北斗导航系统在洋流监控系统中的应用

科技小论文北斗导航系统在洋流监测中的应用作者：方嘉晨，李浩然指导老师：陈志超（中国民用航空飞行学院，航空工程学院四川广汉618307）【摘要】目前我国正大力推进北斗卫星导航系统的建设，本文针对北斗卫星导航系统所具备的卫星定位导航功能与短报文通信功能，提出了利用北斗卫星导航系统进行海上洋流监测以实现诸多项目的设想。为有效地实现大规模、多类型洋流资料的监控与管理，进而实现更精准地海上天气预报、海洋生态建设、污染跟踪、洋流发电等多种项目，此设想中将北斗卫星定位导航功能、短报文通信功能相结合以更好地解决浮标位置跟踪和数据传送的问题。该方式定位精度高、通讯稳定性好、数据接收率高，能有效满足目前对洋流跟踪监控的需求。【关键词】北斗卫星、导航系统、洋流监测、海洋资料浮标、浮标监控管理应用背景洋流又称海流，海洋中除了由引潮力引起的潮汐运动外，海水沿一定途径的大规模流动。海流对海洋中多种物理过程、化学过程、生物过程和地质过程，以及海洋上空的气候和天气的形成及变化，都有影响和制约的作用。故了解和掌握海流的规律、大尺度海-气相互作用和长时期的气候变化，对能源、渔业、航运、排污和军事等都有重要意义。然而洋流运动性质十分复杂、难以捉摸，因此针对基于北斗系统的洋流监控系统的开发就显得十分有前景了。2000年至今以来，我国先后发射了4颗北斗一代导航实验卫星和15颗北斗二代导航卫星。根据北斗导航建设总体规划，2012年年底前系统覆盖范围将首先扩大到亚太地区。到2020年前后，系统的覆盖范围将扩展到全球，经纬度位置和垂直高度定位理论上能达到7.5m的精度。该系统最终能实现的定位精度、测速精度和授时精度分别可以达到10m、0.2m/s以及10ns。另外，北斗系统有后发的优势，所具备的短信通讯功能是GPS等其它系统所不具有的。北斗卫星通信无论是寻址方式、信道畅通率、用户容量、通信实时性和价格等方面都优于国际海事卫星通信。现在的北斗系统覆盖范围为经度70°E〜140°E，纬度5°N〜55°N，这个范围基本包括了我国全部管辖海域，此前，我国有北斗系统在溢油跟踪和水声浮标等方面的应用探索。本文将北斗二代卫星导航系统应用于大规模海洋资料浮标的监控与管理，定位保证地理位置监控的精确度，利用北斗双向通讯优势对海上浮标进行操控管理。国内需求分析洋流可使低纬度的热量向高纬度的热量传输，特别是暖流的贡献。而暖流经过的大陆沿海气温高，寒流经过的大陆沿海气温低。总体来说，暖流增加温度和湿度，寒流降低温度和湿度。所以加强对洋流的认识有利于对天气、气候的掌握。寒暖流交汇的海区，海水受到扰动，可以将下层营养盐类带到表洋流层，有利于鱼类大量繁殖，为鱼类提供诱饵；两种洋流还可以形成“水障”，阻碍鱼类活动，使得鱼群集中，往往形成较大的渔场。所以，此应用也有利于生态渔业的发展。洋流既可以使污染物因迅速扩散而加快其稀释和净化的速度，也相应地使污染范围扩大。故此项研究也有利于海洋污染的治理。在海洋运动中，洋流循着一定的路线周而复始地运动着，其规模比起陆地上的巨江大川则要大出成千上万倍。因此海水流动可以推动涡轮机发电，为人们输送绿色能源。中国的洋流能源也很丰富，沿海洋流的理论平均功率为1.4亿千瓦。未来若是洋流技术纯熟，将不失为我国解决能源问题的福音。海洋发电的支持者表示，海洋发电即便不能解决所有的需求，但是非常值得考虑的一种低污染、取之不尽的能源来源。所以这更有利于我们对未来新能源方式的探索。3.北斗卫星导航系统的工作原理1.北斗定位原理：北斗卫星定位的原理是3球交会计算，可以简化为2颗卫星和地球球心所在平面上的3圆交会计算（图1）。由两颗卫星全用户的半径距离确定用户所在点的位置（近地球球心点），从而计算经度、纬度、高度数值，当参与定位的卫星数量越多时，可以得到更为精确的定位数值。图（1）位置定位中的三圆交会计算2.北斗通讯原理：北斗用户终端设备通过有唯一标识ID号的IC卡实现入网信息管理和用户身份认证，每一次通信由起始用户终端、北斗卫星、地面控制中心三方面协作完成，最终到达目的用户终端（图2）。北斗民用通讯终端一次只能传输最多628个二进制位，整个传输过程只需1s左右即可完成。图（2）北斗通讯过程北斗定位的高精度应用北斗二代卫星导航系统正处于试运行服务阶段，其定位精度正在逐步提高。GPS定位模块定位精度相对较高，但稳定性有所欠缺。针对这种情况，考虑采用北斗定位与GPS定位相结合的定位方式，二者相互独立又相互补充。其中，GPS定位数据封装进海洋数据包中，同其它海洋监测数据一同通过北斗通讯传输全浮标数据管理中心。定时的北斗定位数据直接通过北斗自身定位功能传送到浮标数据管理中心。北斗定位与GPS定位相结合的定位方式能够保证浮标上当其中一个定位终端设备毁坏或者数据出现异常、丢失时，能及时通过另一定位数据进行补充，保证浮标地理位置数据的连续性，以便及时发现浮标位置偏移问题。洋流的跟踪系统中浮标的监控管理海洋资料浮标分布在我国沿海各海域，浮标监控与管理中心通过北斗指挥机管理各类浮标。在海洋资料浮标监管过程中，通讯网络采用分级结构（图3），分为浮标、北斗指挥机和浮标监管中心3个层次。海洋环境错综复杂，海况千变万化，在海上运行的浮标难以实现百分之百的数据传输成功率。此外，各类浮标的各种传感器、通讯、电源、锚系等设备需要在无人看管状态下进行昼夜24h的不间断运行，因此会不时发生各传感器状态异常以及数据丢失或错误等问题。为保障各类海洋浮标正常、准确运行，浮标监控与管理中心采取了相应措施，即建立北斗定位与GPS定位双保险保障对浮标地理位置的连续监控，采用数据发送与重复发送机制提高数据接收率，通过双向通讯管理实现浮标指挥命令的发送。

北斗系列卫星管理-通讯图（3）海洋浮标的分级监控与管理网络北斗系列卫星管理-通讯6.北斗卫星导航在洋流观测系统中的具体应用我国海洋监测领域各种类型的海洋资料浮标逐渐呈规模化、组网式发展，智能化浮标体的不断完善与发展为建立一种精度高、稳定性好的浮标数据模式成为可能。有了这些数量众多、功能齐全的小型移动浮标，洋流的各类信息监测将变得更加容易。浮标体的前置采集器采集主风、主方位、主波浪、主气压等信息，经过汇总整理得到气候相关信息，给沿海地区人们提前应对天气变化带来方便。浮标体的水质传感器负责洋流污染的信息收集而波浪、海流传感器则可以采集水下生物以及洋流流量方面的信息，再利用北斗系统位置导航和信息传输功能，从而能使海洋生态，洋流发电方面的应用进一步实现。我们将北斗卫星导航系统，GPS，浮标通信及地面监控管理站相结合，完成对各浮标、洋流的监控。一方面促进我国北斗卫星导航系统的应用，另一方面可以加强对海域资源的探索，有利于国家科技发展。基于北斗卫星导航系统的浮标数据系统，如图（4）（5）。前置采集器风、方位、波浪、气压J海流传感器生物、流量监测洋流生态保护利用

洋流发电

<前置采集器风、方位、波浪、气压J海流传感器生物、流量监测洋流生态保护利用

洋流发电

<J海洋气候预测水质传感器水质污染监测）洋流污染监测图（4）浮标体的分区功能里星I植倍机上碰福「求♦'「太胡峰登，喝灯\"1湿主没湖数据中心北斗Ivwar^at^C,a.CDUAGPRS:I/■J里星I植倍机上碰福「求♦'「太胡峰登，喝灯\"1湿主没湖数据中心'、\督理系统#ADCP、、广淳标体/备方位苗波浪图(5)基于北斗的浮标数据系统示意图浮标上载有北斗卫星导航系统用户机，用于浮标的定位以及和北斗系统地面控制中心的通信。当浮标被投入洋流中时，移动浮标将其位置信息通过北斗卫星系统发送给岸站监控与管理系统，进而把数据交由数据中心整理汇总得出信息。由此洋流中气候、生态、污染、流量信息就能对我国海洋生态环境改善、能源发展有所帮助。7.结语随着我国科技的高速发展，对于海洋方面的探索也将会越来越多，而海洋浩瀚无边，定位、传讯困难，因此卫星导航系统广泛应用必将是海洋探索的发展趋势，而我国自主研制的北斗卫星导航系统也可能逐渐进入我国的洋流探索领域，进一步加强对我国海洋资源的监管与综合治理，实现我们未来的诸多设想。参考文献黎明，时海勇.基于北斗卫星的大型海洋浮标通信机制研究[J].海洋技术，2012,31(1):12-13杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战J].测绘学报，2010，39(1)：120-121中国卫星导航定位应用管理中心.北斗卫星导航应用五年成就与启示[J].卫星与网络.，2009(Z1)：34-36胡刚，马昕，范秋燕.北斗卫星导航系统在海洋渔业上的应用[J].渔业现代化，2010，37(1):57-58倪晨华，杜敏.气象观测浮标短信查询及报警系统设计[J].海洋技术，201