基于新一代Argos卫星系统的表面漂流浮标设计

介绍了改进的表面漂流浮标的功能、组成和设计过程.该浮标加装了Argos卫星收发器和GPS模块,相比目前的表面漂流浮标,该浮标具有数据传输有效性高,功耗低,采集数据量大,可双向通信等特点.浮标在布放后可通过网络申请对浮标参数进行设置,再由卫星将设置参数发送给浮标:浮标利用GPS模块对其直接定位,且定位精度显著提高.浮标测...     

一种新型多功能海洋浮标

介绍一种多功能海洋考察与观测用浮标的结构、性能。浮标带有短波无线电遥控和数据传输功能、可外挂多种传感器;该浮标采用小水线结构,在较高海况下,具有较好的安定性。浮标配置了差分型全球定位（DGPS）接收机和短波电台,可对浮标的位置和工作状况实施实时监测,对浮标的工作程式实时遥控并进行必要的数据传输。浮标电子舱内具有大容量多通道数据采集记录系统,DGPS的lpps（1 pulse per second）信号被用于多浮标数据采集的精确同步。浮标可用于海洋监测、考察;也可用于水下目标高精度大地坐标测量等海洋工程。     

海洋资料浮标的资料有效接收率问题研究

一、我国海洋资料浮标的现状及问题的提出海洋资料浮标由于它具有无人管理、长期、定点、连续观测、实时传输、资料可靠及费用低等一系列优点,毫无疑问,它作为一种新型的海洋环境监测设备正日益受到我国海洋界的重视。随着我们国家浮标研制工作的迅速开展,海洋资料浮标网的建成,如何定义海洋资料浮标的资料有效接收率、船和浮标观测数据的比对方法以及比对数据的处理;根据海洋资料浮标的资料有效接收率、船和浮标比对的结果评价海洋资料浮标的工作性能等问题便提到议事日程上来。本文想就海洋资料浮标的资料有效接收率的有关问题提出来与大家商讨。     

海洋资料浮标姿态信息测量技术研究现状及发展趋势

海洋资料浮标在海洋环境监测、预警预报、防灾减灾、资源开发、海上交通、渔业生产、军事活动保障等方面具有重要作用,是海洋立体监测体系的重要组成部分。世界主要沿海国家和国际组织都极为重视海洋浮标技术的发展。海上观测过程中,浮标随风、浪、流等作用产生复杂运动。浮标复杂运动的精确观测离不开浮标姿态信息测量技术的发展。浮标姿态信息,不仅是浮标及其搭载设备工作安全性可靠性评价的重要参考,也是浮标测量数据实时精准校正的重要保障。因此,浮标姿态测量技术具有重要的研究价值和应用价值。文章从工程实际的技术需求出发,对浮标姿态信息测量技术的研究现状、技术难点以及发展趋势等方面进行了梳理和总结,以期对研发新一代智能浮标观测技术提供有益启发和借鉴。     

应用于海洋物性监测仪的小型浮标水动力分析

为验证研制的国产气象水文传感器的性能,设计了直径3 m的圆盘式小型浮标,拟搭载所有传感器在2000 m以深海域开展应用试验。统计了试验海域的有义波高、波浪周期、最大风速和表层流速等环境参数,计算了浮标的质量、重心、吃水、受力投影面积和惯性矩等设计参数。以三维势流理论和波浪辐射-绕射理论为基础,使用AQWA软件在频域内对浮标进行水动力计算,仿真了浮标工作时所受的一阶波浪力、附加质量、附加阻尼和运动幅值响应因子,通过仿真结果对浮标设计方案进行优化,优化后的浮标计算结果随波浪频率变化平缓,幅值合理且无激增点,表明该浮标与工作海域内的波浪没有发生明显谐振,对环境载荷有足够的承受能力,方案可用于浮标研制。     

三锚系大型浮标运动响应特性数值研究

以三锚系浮标系统为研究对象,基于AQWA与OrcaFlex软件开展了三锚系大型浮标系统运动响应特性数值模拟研究。对直径10 m的浮标结构在波浪荷载下的水动力特性进行研究,校核了浮标的初稳性和大倾角稳性特征,计算分析了浮标的附加质量、辐射阻尼、运动响应幅值算子RAO等水动力参数,阐明了不同风、浪、流工况下三锚系浮标与辅助浮筒的运动响应特性,揭示了浮标三锚链导缆孔处锚泊张力随入射角度、波高和周期等的变化规律。研究结果表明：该浮标稳性和随波性能较好。与无浮筒三锚系浮标相比,带辅助浮筒的三锚系浮标系统的运动响应和锚泊张力减小,随着波高和周期增大,三锚系浮标系泊锚链的极端张力值逐渐增大,尤其是在极端海况下,迎浪向锚链极端张力急剧增大。     

世界最大海底监测网启动

“加拿大海王星”是世界上最大的海底有线局域网，随着它在2009年12月8日正式启动，海洋学研究有望迎来一个全新的时代。借助于这个全新的海底监测网络，科学家对海洋深处进行探索时将与过去的一些常用手段说“再见”，系缆浮标或者利用船只上传仪器在简短的时间里拍摄的手段将被淘汰。     

系缆式水下自动升降平台

系缆式自动升降平台应用到水下定点测量系统中，可以用一套观测仪器完成全剖面的测量，和以往锚系系统单点分层测量方式相比，它具有连续进行剖面测量的先进性和经济性。文章介绍了系缆式水下自动升降平台的应用方式、升降原理、结构组成以及原理样机在实验室和千岛湖进行试验的情况。     

海底对系缆运动及张力影响研究

对系缆运动及张力进行分析,并考虑海底对系缆的影响。采用细长弹性杆单元模拟系缆微段,建立系缆运动控制方程,采用有限元法对其进行离散,将海底弹性和阻尼作用力添加到离散控制方程中。利用牛顿法和Newmark-β法对离散后的系缆非线性运动方程组进行数值求解。模拟长600 m的系缆顶端受到垂向正弦激励时的运动,分别求得考虑和不考虑海底作用时系缆运动响应和动态张力。通过对比系缆的运动、速度和动态张力结果,发现海底的弹性阻尼作用对系缆的运动及张力特性有极大影响。上述研究工作为计算海底对系缆的作用力提供了新方法。     

HM2000型剖面浮标的主要特征及其应用

HM2000 型剖面浮标是一种新颖的国产海洋观测仪器,可以长期在海上自由漂移并连续测量 0~2 000 m 水深内的海水温、盐度剖面数据,已被国际 Argo 组织用于全球 Argo 实时海洋观测网建设和维护。 详细介绍了该型浮标的工作原理、结构、功能和主要技术指标等,并与 APEX 型浮标进行了比较分析, 表明了 HM2000 型剖面浮标具有明显的功能优势,且测量的温、盐度质量是有足够保证的,完全可以替代国外浮标用来主导建设我国的 Argo 区域海洋观测网。     

深海平台系缆形状和张力分析

考虑海底地形的变化、系缆的拉伸形变及海流力等因素,研究了深海平台系缆形状和张力分析方法采用集中质量法,得到系缆方程组,采用牛顿法求解该非线性系缆方程组,建立系缆形状和张力的计算方法。计算了平坦海底和海底地形凹凸变化时水深1 018 m情况下的系缆形状、系泊张力和浮体平衡位置。计算结果表明,海底地形对于深海系泊系统张力影响较大,而计算系缆形状和张力、系泊浮体的运动时,需要考虑海底地形的影响。     

基于BLISCO的深海剖面浮标设计优化

剖面浮标被广泛应用在国际"Argo"计划中,通过在海洋中上浮下潜运动来收集海水温、盐、深等物理参数。为了满足科学研究的需要,将常规2 000 m的剖面观测深度延伸至更深的海区十分有必要。为了设计一款性能优越的4 500 m深海剖面浮标,文章针对深海剖面浮标的特点,以液压系统的性能参数为依据,以100个测量剖面为设计目标,同时考虑到浮标露出水面的干舷高度、在深海环境下体积压缩以及其内部各模块之间的关联与耦合,建立深海剖面浮标概念设计的多学科设计优化模型,应用BLISCO多学科设计优化算法框架进行总体设计优化,优化后的总重量为48.773 kg,与日本的4 000 m的深海剖面浮标相比,重量减小了2.52%,测量剖面数增加了30个。设计优化结果表明,该型深海浮标的设计能满足深海环境下的测量要求,且性能优于日本的4 000 m级深海剖面浮标。     

新型深水系泊系统非线性循环动力分析

深水绷紧式系泊系统以合成纤维材料系缆作为主体系缆,由于系缆复杂的力学特性以及绷紧式系泊方式的特点,在设计、分析和工程应用中会带来新的有待深入认识的问题。以一系泊浮体的动力响应分析为例,考察了循环载荷作用下纤维系缆的动刚度特性,比较了悬链式系泊与绷紧式系泊动力响应的特点。分析表明,绷紧式系泊具有优良的系泊性能,但同时会发生复杂的张力响应。这些认识对于绷紧式系泊系统的研发和工程应用具有重要的参考价值。     

浙江海洋浮标监测数据质量控制体系设计

准确有效的数据是开展各项海洋科学研究的基础和前提。与传统采样监测流程不同,海洋浮标在线监测从样品采集到数据结果完全实现自动化,数据质量控制的重点也不再聚焦于样品采集和分析测试阶段。文章选用浙江近年的浮标监测数据,结合浮标监测特点,从浮体稳定性、仪器设备校准、系统运行维护、数据传输接收、比对监测和异常值判定等关键环节,对浙江近岸海洋浮标监测数据质量控制体系进行设计,重点聚焦异常值判定和比对监测;建立质量控制方法库,提出浮标数据质量控制的有效、可信和相对准确3个层级的异常值判定规则,具有首创性,其中第一层为去除明显的故障值、异常值和离群值等无效数据后得到的有效数据集,第二层是经方法库选取合适的质控方法处理后得到的可信数据集,第三层是根据现场比对监测结果验证后的相对准确数据集。以浙江海洋浮标监测数据为基础提出的浮标监测数据质量控制体系的设计思路和方法,将有助于整体提升浙江近岸海域浮标在线监测数据质量,可为全国海洋浮标监测数据质量控制以及相关数据质量控制提供参考。     

基于振荡水柱原理的大型海洋浮标供电系统设计及优化

大型海洋浮标需具备独立工作、连续监测、实时传输数据的能力,稳定、便利的供电系统是保障浮标正常工作的关键。目前应用较为广泛的太阳能与蓄电池的混合供电系统,受昼夜交替、日照时长和海上高盐高湿环境影响较大,维护成本高。而波浪能作为一种清洁能源同时具有获能不间断的特点,可以为浮标持续性供电。本研究设计了基于振荡水柱原理的大型海洋浮标供电系统,通过数值模拟计算,研究了装置在不同结构形式下的气动性能,计算结果表明波长气室直径比L_d=5.5、孔板面积比e=1.25%、波长气室间距比L_k=7时装置具有最佳功率与俘获宽度比,装置从基本尺寸经结构优化后,俘获宽度比从0.178 m^-1增加至0.260 m^-1,提高了约46.1%。     

聚酯系缆损伤对绷紧式系泊系统动力响应影响的数值分析

由于聚酯缆绳具备优异的力学性能,促使以其为主体系缆的绷紧式系泊系统得以广泛应用和发展。但聚酯系缆具有复杂的黏弹性和黏塑性,且由于在安装和使用过程中可能产生不同程度的损伤,使得聚酯系缆的动刚度特性发生演变,从而对系泊系统的动力响应产生直接影响。以一系泊于1 020 m水深的Spar平台为例,运用ABAQUS软件建立了由聚酯缆绳组成的系泊系统有限元模型,并利用ABAQUS子程序将损伤缆绳动刚度经验公式进行导入计算,以更好地反映系缆真实的动刚度变化。基于该有限元模型,计算了在相同水流、波浪工况下,不同损伤度、不同损伤系缆的系缆张力历程和平台的横荡、纵荡位移响应,分析了不同损伤度、不同损伤系缆对系缆张力及平台位移的影响。这些成果对把握绷紧式系泊系统在聚酯系缆有损伤情况下的非线性动力响应及其安全应用具有重要的参考价值。     

我国Argo浮标的设计与研究

自沉浮式剖面探测浮标是一种海洋观测平台,首先应用在国际Argo计划,故又称之为Argo浮标,专用于海洋次表层温、盐、深剖面测量。仪器布放后自行在大海中工作2a以上,直至电源耗尽;2004年11月8日实验的Argo浮标潜入深度已达到1900m,历时两年的浮标研究工作,在下潜深度、上浮水面、剖面测量、数据处理、卫星传递数据等功能上已经达到国际Argo组织的要求。文章详细阐述了剖面浮标的设计与研制内容和各种试验项目及所得数据,不仅为浮标设计提供科学的实测数据,还为今后该仪器产品化进程提供大量可靠依据和检测方法。     

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。     

海洋观测浮标体水中平衡性分析

海洋观测浮标系统应用广泛,浮标体的平衡性能是影响海洋观测浮标使用的重要因素之一(着重观测波浪等水文参数除外)。以一种主体直径为2.3 m的浮标体为例,运用动力学平衡理论,通过数学分析法进行推演计算,分析后得到了此浮标体的重心和浮心的位置。其中,重心位于主浮体的中轴线偏下位置;按照浮标体倾斜一定角度的情况下,推算出浮标体浮心位置,并由此得出其稳心的位置。依据计算,得出浮标体倾斜20°的情况下,此浮标体依然处于稳态平衡,理论结果表明此浮标体设计具有一定的可行性。通过海上实际测试,验证了理论计算分析的正确性。文中对浮标体平衡性的研究采用了理论分析与实验印证相结合的方法,其分析计算方法具有普适性,适用于其他型号的海洋观测浮标体,乃至所有水面浮体的平衡性分析,可为水面浮体设计提供借鉴。     

基于GPS的测高浮标的设计、研制与测试

卫星高度计在海洋中的广泛应用,离不开准确的定标工作。高度计海面高度定标主要采用验潮仪法和全球定位系统(Global Positioning System,GPS)浮标法。文中详细介绍了GPS浮标的研制工作,分别对可用于高度计海面高度定标使用的GPS浮标的性能要求、设计、数值模拟计算做了详细研究,采用数值模拟的方法对研制后浮标的性能进行了评价,数值模拟结果表明研制的浮标可以满足海上试验的要求。最后结合GPS浮标测高验证试验,对研制的GPS浮标的测高精度进行了验证,结果表明研制的GPS浮标精度能够满足高度计海面高度定标的要求。