一种海上浮标阵精确点位布放方法∗

朱元林 徐国贵

（91388部队94分队 湛江 524022）

1 引言

在利用浮标阵装载水声采集设备对水下目标进行定位，以及对水下运动目标轨迹跟踪测量时，需要测量设备自身的位置能够精确。在湖上或是其他内陆水域，布放过程简单，不需要考虑较大的水流影响，水中只抛入一定的重物，确保不随风漂移即可。然而在复杂的海域进行大范围的定位、跟踪目标，浮标阵的布放变得较为复杂。

海上实施浮标阵的布放时，为了能够固定，需要布放铁锚锚住浮标，构成浮标锚泊系统。该系统在波浪以及海流等环境条件作用下，其动力响应和锚泊线的载荷确定是一个较复杂的力学问题［1］。

文中根据单点系泊海洋浮标动力的相关分析以及锚系设计，结合浮标本身特性和实际中布放的经验，总结出海上浮标阵布放方法，并通过海上验证，证明了该方法的科学可靠性。

2 浮标锚泊系统受力理论计算

浮标锚泊系统悬浮在海面上的部分，受波浪和风力较大，在海水下面部分受海流作用大，两者之间又彼此相互作用。并且，由于海域的不同，波浪、海流相差很大。南海西边界流最大流速范围为30cm/s～67cm/s［2］，一般南海流速小于 2kn（1m/s），而在渤海海域一般大于2kn。

下面给出单点系泊系统系泊力F理论计算公式［3～5］：

式中：Fw、FC为风力、水流力引起的船舶系泊力；vw、vc为风速、水流速度（m/s）；A为纵向上受风面积。Fdc为动水压力，即形体阻力，又称绕流力（kN）；Fsc为水流摩擦力，即摩擦阻力（kN）；kw为风引起的船舶偏荡运动时体形增大系数或称风偏荡系数；kc为流引起的船舶偏荡运动时体形增大系数或称流偏荡系数；kd为计算船体水下正投影面积时的船体流线折减系数，kd=0.6；kl为与船长有关的系数，偏于安全取 kl=0.01；Ad为船舶水下部分纵向投影面积（m2）；S为船舶浸水面积（m2）。

一般浮标是杆状，其所受的风力、波浪作用力相对水流力小［6］，故而可以省略，只考虑水流力。浮标与锚的连接采用的是尼龙绳，省却了锚链的沉重。

3 锚重与沉块的计算

锚重的选择，是由锚的系留力与浮标锚泊系统受力决定的。锚的系留力是锚的抓力与锚链的摩擦力之和［7］，实际中没有必要使用锚链，多采用尼龙绳，故而锚链与海底底质的摩擦力不计入。锚的抓力P=Waλ，Wa是锚在水中的重力（乘以9.8N/kg），锚在水中的质量为本身质量乘以0.876，λ是抓力系数。

抓力系数由锚型、海底底质、锚的抓底姿态、水深决定的［8］。小船和帆船使用的锚一般是海军锚。海军锚是一种有杆锚，锚杆和锚爪为一整体，锚爪固定不动。锚杆上有一固定的横杆，横杆与锚爪平面互相垂直。这种锚结构简单、抓重比大（锚产生的抓力与锚重之比），一般为4～8［9］。日式锚有双爪，在锚冠处有横杆，可以阻止锚爪的倾翻，具有稳定的作用。它是日本渔船经常用的一种锚型。

浮标锚泊系统一般采用小船用锚，比如海军锚。海军锚的抓力系数4～8，取值4作为选择锚重的依据。

锚的抓力是在较理想情况下的值，实际锚的抓底姿态也是关键因素。一般船用锚，会采用锚链，锚链长于海深，在海底是拖底姿态，而试验用的是尼龙绳，为了确保锚抓底是水平，需要在离锚一定距离处（2m～3m即可），在锚绳上加沉块。沉块重量的选择与锚绳的绕流力有关，其受力分析如图1。锚绳牵引力与重力反方向的夹角，由锚绳的长和水深决定。

图1 沉块受力分析

4 布放方法

4.1 布放前准备

水声数据采集设备的处理。浮标上好水声数据采集设备，在其下端绑上负重（沉块），目的在于保证设备竖直在海水中；沉块的重量依据浮标的浮力决定。

浮标的处理。浮标重心两侧，系上一根绳的两端，便于起吊。提起绳的中部，此时绳与浮标构成一个三角型，那段绳简称三角绳。三角绳的高度，取决于船舷的高度。在起吊的时候，能够用手拉紧三角绳，而浮标依旧躺于水中，三角绳的长度以此标准为宜。若布放的船只有起吊设备，可以借助该设备，此时三角绳的高度不能过高，而达到起吊高度的极限。

锚绳长度选择。锚绳长度的选取，取决于浮标布放点精度的要求，和是否能提供足够锚的抓力。水深在50m内的，可以使用2～4倍的绳体。较深水，可以采用低倍数绳，但要确保锚的抓力能够锚住浮标。锚绳在铁锚一端绑上沉块，另一端通过浮球系于三角绳，绑上浮球的作用在于让浮标在布放点自由状态漂浮。

4.2 布放

海上的布放，因为海况较湖水恶劣，布放船只平稳性低，布放过程时刻需要注意人身安全。

抛下浮标和采集设备。确定浮标偏离锚的大概距离L（L与海深、锚绳长构成直角三角形），在布放船接近锚点L距离时，可将浮标连同水声采集设备先布放下去。采集设备一般是较长的电缆，需要先布放于海中，留一定的空余长度，立即将浮标（和浮球）布放下去，同时释放水声采集设备和浮标。

抛下锚与沉块。船行到锚点（布放点）时，将锚和沉块布放下去，这时连接锚和浮标的绳子，会随锚的下沉和浮标的漂浮拉动，浮标的漂浮力拉动小，锚的下沉拉速快。锚的位置确定，浮标会随锚的锚定而回到布放点附近。

图2 浮标布放示意图

图3 浮标锚泊姿态示意图

5 海上验证

浮标阵布放方法的验证是在南海海域进行，选用的锚绳直径0.008m，水深100m，锚绳取1.5倍长，水听器电缆长50m，直径0.02m。南海海域水流速小于2kn（约为1m/s）。

图4 浮标布放图

锚绳受的绕流力Fdc=0.246kN，水听器电缆的绕流力Fdc=0.31kN，浮标锚泊系统受力为556N。选择锚时，取锚的抓力为浮标锚泊系统受力1.2倍，锚抓力为667N，可以计算出锚的重量约为20kg。依据锚绳的绕流力和系统受力分析，可以计算出铁锚处沉块的重量为12kg。

按照布放前的准备，以及布放的方法进行海上作业。整个过程，布放实施效率高，浮标姿态好，浮标阵位置精确，并未出现走锚现象，说明了这种布放方法的可靠性。

6 结语

海上浮标阵精确点位布放方法，由单点系泊海洋浮标动力理论，粗略计算浮标阵所需要的锚绳长、锚重、沉块重等锚泊参数；根据浮标自由漂泊及实际情况需要，确定了浮标的系法；声学采集设备在海水中受流影响大，考虑测阵精度的要求，在其下端加入沉块，确保竖直。布放中，根据浮标海面漂泊位置偏离布放点的这段距离，采用了在航行接近布放点该距离时，提前布放浮标，缩短了布放时间。该方法理论计算与实际操作经验相结合，并通过海上验证说明了方法的科学与高效，为相关领域提供了布放实施的思路和依据。