CN110186508A - 基于北斗短报文和无人船的大洋水文气象信息监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于北斗短报文和无人船的大洋水文气象信息监测系统，属于海洋信息监测领域。所述监测系统包括若干按照设定路径巡航的无人船和岸上服务器，所有无人船的巡航路径构成一整块大洋网络，无人船包括水文气象信息采集模块、导航通信模块、中央控制模块和供电模块，服务器通过北斗短报文为无人船下达航行目标区域指令，无人船利用可再生能源动力航行至指定大洋区域进行水文气象信息监测，并经由北斗短报文向岸上服务器发送实时监测信息，服务器控制多艘无人船工作，便组成了大洋水文气象信息的监测网络。本发明弥补了现有全球大洋水文气象信息监测能力的不足，提升了移动与定点监测能力，可实现大洋水文气象信息的长期实时信息传输。

Description

基于北斗短报文和无人船的大洋水文气象信息监测系统
技术领域
本发明涉及海洋信息监测领域，尤其涉及一种基于北斗短报文和无人船的大洋水文气象信息监测系统。
背景技术
进入21世纪以来，全球气候问题愈渐被各国重视，特别是全球变暖、厄尔尼诺现象等带来的恶劣气候变化已经严重影响了各国人民的生活，在这样的大背景下，各国对于大洋气候变化开展了大量研究，其中如何获取广阔海域的水文气象信息成为关键。
海洋浮标是海洋环境自动观测平台，是现代海洋环境立体监测系统的重要组成部分。如应用在国际Argo计划的自沉浮式剖面探测浮标即Argo浮标，专用于海洋次表层温、盐、深剖面测量，通过在全球主要海域投放卫星跟踪浮标，旨在快速、准确大范围地收集全球海洋上层的海水温、盐度剖面资料，以提高气候预报的精度，有效防御全球日益严重的气候灾害给人类造成的威胁。但是Argo浮标是随海浪漂流的，并无法保证其长期稳定地对固定的海域进行监测，而且Argo浮标关注点在海洋上层的海水温、盐度剖面资料，而大洋表面的水文气象信息并未覆盖，而这些信息也尤为重要。
另外，走航式的海洋信息采集模式也被广泛应用，近年来就有许多志愿船纷纷加入其中。申请号为CN 108540775A的专利文献公开了一种船载多元海洋信息采集系统包括软件部分和硬件部分两大部分，硬件部分包括FPGA雷达采集模块、渔探声呐采集模块、AIS采集模块、系统存储模块、显示终端、外部信息采集模块、卫通、GPRS无线模块和导航雷达、单(多波束)渔探仪、视频监控、AIS、风向风速仪、温湿度仪、大气压力传感器、温盐度剖面仪、声速剖面仪、DGPS、姿态传感器；利用该系统能够提高渔船海上作业、航行安全和渔业监管的能力和效率。走航式的采集模式虽然灵活，但是志愿船和采集船的基数不大，无法覆盖更多的海域，且受限于成本和各方面因素，采集的时间和路线都无法严格保证。
因此，如何更全面且更好地对大洋水文气象信息进行实时的监测是当前技术开发需要重点考虑的内容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于北斗短报文和无人船的大洋水文气象信息监测系统，以弥补现有大洋信息采集技术的不足，实现了大洋水文气象的区域性准确、实时监测的能力。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于北斗短报文和无人船的大洋水文气象信息监测系统，包括若干按照设定路径巡航的无人船和岸上服务器，所有无人船的巡航路径构成一整块大洋网络，所述无人船包括：
水文气象信息采集模块，实时采集大洋水文气象信息；
导航通信模块，对无人船的航行位置进行定位以及通过北斗卫星向岸上服务器发送信号或接收信号；
中央控制模块，接收水文气象信息采集模块和导航通信模块的信息进行处理，并将处理后的信息经导航通信模块发送至岸上服务器；
供电模块，利用风能、太阳能为无人船的航行及各部件的运行提供电能；
所述岸上服务器接收无人船发送的信息，以及通过北斗卫星向无人船发送巡航调度指令。
本发明中主体为多个无人船，与北斗卫星、陆地基站和岸上服务器共同组成了大洋水文气象信息监测网，无人船周期性按照设定的路径在完成一片海域的巡航监测，各海域形成整块的大洋网络；北斗短报文功能实现了该系统在大洋环境中的信息实时交互；能源自供给的方式大大提高了系统的续航能力。
作为优选，所述无人船为双船体结构，包括左侧船体和右侧船体，两船体后侧各设有推进器，两船体之间由甲板连接，甲板上设有中心舱，所述中央控制模块和供电模块设于所述中心舱内，所述导航通信模块设于甲板上。无人双体船结构可提高自身的稳定性以适应大洋复杂的气候条件。
所述水文气象信息采集模块包括气象站和水文信息采集模块，所述气象站包括温湿度传感器、风速风向仪和大气压力传感器；所述水文信息采集模块包括氨氮传感器、溶解氧传感器、PH传感器和叶绿素传感器。
所述气象站设于中心舱顶部，对大洋海域的气象信息进行监测。所述水文信息采集模块设于无人船的船体部分，对水体进行监测。所有传感器经网络和串口通信协议，最终由中央处理器接收处理。
所述导航通信模块包括GPS和北斗模块，所述北斗模块包括RDSS模块和RNSS模块。
RDSS模块可实现主动定位，且具备短报文功能，成本低廉；RNSS模块无需主动发送指令即可被动获取定位信息，与RDSS的结合使用实现了优势互补，可极大提高定位的准确性与信息收发的效率。
多个无人船按照设定的路径分别围绕一片海域进行巡航工作，如此各海域形成一整块大洋网络，各无人船按照一定时间间隔通过北斗模块将定位信息和水文气象信息经由北斗卫星、陆上基站发送到岸上服务器，这样即可实时掌握大洋中各海域的水文气象信息。
所述北斗模块还可以接收岸上服务器发出的调度指令，各无人船可改变巡航路径，按照新的指令设定的巡航路径执行监测任务。
所述无人船还包括存储模块，所述存储模块与中央控制模块连接，对中央控制模块处理的信息进行存储。
所述中央控制模块通过网络和串口通信协议接收并处理来自所述的水文气象信息采集模块和导航通信模块的信息，然后将处理后的信息经由所述的导航通信模块发送北斗卫星，经过陆地基站再发送到岸上服务器，信息同时保存到存储模块。
作为优选，所述中央控制模块为基于ARM架构的微处理器，该处理器具备低功耗、体积小、高性能等优点。
所述供电模块为与风力发电机和太阳能板连接的储能电池。本发明利用风力发电和太阳能发电，实现能源自供给。具体地，无人船甲板上设置若干台垂直轴风力发电机、多块太阳能板，储能电池与其连接并存储电能，优选的，所述储能电池为锂电池。储能电池为中央控制模块、推进器、水文气象信息采集模块、和导航通信模块提供电能。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)单船监测系统采用的是小型无人船，该无人船为双体船，结构简单，运动灵活，可以保证在大洋恶劣海洋环境中巡航时的安全性和稳定性。
(2)多个无人船可按照设定的路径对一定的海域进行巡航监测，各海域共同形成了整块的大洋网络，如此既保证了系统的灵活性，又能实现大洋监测的整体性。
(3)北斗模块包括RDSS和RNSS，既能实现信息交互传输，又提高了系统的定位能力。
(4)系统采用新能源供电技术，最大程度地获取风能和太阳能资源，极大地保证了系统的长期稳定运行和续航能力。
(5)本发明有效增强了对大洋水文气象信息的区域监测能力，并增强了系统的灵活性，同时有效降低成本，既满足了当前的全球海洋研究发展与商业需求，又填补了技术空白，可产生很好的社会效益和经济效益。
附图说明
图1为本发明的系统模块原理图。
图2为本发明中无人船右视结构图。
图3为本发明中无人船后视结构图。
图4为本发明的大洋水文气象信息监测网空间示意图。
图5为本发明的系统工作控制原理图。
图中：11、气象站，12、水文信息采集模块，2、导航通信模块，3、中央控制模块，4、存储模块，51、风力发电机，52、太阳能板，53、锂电池，61、左侧船体，62、右侧船体，63、推进器，64、甲板，65、中心舱。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。
如图1-5所示，本实施例提供了一种基于北斗短报文和无人船的大洋水文气象信息监测系统，主体为多个无人船与北斗卫星、陆地基站和岸上服务器共同组成的大洋水文气象信息监测网，其中无人船还包括了水文气象信息采集模块、导航通信模块2、中央控制模块3、存储模块4以及新能源供电模块。
具体地，无人船为双船体结构，包括左侧船体61和右侧船体62，两船体后侧各设有推进器63，两船体之间由甲板64连接，甲板上设有中心舱65，中央控制模块3和供电模块均设于中心舱65内，导航通信模块2设于甲板64上。无人双体船结构可提高自身的稳定性以适应大洋复杂的气候条件。
水文气象信息采集模块，实时采集大洋水文气象信息，包括气象站11和水文信息采集模块12，气象站11设于中心舱65的顶部，对大洋海域的气象信息进行监测，气象站11包括温湿度传感器、风速风向仪和大气压力传感器；水文信息采集模块12设于无人船的船体部分，对水体进行监测，包括氨氮传感器、溶解氧传感器、PH传感器和叶绿素传感器。所有传感器经网络和串口通信协议，最终由中央处理器接收处理。
导航通信模块2，对无人船的航行位置进行定位以及通过北斗卫星向岸上服务器发送信号或接收信号；导航通信模块2包括GPS和北斗模块，所述北斗模块包括RDSS模块和RNSS模块。RDSS模块可实现主动定位，且具备短报文功能，成本低廉；RNSS模块无需主动发送指令即可被动获取定位信息，与RDSS的结合使用实现了优势互补，可极大提高定位的准确性与信息收发的效率。
中央控制模块3，为基于ARM架构的微处理器，通过网络和串口通信协议接收并处理来自水文气象信息采集模块1和导航通信模块2的信息，然后将处理后的信息经由导航通信模块2发送北斗卫星，经过陆地基站再发送到岸上服务器，信息同时保存到存储模块4。
新能源供电模块，利用风能、太阳能为无人船的航行及各部件的运行提供电能；包括四台垂直轴风力发电机51、两块太阳能板52和锂电池53，锂电池53与风力发电机51和太阳能板52连接并存储电能。利用风力发电和太阳能发电，实现能源自供给。锂电池53为水文气象信息采集模块、导航通信模块2、中央控制模块3和推进器63提供电能。
多个无人船按照设定的路径分别围绕一片海域进行巡航工作，如此各海域形成一整块大洋网络，各无人船按照一定时间间隔通过北斗模块经由北斗卫星、陆上基站发送到岸上服务器，这样即可实时掌握大洋中各海域的实时水文气象信息。
所述北斗模块还可以接收岸上服务器发出的调度指令，各无人船可改变巡航路径，按照新的指令设定的巡航路径执行监测任务。
无人船和岸上服务器通过北斗短报文的收发实现监测信息的上传和组网航行指令的下达。服务器通过北斗短报文为无人船下达航行目标区域指令，无人船利用可再生能源动力航行至指定大洋区域进行水文气象信息监测，并经由北斗短报文向岸上服务器发送实时监测信息，服务器控制多艘无人船工作，便组成了大洋水文气象信息的监测网络。
本实施例提供的大洋水文气象信息监测系统中单船监测系统采用小型双船体无人船，结构简单，运动灵活，可以保证在大洋恶劣海洋环境中巡航时的安全性和稳定性；采用新能源供电技术，最大程度地获取风能和太阳能资源，极大地保证了系统的长期稳定运行和续航能力；北斗模块包括RDSS和RNSS，既能实现信息交互传输，又提高了系统的定位能力。
多个无人船可按照设定的路径对一定的海域进行巡航监测，各海域共同形成了整块的大洋网络，如此既保证了系统的灵活性，又能实现大洋监测的整体性。
本发明弥补了现有全球大洋水文气象信息监测能力的不足，提升了移动与定点监测能力，扩大了大洋监测覆盖率，可实现大洋水文气象信息的长期实时信息传输。

Claims (7)

1.一种基于北斗短报文和无人船的大洋水文气象信息监测系统，其特征在于，包括若干按照设定路径巡航的无人船和岸上服务器，所有无人船的巡航路径构成一整块大洋网络，所述无人船包括：
水文气象信息采集模块，实时采集大洋水文气象信息；
导航通信模块，对无人船的航行位置进行定位以及通过北斗卫星向岸上服务器发送信号或接收信号；
中央控制模块，接收水文气象信息采集模块和导航通信模块的信息进行处理，并将处理后的信息经导航通信模块发送至岸上服务器；
供电模块，利用风能、太阳能为无人船的航行及各部件的运行提供电能；
所述岸上服务器接收无人船发送的信息，以及通过北斗卫星向无人船发送巡航调度指令。
2.如权利要求1所述的基于北斗短报文和无人船的大洋水文气象信息监测系统，其特征在于，所述无人船为双船体结构，包括左侧船体和右侧船体，两船体后侧各设有推进器，两船体之间由甲板连接，甲板上设有中心舱，所述中央控制模块和供电模块设于所述中心舱内，所述导航通信模块设于甲板上。
3.如权利要求1所述的基于北斗短报文和无人船的大洋水文气象信息监测系统，其特征在于，所述水文气象信息采集模块包括气象站和水文信息采集模块，所述气象站包括温湿度传感器、风速风向仪和大气压力传感器；所述水文信息采集模块包括氨氮传感器、溶解氧传感器、PH传感器和叶绿素传感器。
4.如权利要求1所述的基于北斗短报文和无人船的大洋水文气象信息监测系统，其特征在于，所述导航通信模块包括GPS和北斗模块，所述北斗模块包括RDSS模块和RNSS模块。
5.如权利要求1所述的基于北斗短报文和无人船的大洋水文气象信息监测系统，其特征在于，所述中央控制模块为基于ARM架构的微处理器，通过网络和串口通信协议接收并处理来自所述的水文气象信息采集模块和导航通信模块的信息，再将处理后的信息经由所述的导航通信模块发送北斗卫星。
6.如权利要求1所述的基于北斗短报文和无人船的大洋水文气象信息监测系统，其特征在于，所述无人船还包括存储模块，所述存储模块与中央控制模块连接，对中央控制模块处理的信息进行存储。
7.如权利要求1所述的基于北斗短报文和无人船的大洋水文气象信息监测系统，其特征在于，所述供电模块为与风力发电机和太阳能板连接的储能电池。
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