北斗導航系統(tǒng)在洋流監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

科技小論文北斗導航系統(tǒng)在洋流監(jiān)測中的應用作者：方嘉晨，李浩然指導老師：陳志超（中國民用航空飛行學院，航空工程學院四川廣漢618307）【摘要】目前我國正大力推進北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設，本文針對北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)所具備的衛(wèi)星定位導航功能與短報文通信功能，提出了利用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行海上洋流監(jiān)測以實現(xiàn)諸多項目的設想。為有效地實現(xiàn)大規(guī)模、多類型洋流資料的監(jiān)控與管理，進而實現(xiàn)更精準地海上天氣預報、海洋生態(tài)建設、污染跟蹤、洋流發(fā)電等多種項目，此設想中將北斗衛(wèi)星定位導航功能、短報文通信功能相結合以更好地解決浮標位置跟蹤和數(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，能有效滿足目前對洋流跟蹤監(jiān)控的需求?！娟P鍵詞】北斗衛(wèi)星、導航系統(tǒng)、洋流監(jiān)測、海洋資料浮標、浮標監(jiān)控管理應用背景洋流又稱海流，海洋中除了由引潮力引起的潮汐運動外，海水沿一定途徑的大規(guī)模流動。海流對海洋中多種物理過程、化學過程、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-氣相互作用和長時期的氣候變化，對能源、漁業(yè)、航運、排污和軍事等都有重要意義。然而洋流運動性質(zhì)十分復雜、難以捉摸，因此針對基于北斗系統(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，我國先后發(fā)射了4顆北斗一代導航實驗衛(wèi)星和15顆北斗二代導航衛(wèi)星。根據(jù)北斗導航建設總體規(guī)劃，2012年年底前系統(tǒng)覆蓋范圍將首先擴大到亞太地區(qū)。到2020年前后，系統(tǒng)的覆蓋范圍將擴展到全球，經(jīng)緯度位置和垂直高度定位理論上能達到7.5m的精度。該系統(tǒng)最終能實現(xiàn)的定位精度、測速精度和授時精度分別可以達到10m、0.2m/s以及10ns。另外，北斗系統(tǒng)有后發(fā)的優(yōu)勢，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、通信實時性和價格等方面都優(yōu)于國際海事衛(wèi)星通信?，F(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，這個范圍基本包括了我國全部管轄海域，此前，我國有北斗系統(tǒng)在溢油跟蹤和水聲浮標等方面的應用探索。本文將北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用于大規(guī)模海洋資料浮標的監(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)勢對海上浮標進行操控管理。國內(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。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。所以加強對洋流的認識有利于對天氣、氣候的掌握。寒暖流交匯的海區(qū)，海水受到擾動，可以將下層營養(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，使得魚群集中，往往形成較大的漁場。所以，此應用也有利于生態(tài)漁業(yè)的發(fā)展。洋流既可以使污染物因迅速擴散而加快其稀釋和凈化的速度，也相應地使污染范圍擴大。故此項研究也有利于海洋污染的治理。在海洋運動中，洋流循著一定的路線周而復始地運動著，其規(guī)模比起陸地上的巨江大川則要大出成千上萬倍。因此海水流動可以推動渦輪機發(fā)電，為人們輸送綠色能源。中國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。未來若是洋流技術純熟，將不失為我國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未來新能源方式的探索。3.北斗衛(wèi)星導航系統(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球交會計算，可以簡化為2顆衛(wèi)星和地球球心所在平面上的3圓交會計算（圖1）。由兩顆衛(wèi)星全用戶的半徑距離確定用戶所在點的位置（近地球球心點），從而計算經(jīng)度、緯度、高度數(shù)值，當參與定位的衛(wèi)星數(shù)量越多時，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計算2.北斗通訊原理：北斗用戶終端設備通過有唯一標識ID號的IC卡實現(xiàn)入網(wǎng)信息管理和用戶身份認證，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個二進制位，整個傳輸過程只需1s左右即可完成。圖（2）北斗通訊過程北斗定位的高精度應用北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)正處于試運行服務階段，其定位精度正在逐步提高。GPS定位模塊定位精度相對較高，但穩(wěn)定性有所欠缺。針對這種情況，考慮采用北斗定位與GPS定位相結合的定位方式，二者相互獨立又相互補充。其中，GPS定位數(shù)據(jù)封裝進海洋數(shù)據(jù)包中，同其它海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)一同通過北斗通訊傳輸全浮標數(shù)據(jù)管理中心。定時的北斗定位數(shù)據(jù)直接通過北斗自身定位功能傳送到浮標數(shù)據(jù)管理中心。北斗定位與GPS定位相結合的定位方式能夠保證浮標上當其中一個定位終端設備毀壞或者數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常、丟失時，能及時通過另一定位數(shù)據(jù)進行補充，保證浮標地理位置數(shù)據(jù)的連續(xù)性，以便及時發(fā)現(xiàn)浮標位置偏移問題。洋流的跟蹤系統(tǒng)中浮標的監(jiān)控管理海洋資料浮標分布在我國沿海各海域，浮標監(jiān)控與管理中心通過北斗指揮機管理各類浮標。在海洋資料浮標監(jiān)管過程中，通訊網(wǎng)絡采用分級結構（圖3），分為浮標、北斗指揮機和浮標監(jiān)管中心3個層次。海洋環(huán)境錯綜復雜，海況千變?nèi)f化，在海上運行的浮標難以實現(xiàn)百分之百的數(shù)據(jù)傳輸成功率。此外，各類浮標的各種傳感器、通訊、電源、錨系等設備需要在無人看管狀態(tài)下進行晝夜24h的不間斷運行，因此會不時發(fā)生各傳感器狀態(tài)異常以及數(shù)據(jù)丟失或錯誤等問題。為保障各類海洋浮標正常、準確運行，浮標監(jiān)控與管理中心采取了相應措施，即建立北斗定位與GPS定位雙保險保障對浮標地理位置的連續(xù)監(jiān)控，采用數(shù)據(jù)發(fā)送與重復發(fā)送機制提高數(shù)據(jù)接收率，通過雙向通訊管理實現(xiàn)浮標指揮命令的發(fā)送。

北斗系列衛(wèi)星管理-通訊圖（3）海洋浮標的分級監(jiān)控與管理網(wǎng)絡北斗系列衛(wèi)星管理-通訊6.北斗衛(wèi)星導航在洋流觀測系統(tǒng)中的具體應用我國海洋監(jiān)測領域各種類型的海洋資料浮標逐漸呈規(guī)?；⒔M網(wǎng)式發(fā)展，智能化浮標體的不斷完善與發(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浮標，洋流的各類信息監(jiān)測將變得更加容易。浮標體的前置采集器采集主風、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信息，給沿海地區(qū)人們提前應對天氣變化帶來方便。浮標體的水質(zhì)傳感器負責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)電方面的應用進一步實現(xiàn)。我們將北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，GPS，浮標通信及地面監(jiān)控管理站相結合，完成對各浮標、洋流的監(jiān)控。一方面促進我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的應用，另一方面可以加強對海域資源的探索，有利于國家科技發(fā)展?；诒倍沸l(wèi)星導航系統(tǒng)的浮標數(shù)據(jù)系統(tǒng)，如圖（4）（5）。前置采集器風、方位、波浪、氣壓J海流傳感器生物、流量監(jiān)測洋流生態(tài)保護利用

洋流發(fā)電

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

洋流發(fā)電

<J海洋氣候預測水質(zhì)傳感器水質(zhì)污染監(jiān)測）洋流污染監(jiān)測圖（4）浮標體的分區(qū)功能里星I植倍機上碰福「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植倍機上碰福「求?'「太胡峰登，喝燈\"1濕主沒湖數(shù)據(jù)中心'、\督理系統(tǒng)#ADCP、、廣淳標體/備方位苗波浪圖(5)基于北斗的浮標數(shù)據(jù)系統(tǒng)示意圖浮標上載有北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)用戶機，用于浮標的定位以及和北斗系統(tǒng)地面控制中心的通信。當浮標被投入洋流中時，移動浮標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、流量信息就能對我國海洋生態(tài)環(huán)境改善、能源發(fā)展有所幫助。7.結語隨著我國科技的高速發(fā)展，對于海洋方面的探索也將會越來越多，而海洋浩瀚無邊，定位、傳訊困難，因此衛(wèi)星導航系統(tǒng)廣泛應用必將是海洋探索的發(fā)展趨勢，而我國自主研制的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)也可能逐漸進入我國的洋流探索領域，進一步加強對我國海洋資源的監(jiān)管與綜合治理，實現(xiàn)我們未來的諸多設想。參考文獻黎明，時海勇.基于北斗衛(wèi)星的大型海洋浮標通信機制研究[J].海洋技術，2012,31(1):12-13楊元喜.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的進展、貢獻與挑戰(zhàn)J].測繪學報，2010，39(1)：120-121中國衛(wèi)星導航定位應用管理中心.北斗衛(wèi)星導航應用五年成就與啟示[J].衛(wèi)星與網(wǎng)絡.，2009(Z1)：34-36胡剛，馬昕，范秋燕.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在海洋漁業(yè)上的應用[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2010，37(1):57-58倪晨華，杜敏.氣象觀測浮標短信查詢及報警系統(tǒng)設計[J].海洋技術，201