CN108357634B

CN108357634B - 无锚系自动复位深远海定点观测浮标及方法

Info

Publication number: CN108357634B
Application number: CN201810177130.0A
Authority: CN
Inventors: 刘愉强; 王伟平; 关健宾; 陈嘉辉; 朱鹏利; 林冠英; 黄虓寰; 周保成; 张金尚
Original assignee: South China Sea Survey Technology Center State Oceanic Administration (south China Sea Marine Buoy Center)
Current assignee: South China Sea Survey Technology Center State Oceanic Administration (south China Sea Marine Buoy Center)
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2018-03-04
Publication date: 2023-12-19
Anticipated expiration: 2038-03-04
Also published as: CN108357634A

Abstract

无锚系自动复位深远海定点观测浮标及方法，包括浮标体和动力定位系统，浮标体顶部设有观测小平台，可以在观测小平台上安装气象观测传感器，通过桅筒与浮体连接成一整体，动力定位系统由观测小平台上安装的风速风向仪、气压仪、定位仪、平面太阳能电池板、桅筒上的柔性太阳能电池板、浮体下面安装的海流计、推进电机、螺旋桨、控制器及软件组成。本申请解决了深海浮标定点观测时，需要长长系留系统进行锚碇的问题，不需系留系统锚碇，也能实现定点海洋要素观测。该浮标可根据设定站位位置和允许活动半径，自动值守在该点进行长期观测，一旦在风流浪作用下漂移该设定活动半径范围，将在其自身动力系统帮助下，自动恢复到设定站位位置继续进行观测。

Description

无锚系自动复位深远海定点观测浮标及方法

技术领域

本发明涉及一种深远海观测系统，具体是一种无锚系自动复位深远海定点观测浮标及方法，属于深远海浮标技术领域。

背景技术

目前海上定点观测的浮标都是采用锚碇方式，固定于某海域一个站位点上，实现观测海洋要素功能。这就需要配置一套远大于水深的锚碇系留系统，在深远海，这套系留系统少则几十万元，多则上百万元成本，而且需要昂贵的大型船进行布放回收作业，如布放在4000m水深的直径6m浮标，系留缆绳长达5000m，布放需要该站位海域持续三级海况下一整天，回收也同样需要该站位海域持续三级海况下一整天。若海况不好，需要更多船时，成本更高。不管回收还是布放，大量系留需要投入大量人力整理，不仅增加了作业人员劳动强度、难度，也增加了作业成本。其次，浮标需要锚碇方式固定，必然对海底的地质、地形和环境状况有严格要求，例如海底地形变化剧烈的位置不适合布设，海底海缆、输油管道密集的地方不能布设，严重制约观测站位的选取，影响了业务需求，不利于海洋环境保障。由此可见，现有技术，存在成本高、作业海况要求苛刻、布设位置海底情况要求严格等问题。

发明内容

本发明的目的在于解决深海浮标定点观测时，需要长长系留系统进行锚碇的问题，提供一种不需系留系统锚碇，也能实现定点海洋要素观测的浮标及方法。该浮标可根据设定站位位置和允许活动半径，自动值守在该点进行长期观测，浮标一旦在风流浪作用下漂移该设定活动半径范围，将在其自身动力系统帮助下，自动恢复到设定站位位置继续进行观测。

无锚系自动复位深远海定点观测浮标，其特征在于包括浮标体和动力定位系统，所述的浮标体顶部设有观测小平台，可以在观测小平台上安装气象观测传感器，通过桅筒与浮体连接成一整体，此浮标体满足现有的常规观测需要的所有要求。

动力定位系统由观测小平台上安装的风速风向仪、气压仪、定位仪、平面太阳能电池板、桅筒上的圆柱形柔性太阳能电池板和圆台形柔性太阳能电池板、浮体下面安装的海流计、推进电机、螺旋桨、控制器及软件组成。

本发明根据浮标体桅筒圆形的特点，使用柔性的太阳能电池板，贴合桅筒，这样可以大大提供浮标系统供电的功率，满足动力系统对电能的需求，也不会对浮标体增加额外的风阻力。若是采用传统的太阳能电池板，需要在桅筒上增加平面安装支架，会增加浮标体风受力面积，提高了浮标体的重心，严重的会导致浮标体倾覆。由于浮标装有风速风向仪、气压仪、定位仪、海流计、推进电机、螺旋桨、控制器和软件，使得浮标没有系留系统锚碇，也能始终保证在某一个设定区域内进行定点观测海洋要素。该浮标可根据设定站位位置和允许活动半径，自动值守在该点进行长期观测，浮标一旦在风流浪作用下漂移该设定活动半径范围，将在定位仪、推进电机和螺旋桨及控制系统组成精细计算下，自动恢复到设定站位位置继续进行观测。这样可以节省系留锚碇的费用、布放回收过程的船费等。

附图说明

图1是本发明的总体结构正面视图。

图2是本发明的总体结构侧面视图。

图3是本发明的浮标偏离布放站位的示意图。

图4是本发明的浮标恢复到布放站位的示意图。

其中，1观测小平台、2风速风向仪、3气压仪、4定位仪、5平面太阳能电池板、6无锚系自动复位深远海定点观测浮标、7桅筒、8浮标体、9螺旋桨、10圆台形柔性太阳能电池板、11圆筒形柔性太阳能电池板、12推进电机、13海流计。

具体实施方式

本发明在浮标上装上动力定位系统，实现不用系留系统锚碇也能定点进行海洋要素观测，节省布放回收成本和系留费用，同时提高作业效率。

如图1、图2所示，无锚系自动复位深远海定点观测浮标，其特征在于包括浮标体8，所述的浮标体8上方中部设有桅筒7，所述桅筒7下部、中部和上部依次是一级桅筒、圆台体和二级桅筒，桅筒7的圆台体外侧面设有圆台形柔性太阳能电池板10、二级桅筒外侧面设有圆筒形柔性太阳能电池板11，二级桅筒顶部设置安装有气象观测传感器的观测小平台1，在观测小平台1上还设有风速风向仪2、气压仪3、定位仪4、平面太阳能电池板5；浮标体8底部设有海流计13，浮标体8底部中央安装有带螺旋桨9的推进电机12。

动力定位系统由位置监测子系统、推力子系统、控制子系统组成。

位置监测子系统由观测小平台1上安装的定位仪4构成，它为动力定位系统提供实时位置信息；

推力子系统由观测小平台1上的平面太阳能电池板5、桅筒7上的圆柱形柔性太阳能电池板11和圆台形柔性太阳能电池板10、浮标体8下面安装的推进电机12和螺旋桨9构成，它为整个浮体系统提供保持持续在位动力；

控制子系统由观测小平台1上安装的风速风向仪2、气压仪3、海流计13及内含程序的控制装置构成，它为动力定位系统提供判断参数，将利用位置监测子系统测量浮标的实时位置或位置方向偏差作为输入量，向推力子系统发出启动指令，输出回到预定区域的动力。

如图3所示，(X0，Y0)坐标为浮无锚系自动复位深远海定点观测标6布放的站位，根据不同需求，设置其允许在圆形区域内(即离布放站位距离R)进行观测，一旦无锚系自动复位深远海定点观测浮标6离开圆形区域，位置监测子系统将位置方向偏差输入，向推力子系统发出动力启动指令，并实时将位置方向偏差输入到推力子系统，推力子系统根据实时位置方向偏差及时调整动力方向，驱使无锚系自动复位深远海定点观测浮标6向(X0，Y0)坐标行驶，直到无锚系自动复位深远海定点观测浮标6恢复到(X0，Y0)坐标站位为止。

因此，上述无锚系自动复位深远海浮标进行自动复位的方法，具体如下：

(0)设定布放站位的坐标(X0，Y0)，以及最大偏移距离R；

(1)判断气压仪3数值P，若P≥976hPa，则以设计的经济航速行驶，执行以下步骤：

实时监控定位仪4的数值(Xi，Yi)，将其输入公式(1)判断Ri与R之间大小关系

1)若Ri＜R，则推力子系统不动作；

2)若Ri≥R，则推力子系统启动，执行以下命令：

a)计算浮标系统受到的合力(即风和流的合力)：根据风速风向仪2观测的实时风速值和海流计13的观测的海流实时值/>分别乘以各自的受力面积(风受力面积S_F和流受力面积S_L均由浮标体设计时确定)，再求矢量和/>设/>对应坐标为(m，n)，如公式(2)所示

b)以(X_i，Y_i)为矢量方程一个端点，求出另一个端点坐标(X_i+1，Y_i+1)，即(X_i+1，Y_i+1)＝(X_i+m，Y_i+n)后，再以(X_i+1，Y_i+1)为圆心，以经济航速的模V为半径，设x、y为未知数，求出一个圆方程(3)

(x-X_i+1)²+(y-Y_i+1)²＝V² (3)c)根据浮标布放位置(X0，Y0)和实时监控定位仪4的数值(Xi，Yi)，得到直线方程(4)

d)由方程(3)、方程(4)联合求解，得到x、y的解为(a，b)

e)根据(X_i+1，Y_i+1)和(a，b)两点坐标获得推力方程(5)

解方程(5)获得浮标系统推进艏向角Φ；

f)浮标以艏向角为Φ的经济航速的速度向布放点(X0，Y0)行驶，行驶时每隔时间T(取值在30秒到60秒之间)重复上述步骤a)-e)已获得最新的艏向角；并实时监控定位仪4的数值(Xi，Yi)，一旦(Xi，Yi)与(X0，Y0)的距离Ri小于R的1/100，推进子系统停止工作；

(2)判断气压仪3数值P，若P＜976hPa，则以设计的最大航速行驶，执行以下程序：

1)计算浮标系统受到的力(即风和流的合力)：根据风速风向仪2观测的实时风速值和海流计13的观测的实时海流值/>分别乘以各自的受力面积(风受力面积S_F；流受力面积S_L)，再求矢量和/>如公式(2)所示；

2)推进航行速度与相反，并实时监控定位仪4的数值(Xi，Yi)，一旦(Xi，Yi)与(X0，Y0)的距离Ri小于R的1/100，推进子系统停止工作。

——这是因为在台风期间，只要浮标受风流影响，稍微偏移目标位置，就需开足动力，在这瞬间，用推进将矢量抵消，因此能够向x0y0点靠拢。

Claims

1.无锚系自动复位深远海浮标进行自动复位的方法，其特征在于所述无锚系自动复位深远海定点观测浮标包括浮标体（8），所述的浮标体（8）上方中部设有桅筒（7），所述桅筒（7）下部、中部和上部依次是一级桅筒、圆台体和二级桅筒，桅筒（7）的圆台体外侧面设有圆台形柔性太阳能电池板（10）、二级桅筒外侧面设有圆筒形柔性太阳能电池板（11），二级桅筒顶部设置安装有气象观测传感器的观测小平台（1），在观测小平台（1）上还设有风速风向仪（2）、气压仪（3）、定位仪（4）、平面太阳能电池板（5）；浮标体（8）底部设有海流计（13），浮标体（8）底部中央安装有带螺旋桨（9）的推进电机（12）；

所述自动复位的方法包括以下步骤：

（0）设定布放站位的坐标（X0，Y0），以及最大偏移距离R；

（1）判断气压仪（3）数值P，若P≥976hPa，则以设计的经济航速行驶，执行以下步骤：

实时监控定位仪（4）的数值（Xi，Yi），将其输入公式（1）判断Ri与R之间大小关系

（1）

1）若Ri＜R，则推力子系统不动作；

2）若Ri≥R，则推力子系统启动，执行以下命令：

a）计算浮标系统受到的合力：根据风速风向仪（2）观测的实时风速值和海流计（13）的观测的海流实时值/>分别乘以各自的受力面积，再求矢量和/>，设/>对应坐标为（m，n），如公式（2）所示

（2）

b）以（X_i，Y_i）为矢量方程一个端点，求出另一个端点坐标（X_i+1，Y_i+1），即（X_i+1，Y_i+1）=（X_i+m，Y_i+n）后，再以（X_i+1，Y_i+1）为圆心，以经济航速的模V为半径，设x、y为未知数，求出一个圆方程（3）

（3）

c）根据浮标布放位置（X0，Y0）和实时监控定位仪（4）的数值（Xi，Yi），得到直线方程（4）

（4）

d）由方程（3）、方程（4）联合求解，得到x、y的解为（a，b）；

e）根据（X_i+1，Y_i+1）和（a，b）两点坐标获得推力方程（5）

（5）

解方程（5）获得浮标系统推进艏向角F；

f）浮标以艏向角为F的经济航速的速度向布放点（X0，Y0）行驶，行驶时每隔时间T重复上述步骤a）-e）已获得最新的艏向角；其中T取值在30秒到60秒之间；并实时监控定位仪（4）的数值（Xi，Yi），一旦（Xi，Yi）与（X0，Y0）的距离Ri小于R的1/100，推进子系统停止工作；

（2）判断气压仪（3）数值P，若P＜976hPa，则以设计的最大航速行驶，执行以下程序：

1）计算浮标系统受到的力：根据风速风向仪（2）观测的实时风速值和海流计（13）的观测的实时海流值/>分别乘以各自的受力面积，再求矢量和/>，如公式（2）所示；

2）推进航行速度与相反，并实时监控定位仪（4）的数值（Xi，Yi），一旦（Xi，Yi）与（X0，Y0）的距离Ri小于R的1/100，推进子系统停止工作。