基于北斗衛星導航系統的漂流浮標的研究

賈世耀 鄧 川 楊 祥

（交通運輸部東海航海保障中心上海航標處， 上海 201208）

1 研究背景

隨著浮標技術、無線電導助航技術、航標燈技術的不斷發展，我們可以利用新興的技術，研制一款小型應急浮標，外形上有易于發現，并且能夠支持落水人員漂浮，拋投進入水里后能夠模擬人體隨洋流漂浮，現場搜救能夠快速實施。

中國自行研制生產的北斗衛星導航系統不僅具備在任何時間、任何地點為用戶確定其所在的地理經緯度和海拔高度的能力，而且在定位性能上有所創新。北斗系統與其他系統最大的不同，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，特別適用于需要導航與移動數據通信的場所。

結合北斗通信技術，將浮標的位置傳輸至指定的指揮終端，使后臺管理人員能夠收到浮標的當前位置，并快速部署搜救工作；結合AIS通信技術，將浮標位置廣播給附近的船舶，讓附近船舶能夠快速定位到遇險人員位置，有針對性地展開快速救援；結合航標燈新型透鏡技術，讓搜救船舶、飛機在夜間也能快速定位到遇險人員。

2 漂流浮標研究內容

2.1 浮標的結構、材質及表面顏色

漂流浮標的主要功能是在遇到危險或人員落水時，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，因此浮標的外形、重量等應盡可能地接近人體參數。浮標應具有良好的密封性能及一定的漂浮能力，且在結構上應設計方便人員抓握的部位，一方面方便搬運、拋投，另一方面在人員遇險時可以快速抓住浮標，保持漂浮，見圖1、圖2。

圖1 浮標外形圖

圖2 浮標剖面圖

海上救援響應最快的交通工具為直升機，飛機抵達現場后將浮標拋投入海中，即可開始模擬人體隨洋流漂浮的路徑，高空拋投的浮標在進行自由落體進入水里時，水與浮標之間產生壓力對容易造成浮標形變、破裂等，因此，浮標主體材料應當具有良好的韌性，在浮標接觸水面時能夠釋放自由落體產生的巨大能量；此外，應當盡可能地減輕浮標的重量，以減輕浮標自由落體產生的能量。

浮標內部搭載北斗與AIS設備，為確保北斗數據與AIS數據能夠順利傳輸，浮標的標體上應盡可能減少金屬制品。漂流浮標主要起應急、救援作用，其表面顏色應選擇鮮亮、明艷、易于發現的顏色，同時應當與常規的浮標表面顏色有所區分。此浮標可放置于船上便于拋投的位置，其表面應當具有良好的抗紫外線、抗UV、抗鹽霧腐蝕等海上惡劣環境的性能，即使長時間不使用，其表面顏色、結構強度都不能發生明顯變化。

2.2 航標燈的射程、發散角度

航標燈作為夜間現場搜尋指示燈，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都能觀察到浮標，航標燈發出的光束角度應當越大越好。考慮到漂流標主要為應急用，為確保緊急情況下航標燈能夠正常啟動，應充分考慮燈器開關的便捷性與智能性。

2.3 北斗與AIS通信模塊的工作

北斗通信模塊能夠將漂流浮標的位置信息傳輸到船載指揮終端，同時AIS設備能夠在5 n mile范圍內被船載AIS設備識別。北斗與AIS均為高頻信號，在設計時應充分考慮兩種信號在傳輸時互不干擾。與航標燈相同，北斗及AIS通信部分的啟動也應當具有便捷性與智能性。

2.4 供電系統的設計

供電系統主要為航標燈和北斗、AIS通信部分供電，一方面要確保在設備啟動時能夠支持設備運行一定的時間，另一方面，漂流浮標一般處于備用狀態，用電設備關閉，不耗電，電池的自耗電量應盡可能降低。

浮標內部空間有限，并且重量也有一定的限制，因此，在電池的選型上應當選擇能量密度比較大的電池，既能保證電量充足，又能降低浮標整體的重量。

3 漂流浮標的設計方案

3.1 浮標載體

3.1.1 浮標結構

為達到將浮標拋投到水中的狀態盡可能與人體落水相同，又能確保浮標的浮力的目的，將浮標設計為水滴狀結構并且在浮標表面設計環形的把手，一方面方便運輸、拋投，另一方面能夠讓遇險人員能夠快速抓握浮標，保持漂浮，一個浮標上最多可供四人抓握保持漂浮。采用一體式結構設計，將航標燈、北斗及AIS通信模塊、供電電池都安裝與浮標內部，并采用嚴格的密封措施，確保浮標拋投后不進水，保持漂浮。

3.1.2 浮標材料

浮標殼體采用線性低密度聚乙烯材料滾塑一體成型，內部填充低吸水率的閉水型聚氨酯材料，整體結構具有堅固、耐磨、韌性強等優點。浮標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內部，信號也能正常發送。

3.1.3 浮標表面的抗拉伸性能

浮標從高空拋投入海里接觸到水面時，海水與浮標表面會產生較大的壓力，浮標表面除了需要有足夠的強度，還需要有適當的抗拉伸性能，在海水與浮體接觸時能夠快速釋放能量，避免浮體表面產生嚴重變形、甚至是破裂的情況。

材料的抗拉伸性能進行試驗中，將試驗溫度分別設計為常溫20℃，-10℃，-20℃，-40℃和-80℃5種溫度條件，采用萬能試驗機測試方法將試件裝卡于試驗機，拉伸速度2 mm/min ，采用計算機采集數據，見圖3。

圖3 試件在拉斷前產生的形變

材料試驗結果顯示，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，在破壞前會經歷較大的變形。

表1 線性低密度聚乙烯材料參數實驗結果

3.1.4 浮標表面顏色

漂流浮標主要起應急、救援作用，其表面顏色應選擇鮮亮、明艷、易于發現的顏色，同時應當與常規的浮標表面顏色有所區分。作為起應急、救援作用的浮標，顏色應選用類似紅色或黃色的緊急報警類顏色，為區別與常規的助航航標，此項目的浮標表面顏色采用醒目、鮮亮的橘黃色。

此浮標可放置于船上便于拋投的位置，長期受到陽光直射，線性低密度聚乙烯材料原色材料，材料本身自帶符合IALA標準的浮標表面顏色相關規定，材料顏色具有熱穩定性，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等級為VU20，經過加速老化試驗證明，浮標模塊經過10 a使用后，顏色仍符合IALA標準。

3.2 航標燈部分

航標燈主要為夜間搜尋提供燈光指示，標體內置的北斗及AIS模塊發送數據通知附近船舶與監管人員浮標當前的實時位置，當救援船舶或飛機抵達現場時，需要通過航標燈快速搜尋到目標。目前常規的航標燈為了確保燈光射程，采用透鏡技術將燈光聚集到一定的角度發射，一般水平發散角可達到360°，《JT/T 761-2009航標燈通用技術條件》中要求浮動標志航標燈垂直發散角≥8°，目前常規航標燈垂直發散角最大可達30°，但對于飛機搜救還是很難觀察到航標燈燈光，因此，此項目采用一種新型的半球形擴角透鏡（見圖4），使航標燈180°半球面全向立體發光，讓搜尋的船舶、飛機都可快速觀察的目標，見圖5。

圖4 漂流浮標航標燈

圖5 浮標內置燈器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內部，內置的北斗通信設備將浮標的位置信息傳輸至后臺服務器，讓管理人員了解航標實時動態；內置的AMRD設備將浮標位置信息廣播給附近的船舶和基站，作用距離5 n mile，發射間隔10 min。

北斗通信的發射頻率1 615.68 MHz±4.08 MHz，AIS的發射頻率范圍156.025～162.025 MHz，頻率差別較大，基本上不會相互干擾，現場試驗回傳的數據正常，見圖6。

圖6 實際測試AIS軌跡圖

3.4 供電系統

3.4.1 供電系統供電能力

供電系統主要為航標燈和北斗、AIS通信部分供電，一方面要確保在設備啟動時能夠支持設備運行一定的時間，另一方面，漂流浮標一般處于備用狀態，用電設備關閉，不耗電，電池的自耗電量應盡可能降低。浮標內部空間有限，并且重量也有一定的限制，因此，本項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，對浮標重心、干舷等運行參數產生的影響很小。并且所采用的一次性鋰電池本身自耗電極低，長時間存放也不用擔心電量降低的問題。

技術參數輸入電壓 9～18V設備日耗電 2.5AH*12V北斗通信參數北斗通信時間間隔 10min n mile北斗定位精度 5m發射功率 5W發射頻率 1615.68MHz±4.08MHz發送數據類型 浮標實時位置、工作電壓、電流AIS參數頻率范圍 156.025MHz～162.025MHz默認信道 CH2087/AIS1(161.975MHz)發射功率 2W通信模式 FATDMA AIS消息類型 MSG 1發射時間間隔 10min發射數據類型 浮標實時位置作用距離 5

電池單體標稱電壓為3.6 V，容量為19 AH，經過串并聯，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，對于用電設備的供電能力計算如下：

1）航標燈：

①電池標稱電壓3.6 V，容量57 AH

②燈器發光功率為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%計算）

③電池可供燈器發光時長= 57 AH *3.6 V÷3.5 WH≈58 d

2）北斗及AIS通信模塊：

①電池標稱電壓14.4 V，容量57 AH

②設備的日耗電量為2.5 AH*12 V，日耗電量=2.5 AH*12=30 WH

③電池可供設備工作時長=57 AH*14.4 V÷30 WH≈27 d

3.4.2 用電設備的啟動

浮標采用一體式結構設計，內部供電系統與用電設備已連接，浮標平時處于備用狀態時，需要將用電設備關閉，因此在供電系統與用電設備之間需要增加開關，目前設計了兩種開關，一是磁控開關，當需要開啟設備時，可以人工拔下磁控鑰匙，啟動航標燈、北斗及AIS模塊；另外一種是遇水開關，漂流浮標一般在緊急情況下啟動，緊急情況時人員易疏忽，因此當燈器拋投進入水里時，燈器、北斗及AIS設備也能自動開啟。

4 結 語

本文設計的基于北斗衛星導航系統的漂流浮標體積小、易于布放，配置準確、可靠的定位設備，滿足國家對海區數據安全傳輸的需要，采用的供電系統最大限度地延長了浮標在海上漂流工作時間，這對漂流浮標來說十分重要。采用我國自主研發的北斗通信系統，實現高效傳輸的同時使數據安全性得到保證。通過對海域浮標長時間定位信息分析及多站點的漂流路徑跟蹤可以得到真實洋流走向，對于深遠海域反演旋渦信息數據以及海上救援也具有重要的意義。