CN112591010B - 一种自适应海况的航标 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应海况的航标，包括浮体、锚系装置、电源装置、回声测距装置、控制装置、通讯装置、应答装置，通过在海洋航标上设置用于探测海底状况的回声测距仪，对航标所在位置的海底状况进行探测，并通过通讯装置与航标运行管理系统进行通信，能够对测得的海底状况信息进行校正，向船舶提供实时的海底信息和水深信息。本发明的航标不需要提前对海底状况进行测量，也不需要在放置航标前对航标进行设定。对于多种海底状况的情形，可以采用统一的本发明中的航标，无须提前设定，航标放置在相应位置之后即可提供该位置处的海底状况的相关信息，且能够实时地反映海底状况的变化，精确地提供海底状况，克服了现有的航标类别繁多和复杂的问题。

Description

一种自适应海况的航标

技术领域

本发明涉及航标领域，尤其涉及一种可根据所处海况自动调整指示信息的航标。

背景技术

航标是指指示航道方向、界限与碍航物的标志，是帮助引导船舶航行、定位和标示碍航物与表示警告的人工标志，为各种水上活动提供安全信息的设施或系统，用于标示航道、锚地、滩险及其他碍航物的位置，表示水深、风情，指挥狭窄水道的交通。

海洋航标是海上监测系统和海上导航系统的重要组成部分。因此，可以通过在海洋中布设航标，来指示航道、提示浅滩以及礁石。通常采用锚泊航标，也即通过锚链固定在水底，被固定在指定的海域，随波起伏。一般来说，海洋航标主要结构有浮体、桅杆、锚系和配重组成。

海洋航标在被放置在指定区域中前，根据事先获知的该区域的海况，比如水下为浅滩、礁石、沉船等通航水深不足的情况，对该被放置的航标给予设定与该区域海况对应的警示内容，然后才被放置在预定的位置处，来对过往的船舶给出指示和警告。因而在放置海洋航标时，需要事先对放置位置的海况进行了解，然后再对海洋航标进行相应地的配置和标定，之后再将航标放置在该位置处。这样的设置方式，使得需要针对不同的海况设置不同的航标，航标的类型比较繁多和复杂。并且，这样的航标一经设定之后，很难应对变化的海况，比如海底地质活动造成礁石的抬升或沉降、近海区域中由于河流泥沙以及洋流的影响造成的浅滩的变化等，需要定期利用测量船舶对放置区域的海况进行重新测量，并对海洋航标进行更改或更换，非常的复杂，考虑到有大量的海洋航标，这会对航标的管理和维护造成很重的负担。

因而，制造一种能够根据海况的变化，自适应、自动地调整指示或警示内容的海洋浮标成为迫切的需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种自适应海况的航标，包括浮体、锚系装置、电源装置、回声测距装置、控制装置、通讯装置、应答装置，浮体通过锚系装置被固定地漂浮在水面上，电源装置、回声测距装置、控制装置、通讯装置、应答装置设置在浮体上，电源装置向回声测距装置、控制装置、通讯装置、应答装置供电；回声测距装置、通讯装置和应答装置连接到控制装置；其中，电源装置包括太阳能电池板以及蓄电池，太阳能电池板能够向蓄电池充电；回声测距装置设置在浮标的底部，位于水面以下，回声测距装置包括至少一个回声测距仪，通过向航标所在位置的海底发出超声波，来测量航标所在位置的海底信息和水深信息；应答装置为雷达应答标，在被经过船舶的船用雷达扫描到并触发时，向经过船舶发回无线电编码信号，该无线电编码信号的内容包括航标的位置、所处位置的海底状况以及水深；通讯装置包括北斗定位和通信装置，航标通过北斗定位系统获取航标所在的位置，并能够通过北斗定位系统的短报文功能与航标运行管理系统通信，其中，航标通过北斗定位系统的短报文功能接收该航标位置处的海况信息，并利用该接收的海况信息对回声测距装置测得的海底信息和水深信息进行校正。

进一步地，所述电源装置还包括洋流发电机，洋流发电机与蓄电池连接并能够向蓄电池充电。

进一步地，所述洋流发电机和太阳能电池板分别通过二极管与蓄电池相连。

进一步地，通讯装置还包括GPS定位装置，控制装置接收北斗定位和通讯装置以及GPS定位装置获取的航标位置信息，通过北斗定位和通讯装置得到的航标位置信息与GPS定位装置得到的航标位置信息综合判定该航标的位置。

进一步地，所述控制装置包括存储模块、处理模块，所述存储模块中保存有航标的位置信息、航标所处位置的海底信息、航标所处位置的水深信息。

进一步地，所述回声测距装置包括至少四个回声测距仪，其中一个回声测距仪向航标垂直下方的海底发射超声波，另外的回声测距仪以与垂直方向成一定夹角的角度向海底发射超声波，所述一定夹角选自20°至45°。

进一步地，所述航标还设置有检测浮体姿态的姿态传感器。

进一步地，所述回声测距仪能够同时向海底发射超声波，每个回声测距仪发射的超声波的频率不同。

进一步地，所述回声测距仪能够以顺序地方式向海底发射超声波，在一个回声测距仪接收到海底反射的超声波后，另一个回声测距仪发射超声波，每个回声测距仪发射的超声波的频率相同。

进一步地，控制装置对所述至少四个回声测距仪得到的数据进行计算和分析，得到海底状况为平坦或不平坦的结果以及水深信息。

进一步地，所述浮体的顶端还设置有警示灯。

实施本发明，具有如下有益效果：本发明通过在海洋航标上设置用于探测海底状况的回声测距仪，对航标所在位置的海底状况进行探测，并通过通讯装置与航标运行管理系统进行通信，能够对海底状况进行校正，以此方式能够向过往船舶提供实时的海底信息和水深信息。本发明的航标不需要提前对海底状况进行测量，也不需要提前对航标进行设定；对于多种海底状况的情形，可以采用统一的本发明中的航标，无须提前设定，航标放置在相应位置之后即可提供该位置处的海底状况的相关信息，且能够实时地反映海底状况的变化，精确地提供海底状况，克服了现有的航标类别繁多和复杂的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明的航标的部件框架图。

图2是本发明的航标在浅滩状况的工作示意图。

图3是本发明的航标在暗礁状况的工作示意图。

其中附图标记：

1.浮体；2.锚系装置；3.设备舱；4.桅杆；5.警示灯；6.回声测距仪。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了解决前面提出的问题，本发明提出一种自适应海况的航标，包括浮体1、锚系装置2、电源装置、回声测距装置6、控制装置、通讯装置、应答装置，如图2-3所示，浮体1漂浮在海面上，而锚系装置2则由锚链和锚组成，其中锚链的一端连接在浮体1的底部，锚链的另一端则连接到锚上，而锚则以插入海底的方式固定在海底，由此方式，浮体1经由锚系装置2固定，而不会被洋流或海风推动而随处漂移。这样就可以把航标相对固定地放置在一定的位置上，使其能够在需要警示或指示的位置处对过往的船舶给出相应地警示或指示信息。所述的控制装置、电源装置、回声测距装置、通讯装置、应答装置以及警示灯都设置在浮体1上。在浮体1中设置有设备舱3，该设备舱3设置在浮体1的中空内部，且与外部的海水以及空气隔绝，所述的控制装置、电源装置的一部分、通讯装置的一部分、应答装置的一部分设置在设备舱3中，以保证能够与高盐偏碱的海水及海风环境相隔绝，给这些设备提供一个非腐蚀性的环境。

如图1所示，其示出了本发明的航标的各个部件的框架图。包括控制装置、电源装置、回声测距装置、通讯装置、应答装置以及警示灯。回声测距装置、通讯装置、应答装置以及警示灯都与控制装置相连，而电源装置则向控制装置、回声测距装置、通讯装置、应答装置以及警示灯提供电能保证其运行。

其中，电源装置包括设置在设备舱3中的蓄电池(未示出)以及设置在浮体1的水面以上部分结构上的太阳能电池板(未示出)，太阳能电池板与蓄电池相连，太阳能电池板能够利用太阳光的能量将其转化为电能，并对蓄电池充电。这样的方式能够很好地适应航标的工作环境，由于海上航标一般被设置在远离陆地或岛屿的位置，这与设置在河道中的航标不同，海上航标很难从陆地或岛屿通过电缆向航标进行供电，通过采用太阳能电池板供电的方式能够使得在远离陆地或岛屿的位置航标依然可以正常的工作。设置蓄电池能够使得航标拥有稳定的电源，并向航标上的功能部件提供稳定、可靠的电源，保证部件的正常运行。为了能够在阴天等太阳光不太充足的情况也能够保证电源供给的稳定和充足，进一步地，电源装置还包括洋流发电机，洋流发电机则设置在浮体1的水面以下的部分上，通常采用的是轴流涡轮发电机，能够利用洋流的动能转化为电能。洋流发电机与蓄电池相连，能够将获取的电能向蓄电池充电。为了保证洋流发电机与太阳能电池板之间不相互干涉，优选地，在洋流发电机与蓄电池之间以及在太阳能电池板与蓄电池之间分别设置有二极管，以防止相互之间的干扰。

控制装置包括存储模块和处理模块，存储模块用以储存航标的相关信息和数据，处理模块则用以与航标的其他部件进行数据通信，并对获取的数据进行处理。

通讯装置包括通讯用控制部件以及天线部件，其中天线部件设置在航标的桅杆4上，通讯用控制部件则设置在航标的设备舱3中。通讯装置能够与控制装置进行双向通信，并且通讯装置能够与位于陆地或岛屿上的航标运行管理系统进行双向通信。具体地，通讯装置采用的是北斗定位和通信装置，具体地可以选用北斗星通的UBD-2630北斗模块。北斗星通的UBD-2630北斗模块中集成了基带芯片、RDSS收发芯片、LNA电路以及PA电路，通过外接SIM卡以及通信天线能够实现北斗系统的定位功能以及短报文通信功能。并且，北斗星通的UBD-2630北斗模块采用小尺寸的封装方式，集成度高且功耗低，能够独立地连接到航标的控制装置的电路板或者直接集成在航标的控制装置的电路板上。通讯装置能够通过北斗定位系统获取航标目前的位置信息，通讯装置将获取的当前位置信息传送至控制装置，储存在控制装置的存储模块中。而如果需要跟岸基的航标运行管理系统进行通信，则控制装置编辑相应地的信息，通过通讯装置的北斗短报文功能将信息发送至岸基的航标运行管理系统，并且能够通过北斗短报文功能获取岸基的航标运行管理系统发过来的信息或控制指令，由此能够在航标的控制装置与岸基的航标运行管理系统之间构建通信通道。

应答装置则采用雷达应答标，相应地也包括应答装置的控制部件以及应答装置的收发部件，其中应答装置的控制部件布置在设备舱3中并能够与控制装置双向通信，应答装置的收发部件布置在桅杆4上。当经过船舶的船用雷达扫描到航标的桅杆4时，应答装置的收发部件能够接收到船舶方向发来的雷达无线电波，此时能够触发应答装置的回复功能，应答装置的控制部件与控制装置通信，接收控制装置传送来的航标的当前位置、当前位置的海底状况以及附近水深等信息，并通过国际航海通用的无线电编码方式将上述信息进行编码，向接收到船舶雷达信号的方向发回无线电编码信号，由此能够在经过船舶的雷达系统屏幕上显示出当前航标的位置、当前位置的海底状况以及附近的水深信息等，船舶通过接收到的航标信息，结合船舶本身的要求，选择避开或者通过该航标所处的海域。

但是如本发明的背景技术部分所述的那样，在某些海洋区域，例如海底地质活动比较活跃的区域或者近海区域，海底的状况变化比较频繁，可能在很短的时间内一座海底火山形成，从而在该区域中形成了距水面距离较小的暗礁；或者近海区域中由于河流携带泥沙或者洋流携带泥沙运动，从而造成海底浅滩的变化，使得原本水深足够的区域也可能会堆积泥沙从而造成水深较浅，影响通行船舶的航行安全。传统的航标不能够探测到这些变化的海况，也不能够对变化的海况做出相应的指示和警示。

为了解决该问题，本发明的航标上设置有回声测距装置，优选地，该回声测距装置采用回声测距仪6。回声测距仪6采用超声波测距原理，通过向一个方向发射超声波，在该直线方向上遇到障碍物后，超声波被反弹回来，回声测距仪6接收到该反射回来的超声波信息，通过计算发射与接收的时间差以及超声波在海水中的传播速度，即可得到该直线方向上的障碍物距离回声测距仪6的距离。回声测距仪6设置在浮体1的底部部位。为了能够对航标所处的位置附近的海底变化有较为精准的探测，优选地，如图2-3所示，在浮体1的底部设置有4个回声测距仪6，4个回声测距仪6都与控制装置相连。其中，在浮体1的底部中间设置一个回声测距仪6，该回声测距仪6垂直地向海底发生超声波；而另外的三个回声测距仪6则在浮体1的底部的外周在周向上间隔地布置，例如对于圆形的浮体1底部，三个回声测距仪6以各间隔120°的方式布置。在浮体1的底部外周上布置的三个回声测距仪6，相对于垂直方向以一定夹角向外发射超声波，如图2-3所示，该一定夹角有利地选自20°至45°之间。四个回声测距仪6以这样的布置方式，能够对航标所处的位置附近的海底状况有相对全面且准确的探测。

而对于该四个回声测距仪6的工作方式，由于海底的状况可能是很复杂的，有可能出现某一个回声测距仪6发出的超声波被另一个回声测距仪6接收到，从而可能得到错误的测距结果的情况。

为了解决该问题，一种有利的方式是，每个回声测距仪6发射的超声波的频率相同，所述四个回声测距仪6能够以顺序地方式向海底发射超声波，在其中一个回声测距仪6接收到其发射的经过海底反射的超声波后，另一个回声测距仪6才发射超声波。这样，四个回声测距仪6可以采用型号规格以及设置相同的回声测距仪。

而另一种有利的方式是，四个回声测距仪6发射的超声波的频率不同，每个回声测距仪6只会对自己发出的超声波的频率敏感，而对其他回声测距仪6发出的超声波的频率不敏感，这样，每个回声测距仪6就能够单独、独立地工作，而不受其他回声测距仪6的影响，四个回声测距仪6就能够同时向海底发射超声波。

当航标被放置在相应的区域中开始工作时，如图2所示，当航标所处的位置的海底为相对平坦的浅滩时，四个回声测距仪6向预定的方向发射超声波并接收到相应的超声波，得到航标距离目标物的距离。举例地示明如下：

其中发射角度是指回声测距仪6发射超声波相对于垂直方向的夹角。

回声测距仪编号	航标距目标物的距离	发射角度	目标物距水面的深度
				底部中间处	15m	0°	15m
周向0度处	18.2m	30°	15.76m
				周向120度处	17.6m	30°	15.24m
周向240度处	16.3m	30°	14.11m

通过分析四个回声测距仪6得到的相应方向上海底的水深数据，可以计算四个水深数据的方差，当方差小于一个阈值时，则判定海底状况相对平坦，而当方差大于另一个阈值时，则判定海底状况不平坦。

而根据上述表格中的信息，可以判定该航标位置处的海底状况为平坦，水深最小为14.11m。此时，控制装置将该位置的海底状况以及水深的最小数据储存在控制装置的存储模块中。控制装置将该测得数据通过通讯装置发送至岸基的航标运行管理系统。航标运行管理系统以及航标的控制装置中设置有历史数据系统，能够存储各个不同时间测得的海底状况信息以及水深的相关数据。通过比较分析这些历史数据，能够判断航标位置的海底变化情况。

如图3所示，当海底为暗礁时，此时会至少有一个回声测距仪6向该暗礁的方向发生超声波，并且超声波经暗礁的反射后被该回声测距仪接收到，如下表列明所示：

回声测距仪编号	航标距目标物的距离	发射角度	目标物距水面的深度
				底部中间处	13m	0°	13m
周向0度处	18.2m	30°	15.76m
				周向120度处	3m	30°	2.6m
周向240度处	5.3m	30°	4.59m

通过分析四个回声测距仪6得到的相应方向上海底的水深数据，可以计算四个水深数据的方差，当方差小于一个阈值时，则判定海底状况相对平坦，而当方差大于另一个阈值时，则判定海底状况不平坦。

而根据上述表格中的信息，可以看出所得的四个数据差别很大，可以判定该航标位置处的海底状况为不平坦，水深最小为2.6m。此时，控制装置将该位置的海底状况以及水深的最小数据储存在控制装置的存储模块中。控制装置将该测得数据通过通讯装置发送至岸基的航标运行管理系统。航标运行管理系统以及航标的控制装置中设置有历史数据系统，能够存储各个不同时间测得的海底状况信息以及水深的相关数据。通过比较分析这些历史数据，能够判断航标位置的海底变化情况。这对于位于地质活跃区域中的航线的航行警示是非常重要的。

应当注意的是，由于航标在波浪以及海风的推动下，是不断的摆动以及转动的，因而，当以一定的时间间隔来进行测量时，底部周边的周向上三个回声测距仪是对不同方向上的海底深度进行测量的。而由于航标的浮体1是不断摆动和转动的，优选地，在航标上还设置有姿态传感器，用来测量回声测距仪发射超声波的角度。

会有海洋测量船例行地对航标所处的海底状况进行专业地探测，但是这样的探测一般时间间隔很长很长。进一步地，当海洋测量船对航标所处的位置的海底进行详细的探测后，将探测的海底状况以及水深数据传送至航标运行管理系统，航标运行管理系统通过北斗短报文功能与航标的通讯装置进行通信，将海洋测量船所测得的航标位置的海底状况以及水深数据传送至航标的控制装置，航标的控制装置将接受到的海洋测量船所测得的信息储存于存储模块中，并且使用该信息对回声测距装置测得的海底信息和水深信息进行校正和标定，用以判断回声测距装置工作的状况以及故障情况。

而当判定回声测距装置故障时，航标将该装置的故障信息发送至航标运行管理系统，并且优选地，使用海洋测量船所测得该信息覆盖航标的回声测距装置测得的数据，在获得下一次航标运行管理系统传送的数据之前或者故障消除之前，将海洋测量船所测得该信息向过往船舶进行指示和警示。

进一步地，所述浮体的顶端还设置有警示灯，并以航海通行的警示灯光向过往船只发送该航标所处位置的海底状况以及水深数据。

实施本发明，具有如下有益效果：本发明通过在海洋航标上设置用于探测海底状况的回声测距仪，对航标所在位置的海底状况进行探测，并通过通讯装置与航标运行管理系统进行通信，能够对海底状况进行校正，以此方式能够向过往船舶提供实时的海底信息和水深信息。本发明的航标不需要提前对海底状况进行测量，也不需要提前对航标进行设定；对于多种海底状况的情形，可以采用统一的本发明中的航标，无须提前设定，航标放置在相应位置之后即可提供该位置处的海底状况的相关信息，且能够实时地反映海底状况的变化，精确地提供海底状况，克服了现有的航标类别繁多和复杂的问题。

以上所揭露的仅为本发明的几个较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种自适应海况的航标，包括浮体、锚系装置、电源装置、回声测距装置、控制装置、通讯装置、应答装置，浮体通过锚系装置被固定地漂浮在水面上，电源装置、回声测距装置、控制装置、通讯装置、应答装置设置在浮体上，电源装置向回声测距装置、控制装置、通讯装置、应答装置供电；回声测距装置、通讯装置和应答装置连接到控制装置；其中，电源装置包括太阳能电池板以及蓄电池，太阳能电池板能够向蓄电池充电；回声测距装置设置在浮标的底部，位于水面以下，回声测距装置包括至少一个回声测距仪，通过向航标所在位置的海底发出超声波，来测量航标所在位置的海底信息和水深信息；应答装置为雷达应答标，在被经过船舶的船用雷达扫描到并触发时，向经过船舶发回无线电编码信号，该无线电编码信号的内容包括航标的位置、所处位置的海底状况以及水深；通讯装置包括北斗定位和通信装置，航标通过北斗定位系统获取航标所在的位置，并能够通过北斗定位系统的短报文功能与航标运行管理系统通信，其中，航标通过北斗定位系统的短报文功能接收该航标位置处的海况信息，并利用该接收的海况信息对回声测距装置测得的海底信息和水深信息进行校正；

所述回声测距装置包括至少四个回声测距仪，其中一个回声测距仪向航标垂直下方的海底发射超声波，另外的回声测距仪以与垂直方向成一定夹角的角度向海底发射超声波，所述一定夹角选自20°至45°；

控制装置对所述至少四个回声测距仪得到的数据进行计算和分析，得到海底状况为平坦或不平坦的结果以及水深信息。

2.根据权利要求1所述的自适应海况的航标，其特征在于，所述电源装置还包括洋流发电机，洋流发电机与蓄电池连接并能够向蓄电池充电，所述洋流发电机和太阳能电池板分别通过二极管与蓄电池相连。

3.根据权利要求1所述的自适应海况的航标，其特征在于，通讯装置还包括GPS定位装置，控制装置接收北斗定位和通讯装置以及GPS定位装置获取的航标位置信息，通过北斗定位和通讯装置得到的航标位置信息与GPS定位装置得到的航标位置信息综合判定该航标的位置。

4.根据权利要求1所述的自适应海况的航标，其特征在于，所述控制装置包括存储模块、处理模块，所述存储模块中保存有航标的位置信息、航标所处位置的海底信息、航标所处位置的水深信息。

5.根据权利要求1所述的自适应海况的航标，其特征在于，所述航标还设置有检测浮体姿态的姿态传感器。

6.根据权利要求1所述的自适应海况的航标，其特征在于，所述回声测距仪能够同时向海底发射超声波，每个回声测距仪发射的超声波的频率不同。

7.根据权利要求1所述的自适应海况的航标，其特征在于，所述回声测距仪能够以顺序地方式向海底发射超声波，在一个回声测距仪接收到海底反射的超声波后，另一个回声测距仪发射超声波，每个回声测距仪发射的超声波的频率相同。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的自适应海况的航标，其特征在于，所述浮体的顶端还设置有警示灯。

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