基于北斗衛星的海上浮標應用研究

張熙恒 于建軍

摘?要：本文設計研究了一種海洋浮標監測系統，通過基于北斗衛星的海上浮標系統可以有效解決海上施工難度大，受天氣及海上風浪影響大，缺少有效參照物等缺點，可以極大降低海上施工難度，減小遠海施工危險性，提高海上施工精度與效率。

關鍵詞：北斗衛星通信;海洋浮標;監測系統

1?應用背景

隨著我國科技進步，經濟發展，基礎設施建設不斷完善，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，受天氣及海上風浪影響大，缺少有效參照物等缺點。作為一種新興的現代化海洋監測技術，海洋浮標逐步受到各海洋國家的重視和利用，與其他監測手段或工程載體相比，海洋浮標可以承受惡劣的海洋環境，并且浮標具有較長工作壽命，海洋浮標可對海洋環境進行自動、連續、長期的同步監測[1]。它作為離岸監測的重要工具，能夠與調查船、調查飛機和海洋觀測站一起，進行全面綜合的監測海洋環境各個要素，具有比較直觀、簡便和經濟的特點。作為我國自主研發的衛星系統，北斗衛星系統其保密性強，更加安全有保障的特點，使其在我國海洋浮標的定位、通信中發揮了重要作用[2]。本文研究的海洋浮標系統，提高了其獲取數據的自動化程度及精度、延長了其工作時間，并結合北斗衛星系統服務已經完全覆蓋我國領海，精度更高，與當前已有的各種小型海洋浮標相比，具有更大優勢，希望本方案能為我國海上工程提供一定的參考和幫助[1]。

2?系統方案設計研究

2.1?總體框架設計

本設計方案由海上浮標與岸/艦控制臺組成，海上浮標負責測量和數據發送，利用北斗衛星定位系統的短報文通信功能實現岸/艦控制臺與海上浮標之間的數字通信。海上浮標用于動態監測施工現場的水文件、自身工作狀態、能源消耗及故障等情況的數據，通過衛星通信信道將已經編碼的數據發送至岸/艦控制臺，并可解碼監控中心的指令，從而實現在遠程控制掌握目標用戶臺的工作狀態[2]，同時還可對海上浮標監控區域入侵船只進行告警，系統框圖如下圖所示。

系統框圖

海上浮標上由電力系統（海浪發電、風力發電和太陽能發電裝置等），動力系統（陀螺儀，電動機，小型動力裝置等），告警系統（毫米波雷達等），水文監測系統及北斗終端五個子系統組成。主要通過海浪發電、風力發電和太陽能發電裝置對整套系統供電，蓄電池負責應急情況下供電。動力系統用于固定浮標位置，避免被海浪沖走。

2.2?系統功能分析

（1）參照物功能。海上施工過程中，受風浪影響，施工目標及船只難免會偏移，并且在缺乏參照物的情況下難以發現，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。海上浮標依靠自身動力系統，陀螺儀等，配合北斗定位系統，可固定在海上某一位置，與其他海上浮標一起在多個方向為施工提供有效可靠參照物，減小各種不必要的損失。

（2）告警，驅離無關船只。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。由于毫米波雷達具有空間分辨率高，具有成像能力，穿透霧、煙、灰塵的能力強，由毫米波雷達負責探測浮標監測區域是否有進入未知艦船，并進行識別，對陌生船只通過北斗衛星系統的短報文通信功能，實現及時的告警[3]。

（3）水文監測。海上施工受施工區域水深、波高、洋流表面流速、海面風速、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，損失財產，甚至還會危及生命。通過水文監測系統對施工區域水文及氣象進行監控、預測，在3G/4G網絡不能夠有效的覆蓋遠海區域，結合北斗衛星系統短報文功能，使施工方及時獲取水文及氣象信息，有效減小海上施工難度及危險性。

3?海上浮標系統應用

3.1?浮標布放

在施工開始前，岸/艦控制臺配備電子海圖，確定施工海域，由船舶或直升機將多組海上浮標布放在固定位置，確定施工海區邊界，并由操作者在岸/艦控制臺上錄入浮標固定位置經緯度，指揮機和監控平臺相連接，可在電子海圖上將各個浮標的實時位置顯示出來，由海浪發電和蓄電池驅動的動力系統能夠讓浮標保持在固定位置。

3.2?施工海區船舶告警

浮標布放后，操作者可在岸/艦控制臺上錄入施工船舶多角度圖像及應答信息，確定浮標告警安全距離。毫米波雷達在探測到船舶后，會將船舶成像傳輸到告警系統終端，成像與已輸入施工船舶圖像進行比對，如果二者相似度過低，則浮標對侵入船舶進行告警，并將侵入船舶成像發送到岸/艦控制臺。

3.3?施工海區水文監測及預報

水文監測系統由傳感器采集施工海區剖面流速，水溫，氣溫，風速，降雨、浪高、鹽度等數據，按照設定的短報文方式，通過北斗嵌入式終端將數據發送至北斗空間衛星，再通過北斗衛星，轉發到北斗地面站，同時其將數據轉發給岸/艦控制臺上北斗指揮型終端[3]。岸/艦控制臺根據數據絕對誤差訂正方法對水文、氣象數據進行誤差訂正，最終得到的數據可基本確定為施工海區海況水文，氣象數據，從而使操作者得到施工海區實時海況及未來海況預報。

4?結語與展望

本設計方案與北斗衛星定位通信系統等高新技術結合，具有精度高、時效性強、安全性好、保密、適合在海上作業等特點。基于北斗衛星的海上浮標的應用，為海上施工提供參照物與實時水文數據，驅離無關船舶，能夠大大降低海上施工難度，減小遠海施工危險性，提高海上施工精度與效率，在海上施工方面可以發揮有效作用，具有顯著的社會經濟效益。

參考文獻：

[1]戴洪磊，牟乃夏，王春玉，田茂義.我國海洋浮標發展現狀及趨勢.山東科技大學測繪工程學院，2014.6.

[2]白帆.北斗衛星導航系統在海上艦船實時定位中的應用.艦船電子工程，2018.02.013.

[3]鄭世良.車載毫米波雷達關鍵技術研究.哈爾濱工業大學，2017.06.01.

作者簡介：張熙恒，吉林建筑大學土木工程學院學生。