表层漂流浮标及其跟踪技术

第16卷　第2期1997年6月
海　洋　技　术
OCEAN T ECHNOLOGY
Vol.16,No.2
June,1997表层漂流浮标及其跟踪技术
余立中 山广林
(国家海洋局海洋技术研究所,天津,300111)
摘　要
漂流浮标是一种小型海洋资料浮标,具有自动采集海洋水文气象数据、自动定位与数据传输
的功能。

它可以在海洋中对表层海流进行大尺度测量与描绘,属一次性使用仪器。

其体积小,便于
投放,按照不同的使用目的可连续在海上工作几个月到两年。

FZ S3-1型表层漂流浮标在海上进行漂流及跟踪实验,自1995年5月至1996年1月在海上漂流并把采集的数据送回地面接收站。

用从A RG OS服务中心索取的资料,描绘了一条连续完整
的流迹曲线。

文章详细地论述了试验结果。

A RG OS卫星定位与数据传输系统的建立使漂流浮标有了更大的发展,文章简要地介绍了国
外表层漂流浮标的典型产品,并介绍了漂流浮标的跟踪技术,尤其是利用A RGO S系统定位和传
输数据的技术。

关键词　漂流浮标　跟踪　传输技术
漂流浮标是依照海洋调查、环境监测、气象预报和科学实验的需要而逐步发展起来的一种小型海洋资料浮标。

可自动连续采集海洋水文气象数据,有定位和传输数据的功能。

浮标布放后随被测层海流自由漂移,同时对已设定的各项测量参数连续不停地采集。

它依靠固定的卫星通讯网定位并将观测到的各种参数数据传输到地面接收站,数据经计算机处理后提供给用户。

因此,该浮标可在各种海洋调查中对海流走向、流径进行大尺度测量。

有体积小、重量轻、便于投放、不易遭破坏、不受人为限制等特点,可在海洋中连续工作几个月至两年,适用于大面积海域调查、海气相互作用研究、自然灾害和突发性环境污染调查等诸多方面。

历年国际大型海洋科学实验表明:漂流浮标对那些缺乏数据海域的气象水文分析和预测非常重要,在海流数值及其变化量的分布,对大洋环流研究则起着更为重要作用。

地球极轨卫星和同步卫星的发射为全球海洋环境监测和发展奠定了基础。

漂流浮标真正成为海洋水文观测工具是在70年代以后,它利用ARGOS(卫星定位与数据传输)系统定位及传输数据,有较高的可靠性、数据接收率和定位精度。

观测项目包揽海表面气象参数、表层水文要素、定深分层水温测量等。

西方经济发达国家早就将漂流浮标用于海洋大尺度测量上,70年代后期ARGOS系统的收稿日期:1997-03-26
建立使漂流浮标有了更大的发展。

仅海面型观测项目就包揽了气象参数、表层水文要素及用测
温链进行水温分层测量等等。

图1　ECOM AR 型
ARGOS 系统的多项目应用中,海洋环境
监测是较重要的一项。

而漂流浮标与A RGOS
的关系最为密切,后者使前者进入实用化阶
段。

历年来,全世界投入使用的PTT 中,大约
有一半以上安装在漂流浮标上。

据1991年11
月出版的《ARGOS 简讯》报导:1990～1995年
有关国家计划在太平洋布放1369个漂流
浮图2　M A R ISON DE G T 型
标。

日本、韩国等国家和我国台湾地区每年有相当数量的漂流浮标布放。

日本海上安全局用单参数漂流浮标监测黑潮的流径、流速,可测表层水温。

其外形呈纺锤形,高1.72m ,最大直径处为0.7m 。

美国国家浮标数据中心(NDBG)在T OGA 中使用了一种气象型漂流浮标,水面以上呈桅杆状,水文要素包括了波高和波周期,在海上可连续采集18个月的数据。

法国漂流浮标产品也较齐全,有只设置PT T 用来测流的特轻型漂流浮标,仅26kg ,还有较大的气象型漂流浮标,均可带有100m 测温链,用微机控制数据采集和数据处理。

(图1、图2)。

表1测量参数
范　围分辨率采样时间周　期系统精度气　压
900～1050hpa 0.15hpa 4s 1～10min ±1hpa 气　温
-40～+50℃0.1℃可变可变±1℃水表层次表层
-5～+35℃0.16℃可变可变±0.5℃风　速0～40m /s 1m /s 1s 10min ±1m /s 风　向
360°10°1s 10min ±15°有效波高
0～20m 0.1m 0.67s 20min ±0.5m 波周期2～20s 1s 0.67s 20min ±1s
2 海　洋　技　术 第16卷
从现已收集到的资料看,国外漂流浮标产
品是根据用途而有不同类型。

世界气象组织曾
公布过标准型气象漂流浮标的观测指标(表
1)。

FZS 3-1型表层漂流浮标是国家海洋局
海洋技术研究所于1994年在国内首次研制成
功的。

它可连续采集水深约2.5m 处的温度,
由ARGOS 系统定位和传输数据。

1995年5
月该漂标在海上进行漂流及跟踪实验,直至
1996年1月它仍在海上工作并把采集的数据
送回地面接收站。

FXS 3-1型漂流浮标系统主要由标体和
水帆组成(图3),标体为圆柱形,呈直立状态
浮在水中,内部装有ARGOS 发射机、天线、水
温传感器、电源等。

水帆是中空长圆筒形,
布放图3　浮标系统
展开后它处在被测流层位置,有缆绳与标体连接,标体由水帆拖曳,随被测海流自由漂移,在海中的FZS 3-1型漂流浮标,保持着ARGOS 天线部位经常露在水面以上,布放的浮标经受住八个月风浪考验,始终可靠的不间断的工作,传送回大量的连续采集数据。

从ARGOS 服务中心得到了上万组水温、定位和电路工作情况资料,为我国海表面漂流浮标研究提供了较为可靠的依据。

1　总体方案
漂流浮标属拉格朗日法测流,它的基本出发点是让浮标自由漂流和随被测海流同步漂移。

设计时要使被测流层的推动力起主要作用,其它因素的影响愈小愈好。

从此目的出发,浮标系统选用圆柱形标体与定深系缆连结水帆组成。

标体内包容了全部电子仪器,其上端是ARGOS 发射天线,正常情况应露出水面,温度传感器装置在标体下部。

标体还是系统的浮体,用来保持浮标在海上漂流时的正常姿态。

系统正常工作状态应尽量使标体呈直立状,天线部分在水面以上约60cm 左右。

标体下端用柔软钢缆系住圆筒形水帆,系缆使水帆处在被测海流层中。

为使水帆在流中尽量展开,其下端装有配重。

浮标是一次性使用设备,一般都在布放前进行标体水密封装。

此刻,电子仪器已进入正常工作状态,即连续测温及发射数据信号。

为确定浮标在投放前PT T (平台发射终端)是否工作正常,工作人员须备有ARGOS 上行信号检测器,迅速检查PT T 工作与否以便妥善处理。

浮标的结构
浮标结构可分成标体、水帆及系缆三部分。

浮标体　用ABS 工程塑料管密封而成,它即是载体又是浮体。

故要求其本身具有较高的机械强度,耐海水浸泡,较好的化学稳定性及最小的吸水率及不渗漏。

标体内自上而下装有天线、发射机、电池组和水温传感器(图4)
内部仪器由金属支架牢固固定,空余部分用泡沫塑料填充。

壳体及内部件应稳固的组成一3　第2期 表层漂流浮标及其跟踪技术
体以承受大洋涌浪无休止的冲击和无法预料的碰撞。

投放后的标体靠自身浮力,在水帆及配重的作用下直立于水中,风浪使标体左右摇摆,浮体力使系统平衡,设计让浮心在重心之上,浮标方可保持稳定状态。

水帆其作用是带动浮标随被测海流同步漂移。

显然,推动力与滑差决定水帆特征面积的大小。

为适应海上的各种气象条件,一般实用面积远大于计算面积。

可选用的形状有圆筒形,帘形和降落伞式。

水帆在水下应尽量呈展开状,但在海流冲击下又容易曲卷,为此在筒体上有规则地开了一定数量圆孔。

材料选用尼龙布缝制,下端系有重块。

令其在海水冲击下有较小的变形和便于收放。

系缆部分它将标体与水帆连成一体,是能保证在海中使用6个月防鱼咬的软缆。

长度一般应由被测流层深度而定。

为防止水帆旋转而带动标体转动,系缆两端连接处须加转环机构。

浮标电路工作框图如图5。

图4　浮标体剖示 图5　电路框图
FZS 3-1型浮标性能及技术指标、
观测项目(表2)表2项 目
测量范围精确度表层水温
-3～+35℃±0.5℃定 位
海上任何位置300m
测 流不限,取决拉格朗日法计算技术要求
观测次数:连续
数据发送:1次/min
数据传输
ARGOS 卫星定位与传输系统
中心频率:401.65M Hz
发射周期:60S
接收方式:ARGOS 地面站
接收概率:0.98
工作时间自布放起6个月
4 海　洋　技　术 第16卷
布放方式
随船布放
外形尺寸
标体:圆柱形 140×3000mm
水帆:圆桶形 500×10000mm
工作极限条件
气温:-20～+45℃
波高:16m
风速:30m /s
水深:>20m
2　海上实验
FZS3-1型漂流浮标于1995年5月在南中国海中部投放,进行海上实验。

从布放之日(5月21日),一直通过国际电传从ARGOS 服务部索取该浮标传回的数据,进行准实时跟踪。

几个月后改用索取存盘资料的方法继续了解及分析浮标状态,直至1996年1月下旬收不到信号为止。

在漂流的第一个月,曾经历过3、4、5号台风的考验,从台湾岛南端的涡旋里漂移出来进入黑潮流系,沿日本南部海面漂流,向东北方直入太平洋的广阔海面并在那里长时间的盘旋。

在海上总工作时间为八个月,得到六个月的资料。

运用定位资料,可描绘出浮标漂流轨迹,即流径图,计算出某段的平均速度。

因为时间连续,加之数据量之大,海洋学家可细致分析,从中找出感兴趣和值得研究的内容。

用定位-水温坐标,同样可得到一条渐变的温度曲线。

FZS3-1型表面漂流浮标的漂流路径如图6、图7、图8、和图9所示,图6中东沙岛两侧的气旋型涡旋和反气旋型涡旋是取自“南海海区综合调查研究报告(二)”(中国科学院南海海洋研究,科学出版社,1985年)。

是1979年夏季调查结果,为150m 层上的温度分布,冷涡中心的表层温度与其外围区域的温度差约0.5℃。

图7中黑潮流系流轴是多年平均的结果。

浮标在5月21日09:58时投放后到当日19:12时大体在20.000°N 与20.833°N 之间沿NW -SE 和N -S 方向往返运动。

此后到5月26日06:10时在投放位置附近摆动。

其平均摆动幅度不大,纬度约为0.1度;经度约为0.05度。

从5月27日18:42到6月5日03:03时,沿冷涡西边界向南漂移,经度变化幅度最大为0.15度,纬度变化较大,大约向南漂移了1.2度,到18.800°N 附近后折向东南,6月12日到达18.386°N ;115.370°E 处,大体处于冷涡南边界,而后沿东南偏东方向漂移,6月19日05:49时其位置处于冷暖涡交界的南端,坐标为18.601°N ;117.251°E ,而后,大体沿东北方向漂移,穿过暖涡中心后于7月5日23:57时到达台湾地区西南方,距岸大约25n m ile 处,其位置坐标为21.817°N,120.334°E,水深约1km 。

其后沿西北偏北方向漂移,7月10日23:49时到达高雄西南外海,距岸大约38n m ile 处,坐标为22.305°N ,120.061°E 。

此后一直到7月19日17:45时的近10天时间中在高雄外海岸顺时针方向,以近似椭圆转了两圈。

见图8所示。

第一椭圆为封闭的,从7月10日23:49到7月16日04:04历时6天多,其长轴方向近似N -S 向,长约16.68n mile ,跨越0.278个纬度;短轴方向W -E ,长约
9.241n mile ,跨越0.154个经度:第二个椭圆没有封闭,长轴近似NW -SE 向,历时约4.5天,从7月20日05:01时开始在离岸10～19n mile,沿东南方向漂移,至7月22日18:53时到达
5　第2期 表层漂流浮标及其跟踪技术
图6
　浮标在南海中部向东北方向漂移图7　浮标经台湾南部后的路径
6 海　洋　技　术 第16卷
台湾地区南端恒春以南外海,距离岸3n m ile 处,坐标为24.841°N ;120.769°E 。

而后绕过台湾地区南端鹅鼻,7月23日04:28时到达台湾地区南端东海岸外海,进入黑潮流系。

其位置坐标为22.163°N,120.997°E(图7)。

从进入黑潮流系以后,一直沿黑潮流轴漂移,在7月24日23:43到25日23:22时通过台湾省与那国岛进入东海;在7月26日16:27到7月28日22:17时,即到达钓鱼岛,到赤尾屿附近海域发生弯曲,与黑潮流轴在此海域弯曲是一致的。

从进入东海后一直沿200m 至1000m 大陆斜坡漂移,在8月7日21:56时到达口永良部岛以西海域,坐标为30.496°N ,129.113°E 。

然后折向东偏南经过口永良岛附近海域转向东南,于8月9日穿过屋久岛与口之岛之间进入太平洋,沿日本以南海域黑潮流系漂移,历时20多天于8月31日到达35.337°N ,150.222°E 处。

如图9所示。

图中可以看出在进入太平洋沿日本以南黑潮流系漂移路径有3个大弯曲,分别处在九州岛以南外海、八丈岛附近海域和33°～34°N;143°～147°E
附近海域。

图8　高雄外海处的旋转
由此可知,从上述所描绘的漂移路径,基本上与其所经过海域的流系是一致的,特别是在经过东沙岛西南的冷涡和进入黑潮流系以后,从5月17日到6月15日沿着冷涡的西边界和南边界漂移,与冷涡反时针旋转方向一致,据“南海海区综合调查研究报告(二)”所得到的结7　第2期 表层漂流浮标及其跟踪技术
果,该冷涡终年存在,且位置比较稳。

在进入黑潮流系以后,其漂移路径与黑潮流轴,完全一致,特别是黑潮在东海钓鱼岛和赤尾屿附近海域及日本以南海域的大弯曲,该浮标漂流的路径也反映得非常明显。

应该说FZS3-1
型漂流浮标是成功的。

图9　5月21日～11月30日漂流浮标随流流径图
东沙岛以东至台湾省这一海域到目前为止不少学者已做了大量调查分析和研究,也得出了一些非常重要的结果,但总的看来对这一海域的流系的描述还不是十分清楚,特别是台湾省沿海的流场更是这样。

从本次FZS3-1型漂流浮标漂流路径的分析,提出了一些值得研究的问题:
(1)东沙岛以东暖涡的尺度和寿命有多大,其时空变化如何?
(2)该暖涡与南海暖流和通过巴士海峡进入南海的黑潮分支,特别是北上通过台湾海峡的黑潮分支的相互关系是怎样?
(3)高雄外海是否存在一个顺时针旋转的涡旋,它与台湾省高雄以南的沿岸流及南海暖流和北上通过台湾海峡的黑潮分支的关系又是怎样?
上述分析表明,FZS3-1型表面漂流浮标不仅对大尺度的环流(如黑潮)响应灵敏,而且对中小尺度海流响应也比较灵敏。

3　漂流浮标跟踪技术
随着卫星定位和数据发射、传输技术在全球不断推广应用,漂流浮标是较为适合其应用的领域之一。

它的应用特点是即要定位,又需要数据传输,大范围无边界的漂移需要覆盖全球的卫星系统,还必须有完善的连续服务体系与之相配套。

ARGOS 的中文解释可为卫星定位与数据传输系统,ARGOS 是借古希腊神话中百眼巨神8 海　洋　技　术 第16卷
(ARGOS)而得名。

ARGOS 系统是法国国家空间研究中心(CNES )、
美国国家航空与航天局(NASA )和国家海洋大气局(NOAA )于1978年联合建立的卫星定位与数据传输系统。

它覆盖全球,服务于全世界。

供测量和研究陆地、水域及大气圈的物理、化学及生物特性之用。

该组织原定持续到1990年,后又再决定延至2006年。

ARGOS 全球数据处理中心分别设在法国南部的图卢兹,负责对北美洲之外的世界各地区用户服务。

另一个设在美国马里兰州的Landover,专对北美洲用户服务。

这两个数据中心即互相独立,又互为备用。

而后,1988年和1990年分别在澳大利亚和日本开设区域数据处理中心。

ARGOS 系统由三部分组成:
(1)发射机部分　ARGOS 系统把监测仪器的载体称为“平台”。

漂流浮标上装置的AR-
GOS 发射机通过称“
平台发射机终端”(PT T ),它以一定的格式将采集的数据资料上传给AR-GOS 卫星。

PT T 发射频率固定,发射周期对既采集数据又定位用的PTT 为60～90s 。

PT T 发射的信息长度最多256位,每次发射的持续时间0.3～1s 。

生产PT T 必须经ARGOS 服务部检定批准,到90年代初,全世界有7个国家的15家公司被获准。

如美国的ORE 公司,澳大利亚的M RT 公司等。

(2)空间部分　ARGOS 系统使用两颗NOAA 卫星。

它是一种地球极轨卫星,具有太阳同步轨道。

其轨道周期是101.3m in 和102.3m in,轨道高度分别是830km 和870km 。

两颗卫星在地表面各有一直径约5000km 的可视圆区(图10a)。

随着卫星绕地球飞行,这个圆在地表面形成一宽5000km 环绕带状覆盖圈(图10b )。

由于地球的自转,相交的两条轨道在经度上相差25°,相继通过两极的卫星覆盖在赤道处有2800km 的错位,同一卫星在地球表面形成相邻的两覆盖带之间有一重叠区(图10c)。

图10　N OA A 卫星覆盖区
(3)地面部分　ARGOS 系统的地面部分由分布在世界各地的各类接收站、数据处理中心及资料分发系统组成。

地面接收站有两类。

第一类称遥控指令和数据接收站,是大型主要地面站。

第二类是地区性用户接收机终端,即用户地面站。

数据处理中心有3台计算机同时工作。

一台接收数据,一台用来处理数据,另一台负责分发数据。

ARGOS 数据处理中心通过全球电讯系统、国际电传、国际电话和邮寄的方法将处理后的9　第2期 表层漂流浮标及其跟踪技术
10 海　洋　技　术 第16卷
数据分送给用户。

需指出的是,后三种方法是被动式的,即用户提出要求后再满足,故至多是准实时资料。

邮寄的存盘资料通常以三个月为期存在软盘上,其数据包括该地区项目号内所有正在工作着的PT T传送的资料。

服务中心的计算机对处理后的资料只负责保存半年,即六个月以后将很难要到你索取的资料。

对于处在不停漂移状态的某个PT T,卫星过顶次数和过顶持续时间与它所在的纬度有关。

中国海域大约是北纬5～45°,平均过顶7～12次。

平均过顶时间10m in,卫星从某PTT正上方通过,则可持续达13min。

若过顶时间内PTT发射的全部信息相同,则每发出一次信号,卫星的接收概率是:
1-(1-0.8)n
漂流浮标上装有全方位天线,在大洋中不停摇摆又不时被涌浪覆盖的浮标,是由其系统来保证天线尽量处在最有利于电波发射的姿态。

数据发送以1次/min的频率不停的进行,海洋中的水温变化通常是缓慢渐变的,在卫星过顶的短时间内可认为是相同信号。

假设在10m in 时间内,至少有二次信号发出并接收到(全部约10次),则卫星的接收概率是
1-0.22=0.96
即96%以上。

所以,每次卫星过顶,地面站可接收到相当数量的观测数据。

随着浮标的漂移,定位数据和观测数据总处于不断在更新状态。

从ARGOS服务中心索取资料有数种方法,其实值都一样。

仅表达方式有所不同。

如经国际电传而来的资料从电传机打印出来是:
PROG532
07070　19.951N　114.454E　3　145/0507Z-145/0502
(1)BT EOF51　DECO9E90000
00000000
从软盘读出的存盘资料显示如下:
0053207070218D31995-10-3121:06:2530.743159.5860.00401649810
1995-10-31　21:00:521A9EO EE6DO DO9610000
00000000 1995-10-31　21:02:531A9CO EE6DO BO9600000
00000000 1995-10-31　21:03:531A9DO EE9DO CO9600000
00000000 1995-10-31　21:04:541A A OO EE7DO EOO9630000
00000000 1995-10-31　21:05:541A9F OEE6DO EO9620000
00000000 1995-10-31　21:06:551A9EO EE6DO DO9610000
00000000 1995-10-31　21:07:551A9SO EE7DO CO9620000
00000000 1995-10-31　21:08:561A9EO EE6DO BO9620000
00000000 1995-10-31　21:10:571A9CO EE7DO A O9610000
00000000 1995-10-31　21:11:571A9CO EE7DO BO9610000
00000000
第一种形式中,时间用格林威治时,日期是今年的第“145”天。

第二种形式的各项解释是;00532-项目号;07070-PTT识别号;21—本项内容行数;8-
允许传感器数;D-NOAA 卫星号;3—定位信号质量;公元年月日;格林威治定位时间;30.743—纬度;159.586-径度;0.00-PT T 海拔高度;发射频率。

如果将数据安排在发射机的二、三通道,则资料显示形式是:
×××OF51 DECO ×××
0是分隔符“F 51”是电源电压,“DEC ”
是水温,由于发射机内用十六进制编码,因此,必须转换成十进制后再在数学表达式中进行运算,得出要求的物理量数值。

按水温传感器设计,温度模拟量是一条斜直线数学表达式为:
t =8V s -5将D EC (H )→3564(D )
V s =3564(D )4095×5 可求出t =29.8℃
电压的计算:U =V s ×3 F 51(H )→3921(D )V s =
3921(D )4095×5 计算出U =14.36V 漂流浮标的起步在我国较晚,尽管我们在漂流浮标研究上取得一定的经验,掌握了整套技术,但仍需进一步开展更深入的研究工作,尤其在增加观测项目上投入大力量,使盐度、海表面气压、气温等重要参数在漂流浮标得以实现。

参考文献
1　A R CO S N EWSL ET T ER
2　D aut al S .Bitter man 等著T HE DESIG N OF A L OW CO ST T RO PICA L DRI FIER BU O Y
3　孙仲汉,A RCOS 系统在我国海洋水文气象自动观测中的应用,海洋技术,1989.1.2
Surface Drifting Buoy and Its T racing
Yu Lizhong Shan Guanglin
(I nstitute of Ocean T echnology ,SOA T ian j in 300111)
Abstract
Drifting buoy ,a small-scale buoy,w hich offers capabilities for data collection for hy-dro metr y,autom ato rs location,and data transimitio n.It can m ap surface stream cur rent on the sea in larg e-scale.Drifiting buoy is an ex pendable instr um et,is of small-scale easy de-plo yment,It continuous w orks inforseveral months to tw o Years fo r v ar io us purposes.
M odel FZS3-1drifting buoy w as developed w ith success for the first time by Institute of Ocean T echnology ,SOA in 1994.It can co ntinuously collect subsurface w ater tem perature para meter upto 2.5m depth .It can be located and transim ited data thr ough Argos sy stem .The dr ifting and tracing test w as carried out on the sea from M ay,1995to Januar y,1996,w ith data co llected and sent to ground receiv ing station .A perfect continuo us cur ve of flow -ing trace w as draw n w ith data fr om ARGOS ser vice centre.T he result w ill be show n in the paper indetail .
The paper briefly introduces fo reig n ty pical products and tracing technolog y and special-ly ,the locatio n and data transim ition technolog y .
Key words drifting buoy lo cation tracing data transmition 11　第2期 表层漂流浮标及其跟踪技术 。