基于北斗卫星导航系统的漂流浮标的研究

贾世耀 邓 川 杨 祥

（交通运输部东海航海保障中心上海航标处， 上海 201208）

1 研究背景

随着浮标技术、无线电导助航技术、航标灯技术的不断发展，我们可以利用新兴的技术，研制一款小型应急浮标，外形上有易于发现，并且能够支持落水人员漂浮，抛投进入水里后能够模拟人体随洋流漂浮，现场搜救能够快速实施。

中国自行研制生产的北斗卫星导航系统不仅具备在任何时间、任何地点为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度的能力，而且在定位性能上有所创新。北斗系统与其他系统最大的不同，在于它不仅能使用户知道自己的所在位置，还可以告诉别人自己的位置，特别适用于需要导航与移动数据通信的场所。

结合北斗通信技术，将浮标的位置传输至指定的指挥终端，使后台管理人员能够收到浮标的当前位置，并快速部署搜救工作；结合AIS通信技术，将浮标位置广播给附近的船舶，让附近船舶能够快速定位到遇险人员位置，有针对性地展开快速救援；结合航标灯新型透镜技术，让搜救船舶、飞机在夜间也能快速定位到遇险人员。

2 漂流浮标研究内容

2.1 浮标的结构、材质及表面颜色

漂流浮标的主要功能是在遇到危险或人员落水时，将其抛投入海中，模拟人随洋流漂浮的路径，缩小搜查范围，方便海上搜寻、救援，因此浮标的外形、重量等应尽可能地接近人体参数。浮标应具有良好的密封性能及一定的漂浮能力，且在结构上应设计方便人员抓握的部位，一方面方便搬运、抛投，另一方面在人员遇险时可以快速抓住浮标，保持漂浮，见图1、图2。

图1 浮标外形图

图2 浮标剖面图

海上救援响应最快的交通工具为直升机，飞机抵达现场后将浮标抛投入海中，即可开始模拟人体随洋流漂浮的路径，高空抛投的浮标在进行自由落体进入水里时，水与浮标之间产生压力对容易造成浮标形变、破裂等，因此，浮标主体材料应当具有良好的韧性，在浮标接触水面时能够释放自由落体产生的巨大能量；此外，应当尽可能地减轻浮标的重量，以减轻浮标自由落体产生的能量。

浮标内部搭载北斗与AIS设备，为确保北斗数据与AIS数据能够顺利传输，浮标的标体上应尽可能减少金属制品。漂流浮标主要起应急、救援作用，其表面颜色应选择鲜亮、明艳、易于发现的颜色，同时应当与常规的浮标表面颜色有所区分。此浮标可放置于船上便于抛投的位置，其表面应当具有良好的抗紫外线、抗UV、抗盐雾腐蚀等海上恶劣环境的性能，即使长时间不使用，其表面颜色、结构强度都不能发生明显变化。

2.2 航标灯的射程、发散角度

航标灯作为夜间现场搜寻指示灯，作用距离大于1 n mile（1.85 km）即可，但是为了使附近船舶和直升机都能观察到浮标，航标灯发出的光束角度应当越大越好。考虑到漂流标主要为应急用，为确保紧急情况下航标灯能够正常启动，应充分考虑灯器开关的便捷性与智能性。

2.3 北斗与AIS通信模块的工作

北斗通信模块能够将漂流浮标的位置信息传输到船载指挥终端，同时AIS设备能够在5 n mile范围内被船载AIS设备识别。北斗与AIS均为高频信号，在设计时应充分考虑两种信号在传输时互不干扰。与航标灯相同，北斗及AIS通信部分的启动也应当具有便捷性与智能性。

2.4 供电系统的设计

供电系统主要为航标灯和北斗、AIS通信部分供电，一方面要确保在设备启动时能够支持设备运行一定的时间，另一方面，漂流浮标一般处于备用状态，用电设备关闭，不耗电，电池的自耗电量应尽可能降低。

浮标内部空间有限，并且重量也有一定的限制，因此，在电池的选型上应当选择能量密度比较大的电池，既能保证电量充足，又能降低浮标整体的重量。

3 漂流浮标的设计方案

3.1 浮标载体

3.1.1 浮标结构

为达到将浮标抛投到水中的状态尽可能与人体落水相同，又能确保浮标的浮力的目的，将浮标设计为水滴状结构并且在浮标表面设计环形的把手，一方面方便运输、抛投，另一方面能够让遇险人员能够快速抓握浮标，保持漂浮，一个浮标上最多可供四人抓握保持漂浮。采用一体式结构设计，将航标灯、北斗及AIS通信模块、供电电池都安装与浮标内部，并采用严格的密封措施，确保浮标抛投后不进水，保持漂浮。

3.1.2 浮标材料

浮标壳体采用线性低密度聚乙烯材料滚塑一体成型，内部填充低吸水率的闭水型聚氨酯材料，整体结构具有坚固、耐磨、韧性强等优点。浮标主体材料均为非金属材料，将北斗及AIS通信模块安装在浮标内部，信号也能正常发送。

3.1.3 浮标表面的抗拉伸性能

浮标从高空抛投入海里接触到水面时，海水与浮标表面会产生较大的压力，浮标表面除了需要有足够的强度，还需要有适当的抗拉伸性能，在海水与浮体接触时能够快速释放能量，避免浮体表面产生严重变形、甚至是破裂的情况。

材料的抗拉伸性能进行试验中，将试验温度分别设计为常温20℃，-10℃，-20℃，-40℃和-80℃5种温度条件，采用万能试验机测试方法将试件装卡于试验机，拉伸速度2 mm/min ，采用计算机采集数据，见图3。

图3 试件在拉断前产生的形变

材料试验结果显示，即使在低温-80℃的条件下，线性低密度聚乙烯材料仍然具有非常好的延伸率，在破坏前会经历较大的变形。

表1 线性低密度聚乙烯材料参数实验结果

3.1.4 浮标表面颜色

漂流浮标主要起应急、救援作用，其表面颜色应选择鲜亮、明艳、易于发现的颜色，同时应当与常规的浮标表面颜色有所区分。作为起应急、救援作用的浮标，颜色应选用类似红色或黄色的紧急报警类颜色，为区别与常规的助航航标，此项目的浮标表面颜色采用醒目、鲜亮的橘黄色。

此浮标可放置于船上便于抛投的位置，长期受到阳光直射，线性低密度聚乙烯材料原色材料，材料本身自带符合IALA标准的浮标表面颜色相关规定，材料颜色具有热稳定性，加工后颜色依然能保持不变。此外，材料本身具有良好的耐腐蚀、耐老化性能，抗UV等级为VU20，经过加速老化试验证明，浮标模块经过10 a使用后，颜色仍符合IALA标准。

3.2 航标灯部分

航标灯主要为夜间搜寻提供灯光指示，标体内置的北斗及AIS模块发送数据通知附近船舶与监管人员浮标当前的实时位置，当救援船舶或飞机抵达现场时，需要通过航标灯快速搜寻到目标。目前常规的航标灯为了确保灯光射程，采用透镜技术将灯光聚集到一定的角度发射，一般水平发散角可达到360°，《JT/T 761-2009航标灯通用技术条件》中要求浮动标志航标灯垂直发散角≥8°，目前常规航标灯垂直发散角最大可达30°，但对于飞机搜救还是很难观察到航标灯灯光，因此，此项目采用一种新型的半球形扩角透镜（见图4），使航标灯180°半球面全向立体发光，让搜寻的船舶、飞机都可快速观察的目标，见图5。

图4 漂流浮标航标灯

图5 浮标内置灯器LED光路追击图及灯光 角度分布图

3.3 北斗及AIS通信模块

将北斗及AIS通信模块集成到浮标内部，内置的北斗通信设备将浮标的位置信息传输至后台服务器，让管理人员了解航标实时动态；内置的AMRD设备将浮标位置信息广播给附近的船舶和基站，作用距离5 n mile，发射间隔10 min。

北斗通信的发射频率1 615.68 MHz±4.08 MHz，AIS的发射频率范围156.025～162.025 MHz，频率差别较大，基本上不会相互干扰，现场试验回传的数据正常，见图6。

图6 实际测试AIS轨迹图

3.4 供电系统

3.4.1 供电系统供电能力

供电系统主要为航标灯和北斗、AIS通信部分供电，一方面要确保在设备启动时能够支持设备运行一定的时间，另一方面，漂流浮标一般处于备用状态，用电设备关闭，不耗电，电池的自耗电量应尽可能降低。浮标内部空间有限，并且重量也有一定的限制，因此，本项目供电采用能量密度比较大的一次性锂电池，容量大、体积小、重量轻，对浮标重心、干舷等运行参数产生的影响很小。并且所采用的一次性锂电池本身自耗电极低，长时间存放也不用担心电量降低的问题。

技术参数输入电压 9～18V设备日耗电 2.5AH*12V北斗通信参数北斗通信时间间隔 10min n mile北斗定位精度 5m发射功率 5W发射频率 1615.68MHz±4.08MHz发送数据类型 浮标实时位置、工作电压、电流AIS参数频率范围 156.025MHz～162.025MHz默认信道 CH2087/AIS1(161.975MHz)发射功率 2W通信模式 FATDMA AIS消息类型 MSG 1发射时间间隔 10min发射数据类型 浮标实时位置作用距离 5

电池单体标称电压为3.6 V，容量为19 AH，经过串并联，给灯器供电的电池为3.6 V@57 AH，给北斗及AIS通信模块供电电池容量为14.4 V@57 AH，对于用电设备的供电能力计算如下：

1）航标灯：

①电池标称电压3.6 V，容量57 AH

②灯器发光功率为0.5 W，日耗电量=0.5 W*14 H*50%=3.5 WH（按照每天亮灯14 h，占空比50%计算）

③电池可供灯器发光时长= 57 AH *3.6 V÷3.5 WH≈58 d

2）北斗及AIS通信模块：

①电池标称电压14.4 V，容量57 AH

②设备的日耗电量为2.5 AH*12 V，日耗电量=2.5 AH*12=30 WH

③电池可供设备工作时长=57 AH*14.4 V÷30 WH≈27 d

3.4.2 用电设备的启动

浮标采用一体式结构设计，内部供电系统与用电设备已连接，浮标平时处于备用状态时，需要将用电设备关闭，因此在供电系统与用电设备之间需要增加开关，目前设计了两种开关，一是磁控开关，当需要开启设备时，可以人工拔下磁控钥匙，启动航标灯、北斗及AIS模块；另外一种是遇水开关，漂流浮标一般在紧急情况下启动，紧急情况时人员易疏忽，因此当灯器抛投进入水里时，灯器、北斗及AIS设备也能自动开启。

4 结 语

本文设计的基于北斗卫星导航系统的漂流浮标体积小、易于布放，配置准确、可靠的定位设备，满足国家对海区数据安全传输的需要，采用的供电系统最大限度地延长了浮标在海上漂流工作时间，这对漂流浮标来说十分重要。采用我国自主研发的北斗通信系统，实现高效传输的同时使数据安全性得到保证。通过对海域浮标长时间定位信息分析及多站点的漂流路径跟踪可以得到真实洋流走向，对于深远海域反演旋涡信息数据以及海上救援也具有重要的意义。