基于北斗卫星的海上浮标应用研究
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摘 要：本文设计研究了一种海洋浮标监测系统，通过基于北斗卫星的海上浮标系统可以有效解决海上施工难度大，受天气及海上风浪影响大，缺少有效参照物等缺点，可以极大降低海上施工难度，减小远海施工危险性，提高海上施工精度与效率。
关键词：北斗卫星通信;海洋浮标;监测系统
1 应用背景
随着我国科技进步，经济发展，基础设施建设不断完善，海上施工频率不断增多，例如杭州湾跨海大桥工程，舟山连岛工程，港珠澳跨海大桥工程……不同于陆上施工，海上施工具有难度大，受天气及海上风浪影响大，缺少有效参照物等缺点。作为一种新兴的现代化海洋监测技术，海洋浮标逐步受到各海洋国家的重视和利用，与其他监测手段或工程载体相比，海洋浮标可以承受恶劣的海洋环境，并且浮标具有较长工作寿命，海洋浮标可对海洋环境进行自动、连续、长期的同步监测[1]。它作为离岸监测的重要工具，能够与调查船、调查飞机和海洋观测站一起，进行全面综合的监测海洋环境各个要素，具有比较直观、简便和经济的特点。作为我国自主研发的卫星系統，北斗卫星系统其保密性强，更加安全有保障的特点，使其在我国海洋浮标的定位、通信中发挥了重要作用[2]。本文研究的海洋浮标系统，提高了其获取数据的自动化程度及精度、延长了其工作时间，并结合北斗卫星系统服务已经完全覆盖我国领海，精度更高，与当前已有的各种小型海洋浮标相比，具有更大优势，希望本方案能为我国海上工程提供一定的参考和帮助[1]。
2 系统方案设计研究
2.1 总体框架设计
本设计方案由海上浮标与岸/舰控制台组成，海上浮标负责测量和数据发送，利用北斗卫星定位系统的短报文通信功能实现岸/舰控制台与海上浮标之间的数字通信。海上浮标用于动态监测施工现场的水文件、自身工作状态、能源消耗及故障等情况的数据，通过卫星通信信道将已经编码的数据发送至岸/舰控制台，并可解码监控中心的指令，从而实现在远程控制掌握目标用户台的工作状态[2]，同时还可对海上浮标监控区域入侵船只进行告警，系统框图如下图所示。
系统框图
海上浮标上由电力系统（海浪发电、风力发电和太阳能发电装置等），动力系统（陀螺仪，电动机，小型动力装置等），告警系统（毫米波雷达等），水文监测系统及北斗终端五个子系统组成。主要通过海浪发电、风力发电和太阳能发电装置对整套系统供电，蓄电池负责应急情况下供电。动力系统用于固定浮标位置，避免被海浪冲走。
2.2 系统功能分析
（1）参照物功能。海上施工过程中，受风浪影响，施工目标及船只难免会偏移，并且在缺乏参照物的情况下难以发现，容易造成一定施工上的偏差。因此，施工过程中，需要可靠方便的参照物。海上浮标依靠自身动力系统，陀螺仪等，配合北斗定位系统，可固定在海上某一位置，与其他海上浮标一起在多个方向为施工提供有效可靠参照物，减小各种不必要的损失。
（2）告警，驱离无关船只。海上施工，如修建跨海大桥等，在繁忙航道上，船只来往频繁，不利于施工。由于毫米波雷达具有空间分辨率高，具有成像能力，穿透雾、烟、灰尘的能力强，由毫米波雷达负责探测浮标监测区域是否有进入未知舰船，并进行识别，对陌生船只通过北斗卫星系统的短报文通信功能，实现及时的告警[3]。
（3）水文监测。海上施工受施工区域水深、波高、洋流表面流速、海面风速、潮差等影响大，施工器具大多布置在海洋工程船上，在高海况下，不仅无法施工，损失财产，甚至还会危及生命。通过水文监测系统对施工区域水文及气象进行监控、预测，在3G/4G网络不能够有效的覆盖远海区域，结合北斗卫星系统短报文功能，使施工方及时获取水文及气象信息，有效减小海上施工难度及危险性。
3 海上浮标系统应用
3.1 浮标布放
在施工开始前，岸/舰控制台配备电子海图，确定施工海域，由船舶或直升机将多组海上浮标布放在固定位置，确定施工海区边界，并由操作者在岸/舰控制台上录入浮标固定位置经纬度，指挥机和监控平台相连接，可在电子海图上将各个浮标的实时位置显示出来，由海浪发电和蓄电池驱动的动力系统能够让浮标保持在固定位置。
3.2 施工海区船舶告警
浮标布放后，操作者可在岸/舰控制台上录入施工船舶多角度图像及应答信息，确定浮标告警安全距离。毫米波雷达在探测到船舶后，会将船舶成像传输到告警系统终端，成像与已输入施工船舶图像进行比对，如果二者相似度过低，则浮标对侵入船舶进行告警，并将侵入船舶成像发送到岸/舰控制台。
3.3 施工海区水文监测及预报
水文监测系统由传感器采集施工海区剖面流速，水温，气温，风速，降雨、浪高、盐度等数据，按照设定的短报文方式，通过北斗嵌入式终端将数据发送至北斗空间卫星，再通过北斗卫星，转发到北斗地面站，同时其将数据转发给岸/舰控制台上北斗指挥型终端[3]。岸/舰控制台根据数据绝对误差订正方法对水文、气象数据进行误差订正，最终得到的数据可基本确定为施工海区海况水文，气象数据，从而使操作者得到施工海区实时海况及未来海况预报。
4 结语与展望
本设计方案与北斗卫星定位通信系统等高新技术结合，具有精度高、时效性强、安全性好、保密、适合在海上作业等特点。基于北斗卫星的海上浮标的应用，为海上施工提供参照物与实时水文数据，驱离无关船舶，能够大大降低海上施工难度，减小远海施工危险性，提高海上施工精度与效率，在海上施工方面可以发挥有效作用，具有显著的社会经济效益。
参考文献：
[1]戴洪磊，牟乃夏，王春玉，田茂义.我国海洋浮标发展现状及趋势.山东科技大学测绘工程学院，2014.6.
[2]白帆.北斗卫星导航系统在海上舰船实时定位中的应用.舰船电子工程，2018.02.013.
[3]郑世良.车载毫米波雷达关键技术研究.哈尔滨工业大学，2017.06.01.
作者简介：张熙恒，吉林建筑大学土木工程学院学生。
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