基于北斗卫星定位技术的海上溢油跟踪监测系统研究

6 溢油跟踪监测平台
6.1 溢油跟踪监测平台的功能和组成
溢油跟踪监测平台的主要功能是实时接收浮标相关信息 ， 然后对信息进行转换 、 存储 及其他处理 ， 并以相应的方式显示在计算机屏幕上 ， 使监测人员可以实时查询浮标的位 置 、 速度和方向等信息 。 基于以上功能 ， 监测平台由计算机 、 北斗卫星信息接受器和中心 软件组成[4]。
1） 卫星遥感会受到卫星经过时间的制约 ， 周期比较长 ， 反应滞后 ， 而且需要专业人
员进行分析 ；
2） 雷达探测和航空遥感容易受到气候因素影响 ， 而且所需费用很高 ； 3） 计算机模拟受人员素质 、 各种复杂气象条件影响容易出现偏差 ； 4） 巡逻艇搜寻速度慢 、 范围小 、 效率低 ， 而且在较大程度上受气象条件限制 。 2.2 基于北斗卫星定位技术的海上溢油跟踪监测系统
本文针对现有海上溢油跟踪监测方式的不足致力于开发一种廉价 、 实时 、 全天候的溢 油跟踪监测系统 。 系统由浮标 、 北斗卫星定位系统 、 溢油跟踪监测平台三部分组成 。 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 。 溢油跟踪监测平台通 过北斗卫星系统实时接收浮标的位置信息 ， 实现对溢油位置 、 漂移速度 、 轨迹 、 方向的跟 踪及对溢油未来走向趋势的预测 。
发， 表层漂流浮标技术 迅速发展、 成熟， 目前 已有多种形式的产品广 泛应用于海洋科学研究 、 海洋气象预报、 自然灾 害和突发性环境污染调 查等诸多方面 。 在近海， 更加需要 的往往是海面到水下 1 m （ 或 2 m） 整个水层的平 均流速和海 流 走 向 ， 准 确度要求也较高。 近岸 型漂流浮标可以满足这 种要求， 它由圆柱形浮 标体、 十字水帆和浮子 三 部 分 组 成 ， 通 过 GPS
5 北斗卫星定位系统海上溢油跟踪浮标
溢油跟踪浮标通过船艇或直升飞机投放 ， 在完成任务后通过北斗卫星定位系统锁定回 收 。 由于浮标可以通过北斗卫星定位系统自动发送它的地理位置信息 ， 所以不需要船跟踪 它 。 技术人员接收到浮标数据后将其输入计算机 ， 就可在电子海图上显示溢油漂移轨迹 ， 达到实时跟踪的目的 。 北斗卫星定位系统的精度在 10 m 左右 ， 可以满足溢油应急需要 。 使用溢油跟踪浮标跟踪溢油时 ， 通常在一段时间内 ， 来自浮标的数据与溢油的运动是 比较准确的 。 随着时间推移 ， 溢油的物理特性会发生变化 ， 从而改变它的飘移特性 。 最 初 ， 溢油形成一个很大的 、 粘着的油膜 ， 有一定厚度 ， 油膜在风和流的推动下移动 。 一段 时间后 ， 风和流使得油膜破裂成小碎片 ， 水也会被带入油膜中形成乳化液 。 这种 乳化的油 会 继续 破裂成更小的碎片 ， 这 时 ， 虽然 它 们 比水轻 ， 但 是在短时间内会被 波浪 推到水的下 面 ， 就 象波浪 带着 木块 上下 震荡 。 由于油膜碎片在海面以下 ， 很 多 时 候 不 再受 风的 影响 ， 它 们 飘移的 速 度会变 慢 ， 而 且 油膜碎片会 蔓延 到很大的 区域 。 最 终 ， 浮标不 能再 准确地 反 映 溢油运动 。 尽 管 这样 ， 浮标 仍然提供 水体的运动信息 ， 这对 于 预测 溢油 未 来的 走向趋势 仍然 是很有 帮助 的 。
户大范围监控与管理和 数据采集用户数据传输 应用 ；
4） 融合 北 斗 卫 星 定
位系统和卫星增强两大 资源， 提供更丰富的增 值服务 ；
5） 它 是 我 国 自 主 系
统， 高强度加密设计， 安全、 可靠、 稳定， 适 合关键 部 门 应用 。
3.3 定位系统比较
北斗卫星定位系统 与世界其他主要卫星定 位系统比较 见表 1。
收 稿日期 ： ２００８－０7－０7
谢 文 宁 等:
基 于北斗卫星定位 技术 的海上溢油跟踪监测系统 研究
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2 海上溢油跟踪检测系统
2.1 现有海上溢油的实时跟踪监测方式
目前 ， 世界各国对海上溢油的实时跟踪监测手段主要有卫星遥感 、 雷达探测 、 航空遥 感 、 计算机模拟和巡逻艇搜寻等几种方法 ， 这几种方法又存在各自的不足之处 。
（ 油气 ） 开采的进程进一步加快 ， 各大石油公司纷纷加大对海洋石油的开采力度 ， 海洋对 我国能源发展战略的作用也越来越大 ； 随着船舶的大型化发展 ， 油轮特别是超大型油轮在 我国水域频繁出现 ， 使原本已经十分繁忙的通航环境更加复杂 ， 导致船舶溢油污染隐患增 加 ， 特别是重特大船舶溢油污染的风险随之增大 ， 防污染工作面临前所未有的压力和风 险 。 因此 ， 提高水上应急反应能力 ， 用科学手段治理船舶溢油尤显重要 。 海上溢油属突发性海洋污染事故 ， 需要人们作出快速的应急反应 ， 尽可能予以控制 、 回收和清除 ， 以减少所造成的环境污染损害 。 然而 ， 海上溢油应急反应和清污作业的环境 条件通常比较恶劣和复杂 ， 溢油在风浪流及光照等自然因素的联合作用下 ， 位置和形态又 在不断地变化 ， 因此 ， 应急反应和清污作业的困难程度大 、 技术要求高 ， 需要特殊的关键 技术给予支持 。 建立科学的海上溢油跟踪检测系统 ， 使用先进的溢油跟踪监测设备 ， 准确掌握和 预 测 溢油 漂移方向 和 扩散范围 ， 对 于 及 时 采 取 有 效围 控清除 措施 、 减 小 溢油事故造成的损 失 、 保护 海洋 生 态系统 平衡具 有重大 意义 。
2） MapX MapX 是 Mapinfo 公司为开发人员提供的一个快速 、 易用 、 功能强大的地图化组件 ，
可方便地实现数据可视化 、 专题分析 、 地理查询 、 地理编码等丰富的地图信息系统功能 。
MapX 的主要功能包括 ： 显示 MapInfo 格式的地图 ； 对地图进行放大 、 缩小 、 漫游 、
括溢油跟踪浮标 、 北斗卫星定位系统 、 溢油跟踪监测平台三部分 。
关键词： 北斗卫星定位系统 ； 溢油 ； 监测 ； 浮标
0 引言
2006 年我国成为世界第二大石油消费国 ， 原油进口量突破 1.45 亿 t， 全国沿海石油 运输总量达到 4.31 亿 t ， 其中 90%是通过海上船舶运输完成的 ； 我国在沿海海域进行石油
图 2 利用浮标监测溢油的系统
谢文宁等 :
基于北斗卫星定位技术的海上溢油跟踪监测系统研究
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定位 ， 定位数据和观测数据通过移动通信网络 （GSM ） 或 CDMA 传输给用户 。 浮标体上 装载温度传感器 ， 也可以根据需要装载盐度和水质传感器 。 用户可以在浮标投放后通过手 机短信方式更改设置 。 浮标的重量配置使得浮标体和十字水帆全部浸没在水中 ， 通信天线 露出水面 。 近岸型漂流浮标具有体积小 、 重量轻 ， 投放方便 、 通讯费用低和可回收的特点 。 它不 仅应用于海洋学研究 ， 还广泛应用于溢油 、 赤潮 、 倾废跟踪 、 沿海管理等方面 。
选择等操作 ； 专题地图 ； 图层控制 ； 数据绑定 ； 动态图层和用户绘图图层 ； 生成和编辑地 图对象 ； 简单地理查询 ： 边界查询 、 地址查询 。
4.2 溢油跟踪浮标
海洋浮标主要分为锚定类和漂流类两种 ， 前者包括定点的气象资料浮标 、 海水水质 监测浮标 、 波浪浮标等 ； 后者有表层漂流浮标 、 中性浮标 、 各种小型漂流器等 。 溢油跟踪 浮标属于表层漂流浮标中的近岸漂流浮标一类
20 世纪 70～80 年代 ， 随着地球极轨卫星和同步卫星的发射 、 全球移动通讯系统的开
第3期 2008 年 9 月
水
运
科
学
研
究
RESEARCH ON WATERBORNE TRANSPORTATION
No.3 Sep. 2008
基于北斗卫星定位技术的海上溢油 跟踪监测系统研究
谢文宁 刘晋川 张同戌
北京
杨
100088)
瑞
( 交通部水运科学研究院
摘要： 开发了一种基于北斗卫星定位技术的海上溢油跟踪监测系统 。 该系统包
GPS 全球定位系统
北斗 卫星定位系统
10 m 10 m
水平 16 m 垂直 25 m
GLONASS 卫星定位系统
伽利略 卫星定位系统
1m
4 海洋浮标
4.1 海洋浮标简介
海洋浮标是一种现代化的海洋观测设备 。 它具有全天候稳定可靠的收集海洋环境资 料的能力 ， 并能实现数据的自动采集 、 自动标示和自动发送 。 海 洋 浮 标 与 卫 星 、 飞 机 、 调查船 、 潜水器及声波探测设备一起 ， 组成了现代海洋环境立体监测系统 。 海洋浮标一般由水上和水下两部分组成 ， 水上部分装有多种气象要素传感器 ， 分别 测量风速 、 风向 、 气温 、 气压和温度等气象数据 ； 水下部分装 有 多 种 水 文 要 素 传 感 器 ， 分别测量波浪 、 海流 、 潮位 、 海温和盐度等海洋水文数据 。 各种传感器采集到的信号通 过仪器自动处理后 ， 由发射机定时发出 ， 再由地面接收站接收处理 （图 2）。
6.2 中心软件的功能和实现 1)地理信息系统
地理信息系统 (GIS, Geographic Information System) 是一种基于计算机的工具 ， 它可 以对在地球上存在的东西和发生的事件进行成图和分析 。 GIS 技术把地图这种独特的视 觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作 （例如查询和统计分析等 ） 集成在一起 。 这 种能力使 GIS 与其他信息系统相区别 ， 从而使其在广泛的公众和个人企事业单位中解释 事件 、 预测结果 、 规划战略等中具有实用价值 。
3 北斗卫星定位系统
3.1 北斗卫星定位系统简介
北斗卫星定位系统是双星有源定位体制， 由两颗工作卫星、 地面控制中心站为主的地面部 分和北斗用户终端三部分组成， 可以全天候、 全天时地提供区域性卫星定位信息 （图 1）
[3]
。
3.2 北斗卫星定位系统的优势 1） 同时具备定位与通讯功能 ， 无需其他通讯系统支持 ； 2） 覆 盖 中国及周 边 国 家 和地区 ， 24 h 全天候 服务 ， 无通信 盲 区 ； 3） 特别适 合 集 团 用
5.2 基本功能 1） 定位 功能
浮标收到地面控制中心发出的北斗激发定位指令 后 ， 设定北斗自动定位 频 度 ， 进行 自动 定位 ， 并向 地面 控制 中 心 实时 提供 其所在位置的 经 度 、 纬 度 ， 定位精度小于 10 m， 并 以标准形式显示 （ 经 度 : 度 分 秒 ， 纬 度 ： 度 分秒 ， 时间 ： 年月日 时 分秒 ）。
2） 遥闭功能
浮标在收到地面 控制 中 心 发出的 遥闭指令 后 ， 将 终端 永久关闭 。
图 3 海上溢油跟踪监测浮标
5.3 工作环境 温度 ： －40～＋70℃ 水温 ： －10～＋75℃ 风 力 ： 0～50 knots 浪高 ： 0～50 feet
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释放高度 ： 3 m
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科
学
研
究
2008 年第 3 期
图 1 北斗卫星定位系统组成结构图
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科
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研
究
2008 年第 3 期
表 1 北斗卫星定位系统与世界其他主要卫星定位系统比较
定位系统 覆盖范围 全球 中 国 及 周边 国家 和地 区 全球 全球 应用 范围 军民共 用 军民共 用 军用 民用 时滞性 实时 实时 实时 实时 定位 精 度 通讯 功 能 无 能 无 无 费用 免费 低 — 低
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1 溢油应急 处 理技术
溢油应急 处 理技术 主 要有以下 6 方 面 ：
1） 海 陆空 立 体 化溢油应急反应系统 ； 2） 航 空遥感 监 视 监测海上溢油[1]； 3） 4） 5） 6）
海上溢油 浮标 跟踪 定 位技术 ； 溢油 预 测 与预警 技术 ； 海上溢油应急反应 决策辅助 支持系统 ； 海上溢油控制 与 清除对 策[2]。
5.1 整机组成
外 观 结构 ： 整 体 颜色为黄色 ； 外 形直 径尺寸 ≤28 cm ； 重量 ： 30 kg （图 3）。 内部 结构 ： 包括 天线 、 射频模块 、 主板 、 电 池 、 海流计 、 温度计 、 油膜 检测 装置等 ； 主板上设有电源开关和显示终端工作状态 的 指 示 灯 ， 即 ： 电 源 和发 射状态指 示 灯 、 锁定卫星 信 号指 示 灯 （2 个 ）； RS232 接 口 （1 个 ）； 机内配置的电 池能够保证终端持续工作 88 h 以 上 （发 射频 度不 超 过 1 次 /min）。