基于北斗卫星的溢油跟踪浮标

2014-07-23杨瑞顾群

上海海事大学学报 2014年3期

杨瑞，顾群

(交通运输部水运科学研究院，北京 100088)

0 引言

为进一步满足社会经济发展和人民生活质量提高的需求，我国正在加大海洋开发利用力度和大力发展水上交通运输业，这使水上活动日益繁忙，海运量急剧增加.同时，船舶大型化的快速发展、超万箱集装箱船和30万吨级油船的频繁到港以及船舶到港密度的增加使海上发生重大交通事故和溢油事故的风险不断加大.我国今后将长期面临水上交通安全和环境保护的巨大压力，加强水上交通安全和提高环境事故处理能力刻不容缓.

我国石油消费的高峰已经到来，为此，国家已开始实施石油安全战略，依靠石油进口建设国家石油储备基地已成为我国能源发展的长期战略.近年来，我国原油进口量平均年增长18%.船舶溢油既可造成万吨级原油泄漏的重大溢油污染事故，又会造成难以挽回的生态环境灾难以及巨大的经济损失.我国溢油主动监测和跟踪定位设备大多依赖进口，常用的跟踪监测技术主要有海事搜寻［1]、雷达技术［2-3]、软件模拟技术［4-6]、浮标技术［7-9]、遥感技术［10]等，国产设备技术水平较低，系列化成套产品严重不足，在溢油预报、跟踪监测、应急方案优化、溢油应急业务化等方面急需发展.

本文在阐述溢油跟踪浮标的技术特点和研究情况的基础上，通过水动力学优化研究，完善跟踪浮标技术参数，采用定位通信卫星，研制具有多功能、全天候、代表性溢油类型的溢油跟踪浮标，并开展海上应用试验.试验表明，该浮标对不同海况、不同油膜均具有良好的跟踪和监测能力，可满足水上溢油跟踪定位和监测的需要.

1 溢油跟踪浮标技术现状

溢油跟踪浮标是一种随波浪漂流的表层漂流微型浮标，能实现溢油的跟踪定位，具有全天候使用和全程监测能力，是一种海上溢油实时追踪监测的稳定、可靠、成本低廉的技术方法.

根据浮标应用行业和用途的不同，大部分浮标的质量为3～50 kg，一些具有特别用途的浮标质量可达吨级，其中:用于定点环境监测的锚系浮标，多采用钢板结构设计，质量基本在吨级范围，其安装、维护等需吊装的作业内容均需船舶吊机协助完成;用于海上洋流监测的流型浮标，结构较复杂，洋流、气象等传感器系统庞大，质量一般可达35～50 kg;具备溢油跟踪功能的浮标，有良好的漂流性能，结构相对简单，质量一般为3～25 kg.

在国外，美国Met-O公司在溢油跟踪漂流浮标产品和技术上处于领先.该公司生产的Argospheres浮标表面直径28 cm，质量8 kg，结构为玻璃钢或一体化注塑，可在大气温度-20～50℃，浪高0～30英尺(1英尺≈0.304 8 m)的环境条件下工作，通信设备多采用ARGOS卫星或铱星，定位采用GPS，由于其使用的通信网络具有较大的时滞，在溢油跟踪方面没有实际应用.

台湾圣杰科技公司开发出海上漂流浮标，其中SJ8989型浮标外部尺寸为40 cm×40 cm×60 cm，质量约为20 kg，采用GPS定位、SiRF STAR II天线和VHF通信，主要使用在海上渔网跟踪定位方面，无溢油跟踪能力.

国家海洋技术中心是我国开展浮标技术研究较为深入的研究单位，其开发的自持式剖面循环探测漂流浮标、表面漂流浮标等在海洋环境探测等方面发挥显著作用，其中FZS3-1型表层漂流浮标最具有技术代表性.该浮标利用ARGOS卫星系统定位通信，测量表层水温和水下水帆所在水层的平均海流，主要观测分析海域的表层海流特征和漂移路径上的温度变化，不具备溢油跟踪功能.

国内外表层漂流微型浮标产品见图1.

图1 国内外表层漂流微型浮标产品

目前，国际上对于海洋环保和环境监测技术十分重视，我国现阶段也正在加大海洋环保及监测力度.近几年在水上浮标关键技术研发方面有所突破，但能用于溢油跟踪定位的浮标还需更进一步研究.溢油跟踪浮标在提高跟踪性能的基础上，正朝着微型化、智能化、全天候、全过程的方向发展.

2 溢油跟踪浮标关键技术研究

在对国外相关产品进行充分研究的基础上，结合国内配套元器件条件，根据浮标搭载卫星通信模块、电池组及相关传感元件的特点，通过开展浮标海面漂移的水动力学性能研究、卫星定位通信技术研究、海上溢油漂移模型计算机设计研究等工作，完成具有多功能、全天候、全过程的溢油跟踪浮标研制.

2.1 总体参数设计

本文对海上浮标的形状、结构、功能进行分析和研究，开展浮标体材料、制造工艺、成型方法，浮标外形及质量，浮标功能，浮标体内部结构，电池设计及配置，控制单元、卫星定位通信装置、浮标相关软件等方面的研究工作.通过水动力学性能研究、漂移模型计算机设计研究，使浮标技术参数更加合理.

研制的溢油跟踪浮标主要由浮标体、卫星定位设备、卫星通信设备、控制系统软硬件、内部锂电池组、传感器等部分组成.海上溢油跟踪浮标总体设计见图2.

2.2 水动力学技术研究

溢油跟踪浮标在表层海水中受到风力和洋流的共同作用.如果溢油跟踪浮标能完全跟踪溢油油膜，则溢油跟踪浮标与油膜具有相同的运动速度和运动方向，并且浮标处于受力平衡的状态.［11]

图2 海上溢油跟踪浮标总体设计

风对溢油跟踪浮标的作用力可表示为

式中:Fair为风对浮标的作用力;ρair为海面空气的密度;Vair为海面风速;V0为溢油漂移速度;A2为迎风面积;CDa为浮标的空气阻力因数.

当浮标匀速运动时，处于受力平衡的状态，受到的海水阻力与风推力平衡，得

式中:ζ为风因数，该值通常采用海上实测的方式获得;α为风生流因数，为海流纬度;ρwater为海水密度;A1为迎水面积;CDc为浮标的水阻力因数;h为浮标水面以上高度.

根据水上浮标的形状、尺寸、质量参数，可确定某溢油跟踪浮标的平衡参数，从而推导出其风因数水动力学平衡模型.令

则溢油跟踪浮标的平衡方程可简化为

根据相关研究，溢油跟踪浮标内腔需放置相关电子通信定位设备，故应具备一定的空腔体积;另外，综合浮标内腔各设备部件的质量，溢油跟踪浮标的质量一般应在3～10 kg，常见的基本在7 kg左右.

为掌握不同几何形状浮标对油膜的跟踪效果，查阅国际上相关技术资料，综合当前国内外常见浮标的形状，本文针对球形、椭球形、正圆台、倒圆台(类蘑菇型)、圆柱等几类浮标进行研究，绘制不同形状浮标的风因数变化曲线，见图3.

图3 不同形状浮标的风因数变化曲线

对溢油跟踪浮标的风因数水动力学平衡模型和不同形状浮标风因数变化曲线的分析研究可以发现:在体积一定的条件下，随着浮标质量的增加，球形浮标和椭球形浮标的风因数变化不大，而圆台浮标和圆柱浮标风因数变化较大;对于球形、圆柱、正圆台和倒圆台4种体积相同的浮标，其质量大约在7 kg时，风因数由大到小依次为正圆台、圆柱、倒圆台、椭球形、球形浮标.综上，在相同的条件下，球形浮标的水面溢油跟踪能力具有绝对的优势.

在我国沿海海域，浮标风因数的范围为0.02～0.07.［12]从不同的溢油事故中测得的数据表明，油膜的风因数取值不是唯一的，范围为 0.025～0.055.研究表明，对于某一特定尺寸的浮标，随着浮标质量的增加，浮标风因数逐渐减小，进一步说，浮标质量越大，越适合跟踪风因数小的油膜，反之，浮标质量越小，越适合跟踪风因数大的油膜;对于某一特定质量的浮标而言，随着浮标尺寸的增大，浮标风因数逐渐增大，进一步说，浮标尺寸越大，越适合跟踪风因数大的油膜，反之，浮标尺寸越小，越适合跟踪风因数小的油膜.因此，针对某一稳定海况和油膜，可通过优化浮标参数(尺寸、质量)与溢油风因数的特定组合，实现对溢油的跟踪.

2.3 北斗定位通信系统

目前，水上表层漂流浮标一般用GPS完成定位功能、采用卫星系统实现无线数据通信要求.在溢油事故发生后立即将浮标投放在厚油膜层中，浮标随油膜一起漂移，通过通信系统接收浮标的位置及相关信息，实现对溢油位置、漂移速度、轨迹和方向的实时跟踪.因此，通信定位系统在海上溢油跟踪浮标上的实时性、准确性、实用性就显得尤为重要.

现阶段，常用的卫星系统主要有ARGOS，GPS，Beidou，Galileo，GLONASS，INMARSAT 和 IRIDIUM等.ARGOS是法国建设的，是国际上广泛应用的一种卫星数据收集和定位系统;GPS是美国在20世纪70年代研制的新一代空间卫星导航定位系统，可提供实时、全天候和全球性的导航服务;Beidou是由中国建立的导航定位系统，能实现导航定位、通信、授时等功能;Galileo是欧盟发射的一种中高度圆轨道卫星定位系统;GLONASS是在20世纪80年代由前苏联建设的全球定位系统;INMARSAT是采用多址无线通信方式的通信卫星;IRIDIUM是基于低轨道卫星群的全球卫星移动通信系统.

根据上述通信定位系统的技术特点和应用情况，统计出各系统具有的特点，见表1.

表1 通信定位系统的技术特点与应用对比

根据溢油跟踪浮标的使用特点以及北斗卫星定位通信系统在定位、通信上具有的不可比拟的优越性，项目研制出的低功耗、高可靠性的北斗小型板卡非常适合应用于该溢油应急装备的通信定位系统.

3 溢油跟踪浮标技术参数及特点

3.1 主要技术参数

溢油跟踪浮标具有全天候使用和全过程监测能力.通过对溢油跟踪浮标形状、结构、功能的优化研究，研制出BOT-A型海上溢油跟踪浮标，其外观和主要技术参数［13]分别见图4和表2.

图4 BOT-A型海上溢油跟踪浮标

表2 BOT-A型海上溢油跟踪浮标主要技术参数

3.2 主要技术特点

(1)先进可靠、跟踪性能好.产品采用定制通信定位设备，全面提高可靠性;外表面直径25 cm，方便搬运及存储;产品总质量4 kg，容易投放及回收;跟踪性能好，可完成水上实时跟踪.

(2)定位通信系统灵活.产品采用空间卫星通信定位方式，数据链路可靠，定位系统精度高，具备精确定位能力;平台首选北斗卫星定位通信系统，可集成通信、定位功能自由无缝组合，实现系统信息交换的无障碍;根据实际使用特点，也可选“INMARSAT+GPS”“ARGOS+GPS”的“通信定位”组合模式，实现多系统优势互补.

4 试验和应用

在浮标水动力学研究的基础上，研制出基于北斗卫星的海上溢油微型跟踪浮标，并在东海海域开展溢油事故应急演练试验［14]，主要对研制完成的浮标漂浮特性、溢油跟踪性能进行实战测试，取得较好的试验效果和实战经验.本次海上科学试验研究主要信息见表3.

表3 海上科学试验研究主要信息

试验配备Cosmo-Skymed Radarsat遥感监测卫星、溢油跟踪浮标、溢油预测支持系统、溢油跟踪漂流示踪装置、跟踪船舶等.根据试验数据分析，浮标在一定程度上受风力的影响比受洋流的影响明显，在整个试验漂移过程中，在试验海域的风力与洋流共同作用及变化影响下，溢油跟踪浮标漂移方向出现4次比较大的拐点，累计漂移轨迹约67.7 km，全程平均漂移速度约1.57 km/h.本试验中浮标漂移轨迹见图5.溢油预测支持系统预测的浮标漂移轨迹见图6.

图5 根据浮标实时数据绘制的浮标漂移轨迹

图6 溢油预测支持系统预测的浮标漂移轨迹

试验过程中，根据溢油跟踪浮标实时数据绘制的浮标漂移轨迹与溢油预测支持系统预测的浮标漂移轨迹具有高度的相似性，在试验漂移轨迹趋势、漂移距离、漂移速度等各方面均具有高度的一致性.本次海上科学试验主要数据见表4.

溢油跟踪浮标在易发生溢油事故高风险区域(东海油气平台)进行投放，经过连续43 h的溢油事故应急演练试验，溢油跟踪浮标能及时反映海上溢油漂移轨迹及趋势，该轨迹及趋势与溢油预测支持系统预测的信息基本一致，浮标数据与预测数据有较高的匹配度，达到海上应用的要求.

表4 试验过程中主要数据

5 结束语

随着研究的开展，海上溢油跟踪浮标系统已基本研制完成，正在进行相关测试.通过水动力学优化研究，完善溢油跟踪浮标技术参数，采用定位通信卫星，研制具有多功能、全天候、代表性溢油类型的溢油跟踪浮标，开展海上试验应用.试验表明:该浮标对不同海况、不同油膜均具有良好的跟踪、监测能力，可满足水上溢油跟踪定位的需要.

项目研制的水面溢油跟踪浮标可实时跟踪水上溢油，可用于环境敏感区、钻井平台、溢油排污口等溢油多发地区，从而大大地减少环境污染损失、海洋生态损失、海岸线污染损失等，有利于促进渔业、旅游业发展，提高我国在环境保护领域的国际形象和地位.

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