基于北斗通信的海洋多要素观测系统设计

以低功耗、多参数、安全可靠为设计目标,提出一种基于北斗卫星通信的海洋多要素观测系统设计。设计以嵌入式微控制器STM32F103RET6为核心,实现以漂流浮标为载体的海洋环境噪声测量,同时实现对海洋气温、气压、风速、风向及表层海温的多要素观测;以可充电锂电池组和太阳能电池板组合方式供电,同时进行必要的电源管理,有效提高漂流浮标的工作寿命;采用我国自主知识产权的北斗系统进行定位及双向通信,安全性高。实验表明,基于北斗通信的海洋多要素观测系统设计具有可行性,满足低功耗、多参数、安全可靠的设计要求,为以表面漂流浮标为载体的海洋多要素数据采集控制提供新的硬件设计方法。     

浙江省海洋水质监测浮标设计与实现

作为一种高技术监测手段,海洋浮标可实现现场自动监测而不受恶劣海况的影响,近年来得到了广泛的重视和快速发展。文中介绍了浙江近岸海域海洋水质监测浮标的结构设计和自动监测实现。浮标设计为生态浮标、海滨浮标和专项浮标3种类型,由浮体、标架、供电设备、防护设备、锚系、传感器、数据采集传输、电子/电池舱、岸站接收系统等9个部分组成。浮体设计为圆饼形,浮体下方正中安装稳定锤以保证具备足够的稳定性。供电设备由太阳能电池板、大容量蓄电池组成,可保障海上30 d连续阴雨天气、恶劣海况下的不间断供电。浮标经喷防污漆、牺牲阳极保护、裹铜皮、加过滤网和人工清除等5种方法防腐、防污处理后投放入海,采用常规维护、应急维护和年度维护等3种方式保障浮标系统运行稳定。投放后可实现对标浮所在海域水质、气象、生态等参数的连续、实时、自动监测。最后对浮体直径设计和浮标投放点选址提出了建议和要求。该设计可为其它类似区域的水质监控提供良好的参考。     

新型表层漂流浮标体设计分析

表层漂流浮标在应用于海洋调查研究时,浮标体外形对浮标通讯稳定性及数据回收等会产生一系列影响,也直接制约浮标使用寿命。为此,考虑减少风阻和水阻,减小浮标体对水帆运动的影响,提出了一种新型的适用于近远海海洋观测的表层漂流浮标体葫芦形外形设计方案。结合流体力学理论分析,运用Solid Works软件分别对葫芦形浮标体和常用的圆柱形浮标体建模,并利用Workbench软件CFX流体分析模块开展了流体分析和比较,结果表明葫芦形浮标体所受压力更均匀,其水下部分压力值较圆柱浮标体减小约28%,证明葫芦形外形浮标体更具可靠性。     

深海自持式剖面浮标水动力特性分析

利用CFD技术对浮标上浮下潜运动进行数值模拟实验分析,流场求解基于Navier-Stokes方程和RNG k-epsilon湍流模型,压力和速度的耦合采用SIMPLE方法解耦,流场的控制方程采用有限体积法离散且分离式求解。在此基础上揭示了浮标上浮下潜运动过程的流场特性;得到浮标水下运动过程阻力随速度变化的规律,并将仿真结果与浮标海试试验结果进行了对比分析,验证了该方法的可行性。为浮标控制和浮标外形结构的优化提供了理论依据。     

海洋气象探测基地—浮标

浮标是海洋气象探测的前沿阵地和堡垒.文中分别对海洋浮标探测系统、通讯系统以及供电系统做了详细介绍.其中探测系统对常规气象探测传感器的原理和常规水文探测传感器的原理进行介绍;通讯系统介绍了浮标常用的几种通讯方式和各自的优缺点;供电方面介绍了仪器用电限制以及太阳能供电系统结构.从特殊观测环境的角度分析了海洋环境对浮标系统各个部分的特殊要求.最后结合汕尾浮标运行情况,从系统使用和维护的角度,对浮标进一步完善提出建议.     

深海资料浮标太阳电池供电系统

深海资料浮标(以下简称深标)电源技术是深标重点攻关技术之一。第20号深标全面采用太阳电池供电,在我国浮标太阳能电源应用史上揭开了新的一页。在深标鉴定会上,专家对此给予了充分的肯定和高度的评价,认为这是解决浮标供电的发展方向。本文扼要介绍深标太阳龟池供电系统的设计思想,系统组成,设计依据和参数,特性测试及使用情况,供今后的浮标电源系统设计参考和交流。     

国内海洋浮标监测系统研究概况

文章介绍了国内海洋浮标监测系统的类型、系统组成、监测资料的质量控制和应用概况。将国内常见的海洋浮标监测系统划分为８个类型。监测系统通常由浮标系统、锚泊系统和岸站系统３部分组成,其中浮标系统通常包括浮体、标架、供电设备、防护设备和各类传感器等。近年来研制开发集水文气象水质生物监测于一体的多参数海洋自动监测浮标系统是一个重点,但已有浮标系统监测资料的质量控制和应用还有待进一步研究。     

海上警戒浮标实时监控系统

为有效保护近海海底观测网观测安全,免受渔船拖网和抛锚等损坏的问题,设计了一套多警戒浮标(直径2.4~3.0 m)的实时监控系统,该警戒浮标可获取浮标本身工作状态,并能实时、动态、连续的将警戒浮标的运行状态发送到陆基岸站,实现对保护目标海域的实时监控,同时该浮标系统可进行扩充实现对海洋环境要素的观测。警戒浮标布设采用正多边形(三角形、正方形和正五边形等)预警保护方式,浮标以保护节点为中心等距布放,组网形成有效的海上保护围栏,保障海底观测系统的安全运行;供电系统采用太阳能电池和蓄电池组合供能方式,可保证在连续阴天的情况下警戒浮标系统运行100天。该警戒浮标技术已在东海海底观测网保护中成功示范运行6个月,该技术可为近海海底观测保护提供有效技术保障。     

基于WebGIS技术开发浮标综合管理平台系统的研究

根据浮标综合管理平台系统建设的实际情况,从需求分析、系统结构设计、数据建模以及实现技术等几个方面,详细介绍了基于WebGIS技术开发接收浮标数据、存储浮标数据、多媒体查询及展示浮标数据的综合管理平台系统。在建设过程中,采用浮标数据中心数据库、GIS信息数据库、浮标数据展示3个组成部分进行系统软件设计,提高了系统的可维护性。采用关系型数据库来进行数据的存取,解决了各种浮标格式不统一的问题,使查询变得更为方便;利用OPENLAYER+GEOSERVER+ORACLE/MYSQL来开发WebGIS,实现了电子海图的漫游、数据查询以及数据统计结果输出;通过这个平台系统,可以自动化、多功能、大容量、形象化地展示及查询浮标的各种数据。     

基于单片机和模糊控制的浮标自动防碰撞系统

针对海洋观测浮标易受过往船只碰撞及恶劣天气的影响而损坏,提出了基于单片机和模糊控制的浮标自动防碰撞系统。该系统以C8051F340单片机作为核心控制芯片,设计了控制系统的软硬件,实现了信号的采集、处理、分析和传送。以距离、风速信号及其变化量作为输入变量,建立了相应的模糊控制规则和控制算法,设计了模糊控制器,为浮标长期、安全运行提供了保证,并为海洋测量仪器实现智能化控制奠定了基础。     

适用于中国近海观测研究浮标的北斗/GPS双模信标系统的研制与应用

为了提高海洋观测研究浮标在位运行的安全性,自主设计了一种北斗/GPS双模定位信标。该信标采用传统的GPS技术进行定位结合“北斗”卫星特有的报文通信和定位功能,通过解决传统GPS信号盲区问题,为中国近海海洋观测研究浮标安全运行提供了更加有力的保障,同时提高了数据保密能力。该系统采用外部供电和内部自主供电相结合的模式,即使外部供电中断,也可保证正常运行不低于1 a,而且基本上不需要对信标进行专门维护,大大降低了运行和维护成本。与该信标配套的岸站管理系统具备发送和短信和邮件报警的功能,可实现浮标运行状态实时监控。     

基于介电弹性体的漂浮式振荡水柱发电分析

为解决海洋监测微型传感器供能问题,设计新型波浪能捕获装置,在海面振荡浮筒气室产生空气气柱,驱动介电弹性体形变发电为传感器供能。建立振荡浮子式气柱数值模型,研究新型振荡水柱发电计算理论。利用水动力仿真软件AQWA求解浮子所受波浪力作用振荡幅值、辐射阻尼和附加质量。基于Simulink软件分别计算波浪作用下浮子位移和气室内水柱位移,根据两者的位移差计算气室体积变化所产生的空气压强、介电弹性体发电薄膜形变量和系统输出电能,单次循环周期最大发电量达到24.6 mJ。分析波浪周期、发电薄膜几何参数等对输出电能的影响。     

自治式海洋环境监测系统的低功耗设计

针对海洋环境监测系统中供电电池组有限储能与仪器长期工作之间的矛盾,进行了自治式海洋环境监测系统的低功耗研究.从节能降耗、充分利用水体能源出发,将定点锚泊潜标和浮标技术相结合,采用双浮体技术,基于能量守恒,研制了一种储能型的传动装置;在分析了影响系统功耗的各种因素的基础上,对单片机数据采集控制存储系统进行了低功耗设计,为海洋环境监测系统长期在位作业提供了有力的能源保证,很好地解决了海洋环境监测系统的能源供应问题,使得该系统可以依靠单一的传感器组完成深达55 m以上的水体次表层海洋要素的长期连续垂直剖面观测.     

光学浮标控制系统硬件设计

以光学浮标为控制对象, 以工作稳定、低功耗为目的, 设计海上工作控制硬件。采用嵌入式PC/104 CPU主板和以单片机为核心多功能板组合, 由PC/104 CPU主板完成采集数据、保存数据、通讯等工作, 多功能板实现计数、I/O控制、A/D转换、定时等功能。单片机结合日历时钟和电源总开关组成二级“看门狗”, 实现了海洋光学浮标控制系统无人值守、全天候、全过程独立工作。     

一种新型激光雷达测风浮标设计及海试应用

精确获取剖面风数据对海上风电场规划选址、风能资源评估等至关重要。针对测风塔建设成本高、拆卸移动困难,而传统浮标电源供给较小、摇晃角度大等缺点,设计一种新型激光雷达浮标,实现了对目标海域的风资源剖面数据的观测、解算与自存储。在南海海域进行海试应用,并对观测的剖面风数据和传统大型海洋资料浮标风数据进行同步比测分析。结果表明,激光雷达测风浮标的测量结果与大型浮标测风数据吻合较好,风速R~2相关系数达到0.975,风向R~2相关系数达到0.932。该研究成果可为激光雷达测风浮标在海上风电开发和开展风场变化的科学研究等提供参考。     

极区冰基拖曳式海洋剖面浮标系统低功耗设计与实现

针对极区冰基拖曳式海洋剖面浮标长期稳定获取极区水文和气象数据的工作需求,进行了浮标系统的低功耗方案设计。该方案基于超低功耗51系列微处理器,根据最低功耗工作模式与最短工作时间原则,采用高效的电源管理机制对浮标系统各个部分的能量消耗进行合理的分配与管理,并应用了Argos卫星通讯模块ARGOS-3 PMT-RFM的BPSK调制低速数据传输模式,可有效降低浮标系统的整体能耗。该浮标在北极冰站上长达1年的运行情况表明该系统工作稳定,所采用的低功耗能量管理方案实现了浮标系统长期连续观测的需求。该浮标的成功试验和推广应用有助于极地研究人员更准确地分析海冰变化过程。     

一种精细化的海洋浮标数据质量控制方法

针对海洋浮标数据获取特点及常见数据错情,本文提出了一种精细化的海洋浮标温盐数据质量控制方法。通过范围检验、尖峰检验、莱因达准则等六个步骤实现浮标数据质量控制,其创新性在于有效集成了多种质量检验法,并且研究了一种融合传统尖峰检验与莱因达准则的质量检验新方法;并以中国近海观测研究网络黄、东海站浮标温盐观测数据为例,验证了本方法的有效性和适用性。该方法可广泛用于海洋浮标温盐观测数据的质量控制,识别出长时间序列数据的异常值。经过本方法质控后的浮标观测数据对于海洋科学研究、海洋气象预报、海洋灾害预警以及渔业发展等具有重要意义。