北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在洋流監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

科技小論文北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在洋流監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用作者：方嘉晨，李浩然指導(dǎo)老師：陳志超（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院，航空工程學(xué)院四川廣漢618307）【摘要】目前我國(guó)正大力推進(jìn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，本文針對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所具備的衛(wèi)星定位導(dǎo)航功能與短報(bào)文通信功能，提出了利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行海上洋流監(jiān)測(cè)以實(shí)現(xiàn)諸多項(xiàng)目的設(shè)想。為有效地實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、多類型洋流資料的監(jiān)控與管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)地海上天氣預(yù)報(bào)、海洋生態(tài)建設(shè)、污染跟蹤、洋流發(fā)電等多種項(xiàng)目，此設(shè)想中將北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航功能、短報(bào)文通信功能相結(jié)合以更好地解決浮標(biāo)位置跟蹤和數(shù)據(jù)傳送的問題。該方式定位精度高、通訊穩(wěn)定性好、數(shù)據(jù)接收率高，能有效滿足目前對(duì)洋流跟蹤監(jiān)控的需求?！娟P(guān)鍵詞】北斗衛(wèi)星、導(dǎo)航系統(tǒng)、洋流監(jiān)測(cè)、海洋資料浮標(biāo)、浮標(biāo)監(jiān)控管理應(yīng)用背景洋流又稱海流，海洋中除了由引潮力引起的潮汐運(yùn)動(dòng)外，海水沿一定途徑的大規(guī)模流動(dòng)。海流對(duì)海洋中多種物理過程、化學(xué)過程、生物過程和地質(zhì)過程，以及海洋上空的氣候和天氣的形成及變化，都有影響和制約的作用。故了解和掌握海流的規(guī)律、大尺度海-氣相互作用和長(zhǎng)時(shí)期的氣候變化，對(duì)能源、漁業(yè)、航運(yùn)、排污和軍事等都有重要意義。然而洋流運(yùn)動(dòng)性質(zhì)十分復(fù)雜、難以捉摸，因此針對(duì)基于北斗系統(tǒng)的洋流監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)就顯得十分有前景了。2000年至今以來，我國(guó)先后發(fā)射了4顆北斗一代導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星和15顆北斗二代導(dǎo)航衛(wèi)星。根據(jù)北斗導(dǎo)航建設(shè)總體規(guī)劃，2012年年底前系統(tǒng)覆蓋范圍將首先擴(kuò)大到亞太地區(qū)。到2020年前后，系統(tǒng)的覆蓋范圍將擴(kuò)展到全球，經(jīng)緯度位置和垂直高度定位理論上能達(dá)到7.5m的精度。該系統(tǒng)最終能實(shí)現(xiàn)的定位精度、測(cè)速精度和授時(shí)精度分別可以達(dá)到10m、0.2m/s以及10ns。另外，北斗系統(tǒng)有后發(fā)的優(yōu)勢(shì)，所具備的短信通訊功能是GPS等其它系統(tǒng)所不具有的。北斗衛(wèi)星通信無論是尋址方式、信道暢通率、用戶容量、通信實(shí)時(shí)性和價(jià)格等方面都優(yōu)于國(guó)際海事衛(wèi)星通信。現(xiàn)在的北斗系統(tǒng)覆蓋范圍為經(jīng)度70°E?140°E，緯度5°N?55°N，這個(gè)范圍基本包括了我國(guó)全部管轄海域，此前，我國(guó)有北斗系統(tǒng)在溢油跟蹤和水聲浮標(biāo)等方面的應(yīng)用探索。本文將北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于大規(guī)模海洋資料浮標(biāo)的監(jiān)控與管理，定位保證地理位置監(jiān)控的精確度，利用北斗雙向通訊優(yōu)勢(shì)對(duì)海上浮標(biāo)進(jìn)行操控管理。國(guó)內(nèi)需求分析洋流可使低緯度的熱量向高緯度的熱量傳輸，特別是暖流的貢獻(xiàn)。而暖流經(jīng)過的大陸沿海氣溫高，寒流經(jīng)過的大陸沿海氣溫低?？傮w來說，暖流增加溫度和濕度，寒流降低溫度和濕度。所以加強(qiáng)對(duì)洋流的認(rèn)識(shí)有利于對(duì)天氣、氣候的掌握。寒暖流交匯的海區(qū)，海水受到擾動(dòng)，可以將下層營(yíng)養(yǎng)鹽類帶到表洋流層，有利于魚類大量繁殖，為魚類提供誘餌；兩種洋流還可以形成“水障”，阻礙魚類活動(dòng)，使得魚群集中，往往形成較大的漁場(chǎng)。所以，此應(yīng)用也有利于生態(tài)漁業(yè)的發(fā)展。洋流既可以使污染物因迅速擴(kuò)散而加快其稀釋和凈化的速度，也相應(yīng)地使污染范圍擴(kuò)大。故此項(xiàng)研究也有利于海洋污染的治理。在海洋運(yùn)動(dòng)中，洋流循著一定的路線周而復(fù)始地運(yùn)動(dòng)著，其規(guī)模比起陸地上的巨江大川則要大出成千上萬(wàn)倍。因此海水流動(dòng)可以推動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電，為人們輸送綠色能源。中國(guó)的洋流能源也很豐富，沿海洋流的理論平均功率為1.4億千瓦。未來若是洋流技術(shù)純熟，將不失為我國(guó)解決能源問題的福音。海洋發(fā)電的支持者表示，海洋發(fā)電即便不能解決所有的需求，但是非常值得考慮的一種低污染、取之不盡的能源來源。所以這更有利于我們對(duì)未來新能源方式的探索。3.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理1.北斗定位原理：北斗衛(wèi)星定位的原理是3球交會(huì)計(jì)算，可以簡(jiǎn)化為2顆衛(wèi)星和地球球心所在平面上的3圓交會(huì)計(jì)算（圖1）。由兩顆衛(wèi)星全用戶的半徑距離確定用戶所在點(diǎn)的位置（近地球球心點(diǎn)），從而計(jì)算經(jīng)度、緯度、高度數(shù)值，當(dāng)參與定位的衛(wèi)星數(shù)量越多時(shí)，可以得到更為精確的定位數(shù)值。圖（1）位置定位中的三圓交會(huì)計(jì)算2.北斗通訊原理：北斗用戶終端設(shè)備通過有唯一標(biāo)識(shí)ID號(hào)的IC卡實(shí)現(xiàn)入網(wǎng)信息管理和用戶身份認(rèn)證，每一次通信由起始用戶終端、北斗衛(wèi)星、地面控制中心三方面協(xié)作完成，最終到達(dá)目的用戶終端（圖2）。北斗民用通訊終端一次只能傳輸最多628個(gè)二進(jìn)制位，整個(gè)傳輸過程只需1s左右即可完成。圖（2）北斗通訊過程北斗定位的高精度應(yīng)用北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正處于試運(yùn)行服務(wù)階段，其定位精度正在逐步提高。GPS定位模塊定位精度相對(duì)較高，但穩(wěn)定性有所欠缺。針對(duì)這種情況，考慮采用北斗定位與GPS定位相結(jié)合的定位方式，二者相互獨(dú)立又相互補(bǔ)充。其中，GPS定位數(shù)據(jù)封裝進(jìn)海洋數(shù)據(jù)包中，同其它海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一同通過北斗通訊傳輸全浮標(biāo)數(shù)據(jù)管理中心。定時(shí)的北斗定位數(shù)據(jù)直接通過北斗自身定位功能傳送到浮標(biāo)數(shù)據(jù)管理中心。北斗定位與GPS定位相結(jié)合的定位方式能夠保證浮標(biāo)上當(dāng)其中一個(gè)定位終端設(shè)備毀壞或者數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常、丟失時(shí)，能及時(shí)通過另一定位數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充，保證浮標(biāo)地理位置數(shù)據(jù)的連續(xù)性，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)浮標(biāo)位置偏移問題。洋流的跟蹤系統(tǒng)中浮標(biāo)的監(jiān)控管理海洋資料浮標(biāo)分布在我國(guó)沿海各海域，浮標(biāo)監(jiān)控與管理中心通過北斗指揮機(jī)管理各類浮標(biāo)。在海洋資料浮標(biāo)監(jiān)管過程中，通訊網(wǎng)絡(luò)采用分級(jí)結(jié)構(gòu)（圖3），分為浮標(biāo)、北斗指揮機(jī)和浮標(biāo)監(jiān)管中心3個(gè)層次。海洋環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，海況千變?nèi)f化，在海上運(yùn)行的浮標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)百分之百的數(shù)據(jù)傳輸成功率。此外，各類浮標(biāo)的各種傳感器、通訊、電源、錨系等設(shè)備需要在無人看管狀態(tài)下進(jìn)行晝夜24h的不間斷運(yùn)行，因此會(huì)不時(shí)發(fā)生各傳感器狀態(tài)異常以及數(shù)據(jù)丟失或錯(cuò)誤等問題。為保障各類海洋浮標(biāo)正常、準(zhǔn)確運(yùn)行，浮標(biāo)監(jiān)控與管理中心采取了相應(yīng)措施，即建立北斗定位與GPS定位雙保險(xiǎn)保障對(duì)浮標(biāo)地理位置的連續(xù)監(jiān)控，采用數(shù)據(jù)發(fā)送與重復(fù)發(fā)送機(jī)制提高數(shù)據(jù)接收率，通過雙向通訊管理實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)指揮命令的發(fā)送。

北斗系列衛(wèi)星管理-通訊圖（3）海洋浮標(biāo)的分級(jí)監(jiān)控與管理網(wǎng)絡(luò)北斗系列衛(wèi)星管理-通訊6.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航在洋流觀測(cè)系統(tǒng)中的具體應(yīng)用我國(guó)海洋監(jiān)測(cè)領(lǐng)域各種類型的海洋資料浮標(biāo)逐漸呈規(guī)?；⒔M網(wǎng)式發(fā)展，智能化浮標(biāo)體的不斷完善與發(fā)展為建立一種精度高、穩(wěn)定性好的浮標(biāo)數(shù)據(jù)模式成為可能。有了這些數(shù)量眾多、功能齊全的小型移動(dòng)浮標(biāo)，洋流的各類信息監(jiān)測(cè)將變得更加容易。浮標(biāo)體的前置采集器采集主風(fēng)、主方位、主波浪、主氣壓等信息，經(jīng)過匯總整理得到氣候相關(guān)信息，給沿海地區(qū)人們提前應(yīng)對(duì)天氣變化帶來方便。浮標(biāo)體的水質(zhì)傳感器負(fù)責(zé)洋流污染的信息收集而波浪、海流傳感器則可以采集水下生物以及洋流流量方面的信息，再利用北斗系統(tǒng)位置導(dǎo)航和信息傳輸功能，從而能使海洋生態(tài)，洋流發(fā)電方面的應(yīng)用進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。我們將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，GPS，浮標(biāo)通信及地面監(jiān)控管理站相結(jié)合，完成對(duì)各浮標(biāo)、洋流的監(jiān)控。一方面促進(jìn)我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用，另一方面可以加強(qiáng)對(duì)海域資源的探索，有利于國(guó)家科技發(fā)展?；诒倍沸l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的浮標(biāo)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，如圖（4）（5）。前置采集器風(fēng)、方位、波浪、氣壓J海流傳感器生物、流量監(jiān)測(cè)洋流生態(tài)保護(hù)利用

洋流發(fā)電

<前置采集器風(fēng)、方位、波浪、氣壓J海流傳感器生物、流量監(jiān)測(cè)洋流生態(tài)保護(hù)利用

洋流發(fā)電

<J海洋氣候預(yù)測(cè)水質(zhì)傳感器水質(zhì)污染監(jiān)測(cè)）洋流污染監(jiān)測(cè)圖（4）浮標(biāo)體的分區(qū)功能里星I植倍機(jī)上碰福「求?'「太胡峰登，喝燈\"1濕主沒湖數(shù)據(jù)中心北斗Ivwar^at^C,a.CDUAGPRS:I/■J里星I植倍機(jī)上碰?！盖?'「太胡峰登，喝燈\"1濕主沒湖數(shù)據(jù)中心'、\督理系統(tǒng)#ADCP、、廣淳標(biāo)體/備方位苗波浪圖(5)基于北斗的浮標(biāo)數(shù)據(jù)系統(tǒng)示意圖浮標(biāo)上載有北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用戶機(jī)，用于浮標(biāo)的定位以及和北斗系統(tǒng)地面控制中心的通信。當(dāng)浮標(biāo)被投入洋流中時(shí)，移動(dòng)浮標(biāo)將其位置信息通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)送給岸站監(jiān)控與管理系統(tǒng)，進(jìn)而把數(shù)據(jù)交由數(shù)據(jù)中心整理匯總得出信息。由此洋流中氣候、生態(tài)、污染、流量信息就能對(duì)我國(guó)海洋生態(tài)環(huán)境改善、能源發(fā)展有所幫助。7.結(jié)語(yǔ)隨著我國(guó)科技的高速發(fā)展，對(duì)于海洋方面的探索也將會(huì)越來越多，而海洋浩瀚無邊，定位、傳訊困難，因此衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)廣泛應(yīng)用必將是海洋探索的發(fā)展趨勢(shì)，而我國(guó)自主研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也可能逐漸進(jìn)入我國(guó)的洋流探索領(lǐng)域，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)我國(guó)海洋資源的監(jiān)管與綜合治理，實(shí)現(xiàn)我們未來的諸多設(shè)想。參考文獻(xiàn)黎明，時(shí)海勇.基于北斗衛(wèi)星的大型海洋浮標(biāo)通信機(jī)制研究[J].海洋技術(shù)，2012,31(1):12-13楊元喜.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)展、貢獻(xiàn)與挑戰(zhàn)J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2010，39(1)：120-121中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用管理中心.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用五年成就與啟示[J].衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò).，2009(Z1)：34-36胡剛，馬昕，范秋燕.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在海洋漁業(yè)上的應(yīng)用[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2010，37(1):57-58倪晨華，杜敏.氣象觀測(cè)浮標(biāo)短信查詢及報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].海洋技術(shù)，201