基于BDS海洋上冰山踪迹监测方案设计

郭英起,张 贺,高延平,薛 剑

(黑龙江工程学院测绘工程学院,黑龙江 哈尔滨 150050)

0 引 言

海洋上的冰山是冰川或者极地冰盖由于受到地球气候的影响在临近海洋的一端产生破裂后掉入大海中的体积、重量及形状都各异的淡水冰。冰山冰的平均年龄大都在5000年以上,有的可达数万年或更长些。冰山由于大小、形状的不同,其在大海上生存的时间有所不同,有的在一年左右,也有的体积巨大冰山在海洋上生存时间可长达十年以上。冰山在茫茫的大海上是漂移不定的,目前浩瀚海洋上冰山的位置在航海图上是无法标识的。如果海洋上的远洋船舶撞上冰山大多会严重受损甚至沉没。所以海洋上的冰山亦被称为“海洋杀手”。

冰山在海洋上的运动动力主要是风,冰山在风速的影响下其运动的速度可达每天几十公里,速度的大小主要取决于冰山的重量及其冰山高出海面部分的形状。冰山的运动动力其次是洋流,冰山亦会受到海洋洋流的影响逆风而行。由于受到多因素的影响有时冰山在海洋上还会倾翻、兜圈子,横冲直撞。冰山在茫茫大海上的位置是飘忽不定的。

1 海洋上冰山的威胁

由于冰山冰是从上万年或数万年冰川或者极地冰盖上崩裂下来的,故十分坚硬。冰山的重量十分巨大,平均在十万吨左右。大冰山的重量可达数百万吨以上,上万吨的冰山都属于中小型的冰山。冰山巨大重量助长了它的破坏力,其对在附近海洋上航行的船舶构成很大的威胁。众所周知的“泰坦尼克”号在航海中撞上冰山后沉没的事故即是海洋上冰山巨大威胁的实际表现。在航海史上,海洋上船舶与冰山相撞造成惨痛事故屡有发生。

另外,海洋上漂移冰山的巨大重量和体积通常是航海者利用肉眼无法直接观测和估计到的。

设整个冰山的体积为V,冰山露出在海面上的体积为V1,冰山在海面下的体积为V2.冰在0 ℃以下的密度是ρ冰=0.917 kg/m3,海水的密度一般与海水的盐度有关,现取海水的密度ρ海水=1.025 kg/m3.根据阿基米德定理可有:

V·ρ冰=V2·ρ海水,

(1)

所以

(2)

现将冰和海水的密度代入上式可得

(3)

则有

(4)

可以看出来海洋上冰山露出海面的部分仅仅是其总体积的十分之一左右,其隐藏在海水平面下面的部分是其总体积的十分之九左右如图1所示。这就是说航海者利用肉眼直接看到的“小冰山”实际上它的重量和体积应该是航海者观测到“小冰山”的十倍左右。当然其破坏力也必然是观测者预想的数倍或更大。冰山在海洋上露出海面部分的大小还与冰山的具体形状有关,由于冰山的形状千差万别、各有所异。所以，海洋上冰山露出在海洋上面部分亦会有一些差别。

图1 冰山的体积分布

实际上海洋上冰山对船舶的威胁不仅仅是船舶撞上冰山以后才会体现出来的。冰山在茫茫大海上“随意”漂移的过程中,由于海浪、海潮和海风的原因,空气和水的热效应会增加,这会导致冰山的破裂。时常会有大小不同的冰块从冰山上脱落下来,冰块脱落后冲入海水中就会激起急速的巨浪。同时亦会破坏冰山的平衡、失去冰山的稳定性,此时冰山可能会产生晃动或旋转。所有这些这都会给附近航行的船舶造成不堪设想的后果。海洋上的船舶如果驶入冰山附近2海里范围内水域时都将是很危险的。

冰山的巨大破坏力和位置飘忽不定的特性给海洋上的远洋船舶构成极大的威胁,对于航海者来说早发现,躲着走、敬而远之是上策。但是在海洋上利用视觉瞭望的方法及早发现冰山是比较困难的。在天气良好的情况下发现大的冰山一般在4海里至十几海里,这取决于冰山露出海面部分的形状。中小型的冰山则需要距离冰山1、2海里的情况下才可以发现。目前在海洋上航行的船舶为了躲避冰山一般都配备有比较先进的雷达或声纳等设备,借助于雷达或声纳设备船舶可以了解航行路线附近冰山的分布情况,通过较早地改变航线躲避冰山。但是当海上有大浪的情况下,冰山容易隐藏于大浪中,雷达根本无法追踪。另外,由于冰山反射雷达脉冲的能力比船舶和海岸的反射能力要弱一半以上,所以虽然海洋上船舶配备雷达或声纳等较先进的设备,但是冰山对过往船舶的巨大威胁却依然存在。

2 基于BDS海洋上冰山踪迹监测方案设计

2.1 北斗卫星导航系统(简称BDS)

BDS是北斗卫星导航系统的简称,BDS是由我国独立自主设计、建造和管理运行的世界上四大全球卫星导航定位系统之一。按计划在2020年北斗卫星导航系统将全部建成并实现全球无源导航定位服务能力[1]。

北斗卫星导航系统是由空间星座、地面控制和用户终端三个部分组成。空间星座:由5颗地球静止轨道卫星(GEO)、27颗中圆地球轨道卫星(MEO)3颗倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)组成。其中,GEO卫星高度为35 786 km;27颗MEO卫星均匀分布3个倾角为55°轨道平面上,高度为21 528 km;3颗IGSO卫星均匀分布于3个倾角为55°倾斜地球同步轨道平面上,飞行高度为35 786 km[2-4].

地面控制是由若干个主控站、注入站和监测站组成。目前监测站分布于国内:喀什、乌鲁木齐、成都、北京、三亚、厦门和绥阳。到2020年北斗卫星导航系统实现全球覆盖后,监测站将扩展到国外,如法国、澳大利亚、德国、美国和南美等地。

用户终端是由各类BDS用户终端和与其他卫星导航系统兼容的终端组成。

北斗卫星导航系统的卫星信号:中国向“国际电信联盟(ITU)”申报了4个频率。目前公共服务信号:1 561.098 MHz;1 589.742 MHz;1 207.14 MHz;授权服务信号:1 268.52 MHz.

以后还将会发射的公共服务信号:1 575.42 MHz;1 191.795 MHz.

BDS时间系统:BDS时间系统采用的是北斗时(BDT);BDT时起算历元为2006年1月1日(周日)0时0分0秒的世界协调时(UTC);BDT时与UTC时的偏差保持在100 ns以内(闰秒信息将在导航电文中播报);

BDS坐标系统:BDS坐标系统采用的2000中国大地坐标系(CGCS2000);CGCS2000的实践称为中国2000地球参考框架(CTRF);CTRF2000参考于ITRF97;CGCS2000的定义与国际地球参考系统(ITRS)相一致;

北斗卫星导航系统提供两种服务方式:公共服务和授权服务。

其公共服务的标准为:定位精度:平面±10 m,高程±10 m;授时精度:单向50 ns(双向授时优于20 ns); 测速精度:±0.2 m/s;

通信服务:公共服务双向短报文通信服务,60秒一次,一次40个汉字;授权服务短报文服务是每秒一次,一次120个汉字。

另外北斗卫星导航系统还具有全球搜寻援救的功能,其他全球卫星导航定位系统是不具备此功能!

北斗卫星导航系统具有先进性、适用性、军民两用性、抗干扰性和抗继毁性等诸多特点[5-7]。

北斗卫星导航系统在2020年将全部建成并实现全球无源服务能力。届时北斗卫星导航系统是四个全球卫星导航定位系统中唯一能够为所有用户提供短报文通信服务(单向、双向)的。全球卫星导航定位系统的导航定位服务能够使用户确定自己的三维位置坐标和三维速度,而北斗卫星导航系统提供的短报文通信服务还可以让用户告知其他人自己的位置坐标等信息。过去用户告知其他人自己位置坐标等信息的方式通常是利用数传电台、GSM及无线网络等通信方式。但是在广阔无垠的大海上恶劣天气一般会频繁出现,这些通信方式都存在有作用距离短、可靠性差和保密性差等缺陷,无法满足海上信息高效率无误传输的要求。

2.2 基于BDS海洋冰山踪迹监测方案

早在上世纪中期许多国家都已经建立了海上冰山巡逻队、海上破冰服务组织等机构,专门负责探测和收集海上冰山以及沿海冰情信息等资料,预测冰情变化的趋势并为过往的船舶提供相关资料。他们通常配备有专用飞机、破冰船等设施,并建立了众多的监测站。所有这些都为监测海洋上冰山的踪迹奠定了基础[8-9]。

在1998年,美国前副总统戈尔首次提出了“数字地球”的概念。数字地球是指以地理坐标为依据,将地球自然属性信息和社会属性信息数字化,并能够提供立体显示和多维分析的地球技术系统。而数字海洋又是数字地球非常重要的组成部分,数字海洋是指以集成海量、多分辨率、多时相、多类型的海洋观测与监测等数据及其分析算法和数值模型,并且运用3S技术、数据库技术、网络技术、科学视算、虚拟现实与仿真等技术手段构建一个虚拟的海洋系统。也就是说数字海洋既是利用现代信息技术收集并处理海量的海洋数据,形成多样化的信息服务产品,把现实的海洋世界数字化,并装入计算机而形成的信息系统。数字海洋系统以数字化、可视化等方式通过计算机实现对海洋现象和过程的虚拟表达,展现真实海洋世界的各种状况,再现海洋的过去、预现海洋的未来,从而促进和提高人类对海洋的客观认识,为海洋的可持续发展提供信息支撑服务。数字海洋是一项庞大、复杂的信息化系统工程。经过十余年的发展和建设,数字海洋的基础设施建设已经有了较大的成就,其中海洋观测监测和数据处理手段已经向综合性立体方向发展,不仅在硬件技术上业已成熟,更重要的是相配套的以软件为支撑的数据处理能力已大幅度提高,增加了海洋的预处理功能和储存能力[10-12]。

利用遥感数字图像或者通过海上冰山巡逻队可以发现在浩瀚的海洋上大概某个位置存在有较大或大型的冰山时,可以利用飞机将特制的北斗卫星导航系统接收设备“扔到”冰山上,此接收设备同时还应该具有一些附加功能,如能够将太阳能转化成电能给蓄电池充电维持接收设备长时间的工作需要。冰山在茫茫大海上漂移的过程中接收设备不仅可以利用北斗卫星导航系统的信号确定冰山自己在茫茫海洋上的位置坐标,而且还可以随时(时间间隔等参数可以根据需要提前设定)利用北斗卫星导航系统的短报文通信服务将其位置坐标传送给监测站或相应的海上服务机构。并将其位置坐标信息及其属性纳入到数字海洋的基础信息当中。监测站或相应的海上服务机构会按照一定的频率利用其相应的硬件和软件设施将该信息传递发布出去,在冰山附近海域航行的远洋船舶利用相应的接收终端接收信息并在导航设备的屏幕上显示出来,并且给出必要的危险提示,告知用户目前在其航线附近具有较大或大型的冰山存在,用户即可以提前准备并绕行躲避冰山避免碰撞,保证用户远洋航行的安全。

3 结束语

由于冰山具有较大或很大的体积和重量对船舶构成很大的破坏力,同时冰山在茫茫海洋上的位置漂移不定,所以其对过往的船舶构成极大的威胁。提前预知冰山在海洋上的位置坐标并及时躲避冰山避免灾难的发生是海洋上船舶安全航行的必要条件。本文研讨了利用北斗卫星导航系统(BDS)的定位和短报文通信服务功能对海洋上冰山的踪迹进行监测的方案,并利用目前数字海洋建设中的相关设施及时告知海洋上航行的船舶用户冰山的具体位置,达到使海洋上航行的船舶提前躲避冰山避免灾难发生的目的。

[1]冉承其.北斗卫星导航系统的发展[C]//第四届中国卫星导航学术年会,2013.

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[3]刘基余. 夯实北斗卫星导航系统鼎立基础的建议[J].现代导航,2013(4):235-245.

[4]李鹤峰,党亚民,秘金钟,等. 北斗卫星导航系统的发展、优势及建议[J].导航定位学报,2013,(2):49-54.

[5]杨元喜,李金龙,徐君毅,等.中国北斗卫星导航系统对全球PNT用户的贡献[J].科学通报,2011,56(21):1734-1740.

[6]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):1-6.

[7]黄声享,郭英起,易庆林.GPS在测量工程中的应用[M].北京:测绘出版社,2012.

[8]王 磊,宋 蕾.利用北斗短信功能实现海上测量信息的回传[J].海洋测绘,2011(3):25-28.

[9]邱浩兴.加拿大的冰山碰撞实验[J].航海,1999(1):14-15.

[10]张 峰,金继业,石绥祥.我国数字海洋信息基础框架建设进展[J].数字海洋,2013(3):14-17.

[11]李四海,姜晓轶,张 峰. 我国数字海洋建设进展与展望[J].海洋开发与管理,2010,27(6):39-43.

[12]周 立,赵新生,王继刚,等.基于“北斗”海上智能交通系统安全模型研究[J].现代测绘,2014(3)：6-9.