一節并排堆疊2層。電池上部依次是控制電路板、銥星模塊和壓力傳感器，采用上下堆疊的方式布置，拉桿連接。下部為電機減速機，電機軸穿過尾殼與浮力調節機構連接。

圖4 耐壓殼體結構強度仿真圖Fig.4 Simulation diagram of pressure hull structure strength

4）浮力調節模塊。

浮標調節模塊（圖5）是浮標自主沉浮的關鍵，浮力調節模塊通過改變浮標的水中浮力實現沉浮。浮力調節模塊主要由浮力調節機構外殼、浮塊旋轉臺、重塊旋轉臺、重塊釋放臺、浮力塊和重塊組成。

浮塊旋轉臺外側用來放置浮塊。內壁用來安裝重塊旋轉臺；轉臺上裝有擋塊，擋片安裝在轉臺頂部，內部有扭簧，保證其只能單向轉動；轉臺底部開有三角槽。

重塊旋轉臺安裝在浮塊轉臺內部。中間開有通孔，用以放置重塊；頂部安裝有擋片，內部有扭簧，保證其只能單向轉動；底部有半球形開槽。

重塊釋放臺放置在浮塊和重塊旋轉臺底部。內部有開槽，供重塊滑出；頂部有三角臺階。和小鋼球，分別與浮塊旋轉臺的三角槽和重塊旋轉臺的球槽配合。傳動軸是浮力調節模塊的動力輸入部分。軸的上端與電機減速機連接，下部有2層棘齒，2層棘齒朝向相反，上下層分別與浮塊旋轉臺和重塊旋轉臺的擋片配合。

圖5 浮力調節模塊示意圖Fig.5 Schematic diagram of buoyancy regulation module

①浮力塊的拋投過程。

如圖6所示，傳動軸逆時針旋轉并與浮塊旋轉臺上的擋片接觸，由于擋片上有扭簧，逆時針時擋片鎖死，因此浮塊旋轉臺在傳動軸的帶動下逆時針旋轉；當浮塊碰到外殼上的擋塊后，在兩側擋塊的作用下會一起將浮塊擠出。

傳動軸順時針轉動時，為了防止擋片上扭簧力過大而使得浮塊旋轉臺跟隨一起順時針轉動，特在底部開有三角槽增大阻力，防止其跟轉。浮塊旋轉臺安裝在重塊釋放臺的凹槽內，在轉臺工作過程中上下跳到時不會偏離軸心。

圖6 浮力塊拋投示意圖Fig.6 Schematic diagram of solid buoyancy material tossing

②重塊的拋投過程。

如圖7所示，傳動軸順時針旋轉并與重塊旋轉臺上的擋片接觸，由于擋片上有扭簧，順時針時擋片鎖死，因此重塊旋轉臺在傳動軸的帶動下順時針旋轉；當重塊碰到底部釋放臺的重塊釋放孔后，重塊隨即滑出。

傳動軸逆時針轉動時，為了防止擋片上扭簧力過大而使得重塊旋轉臺跟隨一起逆時針轉動，特在重量釋放臺底部裝有小鋼球，且在重塊旋轉臺底部開有球槽以增大阻力，防止其跟轉。

圖7 重塊拋投示意圖Fig.7 Schematic diagram of heavy block tossing

5）探測水聽器。

探測水聽器搭載在浮標底部，安裝在水聽器護罩上，與尾殼連接，矢量水聽器具備對 37.5 kHz信號進行探測并定位的能力。接收到黑匣子信號后，通過對信號進行放大、濾波處理，分析識別信號的幅度、脈寬和周期，判斷信號的類型是否是黑匣子的信標信號，如圖8所示。黑匣子的水聲信號的聲源級是固定的，濾波及前放電路的放大倍數和水聽器的接收靈敏度也經過標校已知的，可以通過信號幅值對目標距離進行估算[7-8]。

圖8 水聲信號探測處理示意圖Fig.8 Schematic diagram of acoustic signal detection and processing

4 試驗方法及結果

黑匣子浮標歷時半年完成原理樣機研制，并開展了相關的湖上驗證試驗。湖上試驗通過使用模擬信號源，模擬輸出 37.5 kHz黑匣子信號，經功率放大器放大后輸出至換能器，使用船載移動聲源，浮標錨系上浮方式，測試不同方位、不同距離發射時，黑匣子浮標觸發上浮報警的性能指標摸底，試驗設備關系如圖9所示。

圖9 試驗設備布置示意圖Fig.9 Arrangement schematic diagram of test equipment

湖上試驗表明，該浮標能夠準確探測37.5 kHz的聲信號，相關聲信號的特征值亦可獲取，并能夠初步測量目標方位，方位誤差不超過5o。試驗中拉距測試過程，最大探測距離超過2 km。

5 結束語

本文介紹了一種全新的黑匣子搜索定位設備的設計及實現過程，該黑匣子搜索定位設備采用浮標技術，通過加裝水聽器，實現對水下黑匣子信標信號進行區域定位和距離估算。發現目標后，自動上浮至水面，通過衛星將目標位置信息發往監控中心，實現目標快速搜索定位。該浮標體積小，造價低，可快速布放，實現水下搜索能力。實際使用中，可在失事海域大面積布放，浮標可成陣列使用。同時，該浮標可拓展用于水下移動目標探測，具有一定的軍事用途價值。