基于北斗衛(wèi)星的溢油跟蹤浮標(biāo)

楊瑞，顧群

(交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院，北京 100088)

0 引言

為進(jìn)一步滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活質(zhì)量提高的需求，我國(guó)正在加大海洋開發(fā)利用力度和大力發(fā)展水上交通運(yùn)輸業(yè)，這使水上活動(dòng)日益繁忙，海運(yùn)量急劇增加.同時(shí)，船舶大型化的快速發(fā)展、超萬(wàn)箱集裝箱船和30萬(wàn)噸級(jí)油船的頻繁到港以及船舶到港密度的增加使海上發(fā)生重大交通事故和溢油事故的風(fēng)險(xiǎn)不斷加大.我國(guó)今后將長(zhǎng)期面臨水上交通安全和環(huán)境保護(hù)的巨大壓力，加強(qiáng)水上交通安全和提高環(huán)境事故處理能力刻不容緩.

我國(guó)石油消費(fèi)的高峰已經(jīng)到來(lái)，為此，國(guó)家已開始實(shí)施石油安全戰(zhàn)略，依靠石油進(jìn)口建設(shè)國(guó)家石油儲(chǔ)備基地已成為我國(guó)能源發(fā)展的長(zhǎng)期戰(zhàn)略.近年來(lái)，我國(guó)原油進(jìn)口量平均年增長(zhǎng)18%.船舶溢油既可造成萬(wàn)噸級(jí)原油泄漏的重大溢油污染事故，又會(huì)造成難以挽回的生態(tài)環(huán)境災(zāi)難以及巨大的經(jīng)濟(jì)損失.我國(guó)溢油主動(dòng)監(jiān)測(cè)和跟蹤定位設(shè)備大多依賴進(jìn)口，常用的跟蹤監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有海事搜尋［1]、雷達(dá)技術(shù)［2-3]、軟件模擬技術(shù)［4-6]、浮標(biāo)技術(shù)［7-9]、遙感技術(shù)［10]等，國(guó)產(chǎn)設(shè)備技術(shù)水平較低，系列化成套產(chǎn)品嚴(yán)重不足，在溢油預(yù)報(bào)、跟蹤監(jiān)測(cè)、應(yīng)急方案優(yōu)化、溢油應(yīng)急業(yè)務(wù)化等方面急需發(fā)展.

本文在闡述溢油跟蹤浮標(biāo)的技術(shù)特點(diǎn)和研究情況的基礎(chǔ)上，通過(guò)水動(dòng)力學(xué)優(yōu)化研究，完善跟蹤浮標(biāo)技術(shù)參數(shù)，采用定位通信衛(wèi)星，研制具有多功能、全天候、代表性溢油類型的溢油跟蹤浮標(biāo)，并開展海上應(yīng)用試驗(yàn).試驗(yàn)表明，該浮標(biāo)對(duì)不同海況、不同油膜均具有良好的跟蹤和監(jiān)測(cè)能力，可滿足水上溢油跟蹤定位和監(jiān)測(cè)的需要.

1 溢油跟蹤浮標(biāo)技術(shù)現(xiàn)狀

溢油跟蹤浮標(biāo)是一種隨波浪漂流的表層漂流微型浮標(biāo)，能實(shí)現(xiàn)溢油的跟蹤定位，具有全天候使用和全程監(jiān)測(cè)能力，是一種海上溢油實(shí)時(shí)追蹤監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定、可靠、成本低廉的技術(shù)方法.

根據(jù)浮標(biāo)應(yīng)用行業(yè)和用途的不同，大部分浮標(biāo)的質(zhì)量為3～50 kg，一些具有特別用途的浮標(biāo)質(zhì)量可達(dá)噸級(jí)，其中:用于定點(diǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)的錨系浮標(biāo)，多采用鋼板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，質(zhì)量基本在噸級(jí)范圍，其安裝、維護(hù)等需吊裝的作業(yè)內(nèi)容均需船舶吊機(jī)協(xié)助完成;用于海上洋流監(jiān)測(cè)的流型浮標(biāo)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，洋流、氣象等傳感器系統(tǒng)龐大，質(zhì)量一般可達(dá)35～50 kg;具備溢油跟蹤功能的浮標(biāo)，有良好的漂流性能，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，質(zhì)量一般為3～25 kg.

在國(guó)外，美國(guó)Met-O公司在溢油跟蹤漂流浮標(biāo)產(chǎn)品和技術(shù)上處于領(lǐng)先.該公司生產(chǎn)的Argospheres浮標(biāo)表面直徑28 cm，質(zhì)量8 kg，結(jié)構(gòu)為玻璃鋼或一體化注塑，可在大氣溫度-20～50℃，浪高0～30英尺(1英尺≈0.304 8 m)的環(huán)境條件下工作，通信設(shè)備多采用ARGOS衛(wèi)星或銥星，定位采用GPS，由于其使用的通信網(wǎng)絡(luò)具有較大的時(shí)滯，在溢油跟蹤方面沒有實(shí)際應(yīng)用.

臺(tái)灣圣杰科技公司開發(fā)出海上漂流浮標(biāo)，其中SJ8989型浮標(biāo)外部尺寸為40 cm×40 cm×60 cm，質(zhì)量約為20 kg，采用GPS定位、SiRF STAR II天線和VHF通信，主要使用在海上漁網(wǎng)跟蹤定位方面，無(wú)溢油跟蹤能力.

國(guó)家海洋技術(shù)中心是我國(guó)開展浮標(biāo)技術(shù)研究較為深入的研究單位，其開發(fā)的自持式剖面循環(huán)探測(cè)漂流浮標(biāo)、表面漂流浮標(biāo)等在海洋環(huán)境探測(cè)等方面發(fā)揮顯著作用，其中FZS3-1型表層漂流浮標(biāo)最具有技術(shù)代表性.該浮標(biāo)利用ARGOS衛(wèi)星系統(tǒng)定位通信，測(cè)量表層水溫和水下水帆所在水層的平均海流，主要觀測(cè)分析海域的表層海流特征和漂移路徑上的溫度變化，不具備溢油跟蹤功能.

國(guó)內(nèi)外表層漂流微型浮標(biāo)產(chǎn)品見圖1.

圖1 國(guó)內(nèi)外表層漂流微型浮標(biāo)產(chǎn)品

目前，國(guó)際上對(duì)于海洋環(huán)保和環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)十分重視，我國(guó)現(xiàn)階段也正在加大海洋環(huán)保及監(jiān)測(cè)力度.近幾年在水上浮標(biāo)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面有所突破，但能用于溢油跟蹤定位的浮標(biāo)還需更進(jìn)一步研究.溢油跟蹤浮標(biāo)在提高跟蹤性能的基礎(chǔ)上，正朝著微型化、智能化、全天候、全過(guò)程的方向發(fā)展.

2 溢油跟蹤浮標(biāo)關(guān)鍵技術(shù)研究

在對(duì)國(guó)外相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行充分研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)配套元器件條件，根據(jù)浮標(biāo)搭載衛(wèi)星通信模塊、電池組及相關(guān)傳感元件的特點(diǎn)，通過(guò)開展浮標(biāo)海面漂移的水動(dòng)力學(xué)性能研究、衛(wèi)星定位通信技術(shù)研究、海上溢油漂移模型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)研究等工作，完成具有多功能、全天候、全過(guò)程的溢油跟蹤浮標(biāo)研制.

2.1 總體參數(shù)設(shè)計(jì)

本文對(duì)海上浮標(biāo)的形狀、結(jié)構(gòu)、功能進(jìn)行分析和研究，開展浮標(biāo)體材料、制造工藝、成型方法，浮標(biāo)外形及質(zhì)量，浮標(biāo)功能，浮標(biāo)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，電池設(shè)計(jì)及配置，控制單元、衛(wèi)星定位通信裝置、浮標(biāo)相關(guān)軟件等方面的研究工作.通過(guò)水動(dòng)力學(xué)性能研究、漂移模型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)研究，使浮標(biāo)技術(shù)參數(shù)更加合理.

研制的溢油跟蹤浮標(biāo)主要由浮標(biāo)體、衛(wèi)星定位設(shè)備、衛(wèi)星通信設(shè)備、控制系統(tǒng)軟硬件、內(nèi)部鋰電池組、傳感器等部分組成.海上溢油跟蹤浮標(biāo)總體設(shè)計(jì)見圖2.

2.2 水動(dòng)力學(xué)技術(shù)研究

溢油跟蹤浮標(biāo)在表層海水中受到風(fēng)力和洋流的共同作用.如果溢油跟蹤浮標(biāo)能完全跟蹤溢油油膜，則溢油跟蹤浮標(biāo)與油膜具有相同的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向，并且浮標(biāo)處于受力平衡的狀態(tài).［11]

圖2 海上溢油跟蹤浮標(biāo)總體設(shè)計(jì)

風(fēng)對(duì)溢油跟蹤浮標(biāo)的作用力可表示為

式中:Fair為風(fēng)對(duì)浮標(biāo)的作用力;ρa(bǔ)ir為海面空氣的密度;Vair為海面風(fēng)速;V0為溢油漂移速度;A2為迎風(fēng)面積;CDa為浮標(biāo)的空氣阻力因數(shù).

當(dāng)浮標(biāo)勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，處于受力平衡的狀態(tài)，受到的海水阻力與風(fēng)推力平衡，得

式中:ζ為風(fēng)因數(shù)，該值通常采用海上實(shí)測(cè)的方式獲得;α為風(fēng)生流因數(shù)，為海流緯度;ρwater為海水密度;A1為迎水面積;CDc為浮標(biāo)的水阻力因數(shù);h為浮標(biāo)水面以上高度.

根據(jù)水上浮標(biāo)的形狀、尺寸、質(zhì)量參數(shù)，可確定某溢油跟蹤浮標(biāo)的平衡參數(shù)，從而推導(dǎo)出其風(fēng)因數(shù)水動(dòng)力學(xué)平衡模型.令

則溢油跟蹤浮標(biāo)的平衡方程可簡(jiǎn)化為

根據(jù)相關(guān)研究，溢油跟蹤浮標(biāo)內(nèi)腔需放置相關(guān)電子通信定位設(shè)備，故應(yīng)具備一定的空腔體積;另外，綜合浮標(biāo)內(nèi)腔各設(shè)備部件的質(zhì)量，溢油跟蹤浮標(biāo)的質(zhì)量一般應(yīng)在3～10 kg，常見的基本在7 kg左右.

為掌握不同幾何形狀浮標(biāo)對(duì)油膜的跟蹤效果，查閱國(guó)際上相關(guān)技術(shù)資料，綜合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外常見浮標(biāo)的形狀，本文針對(duì)球形、橢球形、正圓臺(tái)、倒圓臺(tái)(類蘑菇型)、圓柱等幾類浮標(biāo)進(jìn)行研究，繪制不同形狀浮標(biāo)的風(fēng)因數(shù)變化曲線，見圖3.

圖3 不同形狀浮標(biāo)的風(fēng)因數(shù)變化曲線

對(duì)溢油跟蹤浮標(biāo)的風(fēng)因數(shù)水動(dòng)力學(xué)平衡模型和不同形狀浮標(biāo)風(fēng)因數(shù)變化曲線的分析研究可以發(fā)現(xiàn):在體積一定的條件下，隨著浮標(biāo)質(zhì)量的增加，球形浮標(biāo)和橢球形浮標(biāo)的風(fēng)因數(shù)變化不大，而圓臺(tái)浮標(biāo)和圓柱浮標(biāo)風(fēng)因數(shù)變化較大;對(duì)于球形、圓柱、正圓臺(tái)和倒圓臺(tái)4種體積相同的浮標(biāo)，其質(zhì)量大約在7 kg時(shí)，風(fēng)因數(shù)由大到小依次為正圓臺(tái)、圓柱、倒圓臺(tái)、橢球形、球形浮標(biāo).綜上，在相同的條件下，球形浮標(biāo)的水面溢油跟蹤能力具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì).

在我國(guó)沿海海域，浮標(biāo)風(fēng)因數(shù)的范圍為0.02～0.07.［12]從不同的溢油事故中測(cè)得的數(shù)據(jù)表明，油膜的風(fēng)因數(shù)取值不是唯一的，范圍為 0.025～0.055.研究表明，對(duì)于某一特定尺寸的浮標(biāo)，隨著浮標(biāo)質(zhì)量的增加，浮標(biāo)風(fēng)因數(shù)逐漸減小，進(jìn)一步說(shuō)，浮標(biāo)質(zhì)量越大，越適合跟蹤風(fēng)因數(shù)小的油膜，反之，浮標(biāo)質(zhì)量越小，越適合跟蹤風(fēng)因數(shù)大的油膜;對(duì)于某一特定質(zhì)量的浮標(biāo)而言，隨著浮標(biāo)尺寸的增大，浮標(biāo)風(fēng)因數(shù)逐漸增大，進(jìn)一步說(shuō)，浮標(biāo)尺寸越大，越適合跟蹤風(fēng)因數(shù)大的油膜，反之，浮標(biāo)尺寸越小，越適合跟蹤風(fēng)因數(shù)小的油膜.因此，針對(duì)某一穩(wěn)定海況和油膜，可通過(guò)優(yōu)化浮標(biāo)參數(shù)(尺寸、質(zhì)量)與溢油風(fēng)因數(shù)的特定組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)溢油的跟蹤.

2.3 北斗定位通信系統(tǒng)

目前，水上表層漂流浮標(biāo)一般用GPS完成定位功能、采用衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)通信要求.在溢油事故發(fā)生后立即將浮標(biāo)投放在厚油膜層中，浮標(biāo)隨油膜一起漂移，通過(guò)通信系統(tǒng)接收浮標(biāo)的位置及相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)溢油位置、漂移速度、軌跡和方向的實(shí)時(shí)跟蹤.因此，通信定位系統(tǒng)在海上溢油跟蹤浮標(biāo)上的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、實(shí)用性就顯得尤為重要.

現(xiàn)階段，常用的衛(wèi)星系統(tǒng)主要有ARGOS，GPS，Beidou，Galileo，GLONASS，INMARSAT 和 IRIDIUM等.ARGOS是法國(guó)建設(shè)的，是國(guó)際上廣泛應(yīng)用的一種衛(wèi)星數(shù)據(jù)收集和定位系統(tǒng);GPS是美國(guó)在20世紀(jì)70年代研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，可提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù);Beidou是由中國(guó)建立的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位、通信、授時(shí)等功能;Galileo是歐盟發(fā)射的一種中高度圓軌道衛(wèi)星定位系統(tǒng);GLONASS是在20世紀(jì)80年代由前蘇聯(lián)建設(shè)的全球定位系統(tǒng);INMARSAT是采用多址無(wú)線通信方式的通信衛(wèi)星;IRIDIUM是基于低軌道衛(wèi)星群的全球衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng).

根據(jù)上述通信定位系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用情況，統(tǒng)計(jì)出各系統(tǒng)具有的特點(diǎn)，見表1.

表1 通信定位系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用對(duì)比

根據(jù)溢油跟蹤浮標(biāo)的使用特點(diǎn)以及北斗衛(wèi)星定位通信系統(tǒng)在定位、通信上具有的不可比擬的優(yōu)越性，項(xiàng)目研制出的低功耗、高可靠性的北斗小型板卡非常適合應(yīng)用于該溢油應(yīng)急裝備的通信定位系統(tǒng).

3 溢油跟蹤浮標(biāo)技術(shù)參數(shù)及特點(diǎn)

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

溢油跟蹤浮標(biāo)具有全天候使用和全過(guò)程監(jiān)測(cè)能力.通過(guò)對(duì)溢油跟蹤浮標(biāo)形狀、結(jié)構(gòu)、功能的優(yōu)化研究，研制出BOT-A型海上溢油跟蹤浮標(biāo)，其外觀和主要技術(shù)參數(shù)［13]分別見圖4和表2.

圖4 BOT-A型海上溢油跟蹤浮標(biāo)

表2 BOT-A型海上溢油跟蹤浮標(biāo)主要技術(shù)參數(shù)

3.2 主要技術(shù)特點(diǎn)

(1)先進(jìn)可靠、跟蹤性能好.產(chǎn)品采用定制通信定位設(shè)備，全面提高可靠性;外表面直徑25 cm，方便搬運(yùn)及存儲(chǔ);產(chǎn)品總質(zhì)量4 kg，容易投放及回收;跟蹤性能好，可完成水上實(shí)時(shí)跟蹤.

(2)定位通信系統(tǒng)靈活.產(chǎn)品采用空間衛(wèi)星通信定位方式，數(shù)據(jù)鏈路可靠，定位系統(tǒng)精度高，具備精確定位能力;平臺(tái)首選北斗衛(wèi)星定位通信系統(tǒng)，可集成通信、定位功能自由無(wú)縫組合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息交換的無(wú)障礙;根據(jù)實(shí)際使用特點(diǎn)，也可選“INMARSAT+GPS”“ARGOS+GPS”的“通信定位”組合模式，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ).

4 試驗(yàn)和應(yīng)用

在浮標(biāo)水動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，研制出基于北斗衛(wèi)星的海上溢油微型跟蹤浮標(biāo)，并在東海海域開展溢油事故應(yīng)急演練試驗(yàn)［14]，主要對(duì)研制完成的浮標(biāo)漂浮特性、溢油跟蹤性能進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)測(cè)試，取得較好的試驗(yàn)效果和實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn).本次海上科學(xué)試驗(yàn)研究主要信息見表3.

表3 海上科學(xué)試驗(yàn)研究主要信息

試驗(yàn)配備Cosmo-Skymed Radarsat遙感監(jiān)測(cè)衛(wèi)星、溢油跟蹤浮標(biāo)、溢油預(yù)測(cè)支持系統(tǒng)、溢油跟蹤漂流示蹤裝置、跟蹤船舶等.根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，浮標(biāo)在一定程度上受風(fēng)力的影響比受洋流的影響明顯，在整個(gè)試驗(yàn)漂移過(guò)程中，在試驗(yàn)海域的風(fēng)力與洋流共同作用及變化影響下，溢油跟蹤浮標(biāo)漂移方向出現(xiàn)4次比較大的拐點(diǎn)，累計(jì)漂移軌跡約67.7 km，全程平均漂移速度約1.57 km/h.本試驗(yàn)中浮標(biāo)漂移軌跡見圖5.溢油預(yù)測(cè)支持系統(tǒng)預(yù)測(cè)的浮標(biāo)漂移軌跡見圖6.

圖5 根據(jù)浮標(biāo)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)繪制的浮標(biāo)漂移軌跡

圖6 溢油預(yù)測(cè)支持系統(tǒng)預(yù)測(cè)的浮標(biāo)漂移軌跡

試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)溢油跟蹤浮標(biāo)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)繪制的浮標(biāo)漂移軌跡與溢油預(yù)測(cè)支持系統(tǒng)預(yù)測(cè)的浮標(biāo)漂移軌跡具有高度的相似性，在試驗(yàn)漂移軌跡趨勢(shì)、漂移距離、漂移速度等各方面均具有高度的一致性.本次海上科學(xué)試驗(yàn)主要數(shù)據(jù)見表4.

溢油跟蹤浮標(biāo)在易發(fā)生溢油事故高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域(東海油氣平臺(tái))進(jìn)行投放，經(jīng)過(guò)連續(xù)43 h的溢油事故應(yīng)急演練試驗(yàn)，溢油跟蹤浮標(biāo)能及時(shí)反映海上溢油漂移軌跡及趨勢(shì)，該軌跡及趨勢(shì)與溢油預(yù)測(cè)支持系統(tǒng)預(yù)測(cè)的信息基本一致，浮標(biāo)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)有較高的匹配度，達(dá)到海上應(yīng)用的要求.

表4 試驗(yàn)過(guò)程中主要數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著研究的開展，海上溢油跟蹤浮標(biāo)系統(tǒng)已基本研制完成，正在進(jìn)行相關(guān)測(cè)試.通過(guò)水動(dòng)力學(xué)優(yōu)化研究，完善溢油跟蹤浮標(biāo)技術(shù)參數(shù)，采用定位通信衛(wèi)星，研制具有多功能、全天候、代表性溢油類型的溢油跟蹤浮標(biāo)，開展海上試驗(yàn)應(yīng)用.試驗(yàn)表明:該浮標(biāo)對(duì)不同海況、不同油膜均具有良好的跟蹤、監(jiān)測(cè)能力，可滿足水上溢油跟蹤定位的需要.

項(xiàng)目研制的水面溢油跟蹤浮標(biāo)可實(shí)時(shí)跟蹤水上溢油，可用于環(huán)境敏感區(qū)、鉆井平臺(tái)、溢油排污口等溢油多發(fā)地區(qū)，從而大大地減少環(huán)境污染損失、海洋生態(tài)損失、海岸線污染損失等，有利于促進(jìn)漁業(yè)、旅游業(yè)發(fā)展，提高我國(guó)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的國(guó)際形象和地位.

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