CN114872833A - 一种北斗定位测波浮标 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种北斗定位测波浮标，涉及波浪观测领域，包括太阳能板、浮体和底座，浮体上开设腔体用于置入电子舱，浮体的上表面安装有太阳能板；电子舱包括密封套筒和上盖板，密封套筒内设置电源控制板、锂电池组、通信终端、数据采集板、罗盘和北斗定位终端；太阳能板与电源控制板电连接，电源控制板与锂电池组电连接以控制锂电池组充放电，电源控制板分别与通信终端、数据采集板、罗盘及北斗定位终端电连接，进行供电控制；底座固定在浮体底部。本发明布局合理、功能齐全，可在海上长期布放；采用轴承式可摇摆底座，增加浮标回复力距，减小浮标摇晃；安装定位罗盘，对浮标摇摆产生的位置偏移进行修正，浮标定位更为精准。

Description

一种北斗定位测波浮标
技术领域
本发明涉及波浪观测的领域，具体涉及一种北斗定位测波浮标。
背景技术
目前国内对波浪观测的方式主要由加速度波浪浮标、雷达测波和GNSS测波。
GNSS测波浮标目前处于研制验证阶段，实际应用较少，国内无长期观测点。该型浮标采用了北斗定位方式，属于GNSS测波浮标之一。该型浮标使用两块30W单晶硅太阳能板供电，12.8V420Ah锂电池组储电，差分北斗信息进行位置定位，采用4G通信方式进行数据通信，采用32G数据采集板进行数据存储、处理并根据岸站信息进行命令更改。该型浮标自身能量满足海上长期在位需求，是一种功能齐全、定位精准、长期在位的浮标。
该型北斗定位测波浮标优势:(1)该型浮标采用北斗差分定位，单台设备即可进行浮标定位、海洋波浪测量和潮位测量，减少传统浮标的仪器安装数量、降低监测成本。(2)该型浮标在北斗支架和底座部分均采用轴承式可摇摆结构，增加浮标摇摆后的回复力距，减少浮标摇摆对定位的影响，确保浮标定位更为精准。
当前国内关于该形式的测波浮标的专利主要介绍该型浮标的工作方式及采样方式，均为试验验证阶段的浮标。对于可长期在位进行实时监测的浮标并未见到相关设备设计的报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种北斗定位测波浮标，具备了长期在位的各项要素，是一种应用型浮标。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种北斗定位测波浮标，包括太阳能板、浮体和底座，所述浮体上开设腔体用于置入电子舱，浮体的上表面安装有太阳能板；所述电子舱包括密封套筒和密封固定在密封套筒顶部的上盖板，上盖板伸出于浮体的上表面，密封套筒内设置电源控制板、锂电池组、通信终端、数据采集板、罗盘和北斗定位终端；所述上盖板顶部安装有通信天线和北斗天线，通信天线用于和岸基通信，并将岸基数据通过通信终端反馈至数据采集板，北斗天线用于接收北斗卫星下发的定位信息，并将定位信息通过北斗定位终端反馈至数据采集板；所述罗盘与数据采集板电连接通信，罗盘用于采集所述浮体的摇摆角并将北斗定位终端的定位信息进行位置修正后反馈至数据采集板；所述太阳能板与电源控制板电连接，用于输入电能，电源控制板与锂电池组电连接以控制锂电池组充放电，电源控制板分别与通信终端、数据采集板、罗盘及北斗定位终端电连接，进行供电控制；所述底座固定在浮体底部。
作为进一步的技术方案，所述太阳能板通过上支架支撑、固定在浮体上表面。
作为进一步的技术方案，所述罗盘安装在电子舱的中心处，且与北斗天线同轴心布置，罗盘的采样周期与北斗定位终端的采样周期一致。
作为进一步的技术方案，所述北斗天线通过北斗支架安装在上盖板上，北斗天线下端设有配重块，保证北斗天线始终竖直朝上。
作为进一步的技术方案，所述北斗支架的最大摇摆角为60°。
作为进一步的技术方案，所述浮体采用聚脲材质制成，在浮体内部填充闭孔泡沫。
作为进一步的技术方案，所述底座包括连接杆、轴承座、安装底板和连接环，连接环固定在浮体底部，在连接环下表面和安装底板上表面相对应位置处设有相同数量的轴承座，连接杆对应连接在轴承座之间；所述底座随浮体的摆动而倾斜，并限制浮体的摆角。
作为进一步的技术方案，所述太阳能板通过水密电缆与电源控制板连接，通信天线通过同轴水密电缆与通信终端连接，北斗天线通过同轴水密电缆与北斗定位终端连接。
本发明的有益效果为：
1、浮标系统布局合理、功能齐全，可在海上长期布放。
2、浮标系统采用轴承式可摇摆底座，可增加浮标回复力距，减小浮标摇晃，浮标定位更为精准。
3、浮标系统安装定位罗盘，可对浮标摇摆产生的位置偏移进行修正，浮标定位更为精准。
附图说明
图1为本发明中通信、电路连接结构示意图。
图2为本发明的立体结构示意图。
图3为本发明的主视结构示意图。
图4为本发明中北斗天线与北斗支架的安装结构示意图。
图5为本发明中浮体的结构示意图。
图6为本发明中底座的结构示意图。
图7为本发明中电子舱的结构示意图。
图8为本发明中电子舱去掉密封套筒后的结构示意图。
附图标记说明：太阳能板1、电源控制板2、锂电池组3、通信天线4、通信终端5、数据采集板6、罗盘7、北斗定位终端8、北斗天线9、浮体10、底座11、连接杆11-1、轴承座11-2、安装底板11-3、连接环11-4、上支架12、北斗支架13、电子舱14、腔体15、密封套筒16、上盖板17。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
实施例：如附图1～8所示，这种北斗定位测波浮标，包括太阳能板1、浮体10和底座11。如图5所示，所述浮体10上开设腔体15用于置入电子舱14，浮体10的上表面安装有太阳能板1。如图7、8所示，所述电子舱14包括密封套筒16和密封固定在密封套筒16顶部的上盖板17，上盖板17伸出于浮体10的上表面，密封套筒16内设置电源控制板2、锂电池组3、通信终端5、数据采集板6、罗盘7和北斗定位终端8。参考附图2、3，所述上盖板17顶部安装有通信天线4和北斗天线9，通信天线4用于和岸基通信，并将岸基数据通过通信终端5反馈至数据采集板6，北斗天线9用于接收北斗卫星下发的定位信息，并将定位信息通过北斗定位终端8反馈至数据采集板6。所述罗盘7与数据采集板6电连接通信，罗盘7用于采集所述浮体10的摇摆角并将北斗定位终端8的定位信息进行位置修正后反馈至数据采集板6；所述太阳能板1与电源控制板2电连接，用于输入电能，电源控制板2与锂电池组3电连接以控制锂电池组3充放电，电源控制板2分别与通信终端5、数据采集板6、罗盘7及北斗定位终端8电连接，进行供电控制；所述底座11固定在浮体10底部。
优选地，所述罗盘7安装在电子舱14的中心处，且与北斗天线9同轴心布置，罗盘7的采样周期与北斗定位终端8的采样周期一致。所述北斗天线9通过北斗支架13安装在上盖板17上，北斗天线9下端设有配重块，保证北斗天线9始终竖直朝上。所述北斗支架13的最大摇摆角为60°。所述浮体10采用聚脲材质制成，在浮体10内部填充闭孔泡沫。所述太阳能板1通过水密电缆与电源控制板2连接，通信天线4通过同轴水密电缆与通信终端5连接，北斗天线9通过同轴水密电缆与北斗定位终端8连接。
参考附图6，所述底座11包括连接杆11-1、轴承座11-2、安装底板11-3和连接环11-4，连接环11-4固定在浮体10底部，在连接环11-4下表面和安装底板11-3上表面相对应位置处设有相同数量的轴承座11-2，连接杆11-1对应连接在轴承座11-2之间；所述底座11随浮体10的摆动而倾斜，并限制浮体10的摆角。
优选地，所述太阳能板1用于将太阳能转化为电能，为浮标系统提供持续工作的能量。太阳能板1通过上支架12支撑、固定在浮体10上部，太阳能转化率约为19％，两块30W太阳能板可保证浮标系统长期在位工作。太阳能板1通过水密电缆与电源控制板2连接。
所述电源控制板2安装在电子舱14内，主要用于控制太阳能转化为电能，并保证锂电池组3电量稳压输出。电源控制板转化效率大于95％，为浮标长期在位提供保证。电源控制板2通过水密电缆与太阳能板1连接，电源控制板2通过供电电缆与锂电池组3连接，电源控制板2通过供电电缆与浮标内各用电设备连接。
所述锂电池组3采用4块105Ah磷酸铁锂电芯组成，标称电压12.8V。电池组主要功能为在白天存储太阳能转化的电能，在阴雨天或夜晚输出电能，保证浮标系统正常工作。
所述通信天线4选用水密性良好的4G天线，安装在上盖板17上，用于服务浮标与岸站进行数据通信。通信天线4通过同轴水密电缆与通信终端5连接。
所述通信终端5选用4G终端，通信速率大于1k，安装在电子舱14的密封套筒16内，主要用于浮标和岸站进行数据通信。通信终端5通过供电电缆与电源控制板2连接，通信终端5通过通信电缆与数据采集板6连接。
所述数据采集板6为浮标核心部件，安装在电子舱14的密封套筒16内。主要用于接收各设备上传的监测数据，同时与岸站保持交互。数据采集板6通过供电电缆与电源控制板2连接，数据采集板6通过通信电缆与浮标各监测设备连接。数据采集板6的核心控制芯片采用的是STM32F429芯片。其芯片特性如下：1.71V-3.6V宽电压供电；主频高达180MHz；带校准功能的32kHz RTC振荡器；具有睡眠、停机和待机等多种低功耗模式；支持最多24通道的12位高精度模数转换器；4个USART模块和4个UART模块；3个I2C模块；高达6个SPI模块；具有外部和内部看门狗检测。时钟芯片采用的是DS3234芯片，该时钟芯片是一款低成本、超高精度、低功耗、采用SPI总线的实时时钟(RTC)，并且集成了温度补偿晶体振荡器(TCXO)和晶体。DS3234芯片还集成了256字节SRAM，通过外部纽扣电池供电实现系统掉电存储。RTC可以计数秒、分、时、星期、日期、月份和年份信息。对于少于31天的月份，器件能够在月末自动调整日期，同时带有闰年修正功能。该时钟芯片为数据采集板6提供了精准的系统时钟。数据采集板6的串口扩展电路采用的是一转多路模拟开关的模式，通过单片机的IO端口控制不同的通道打开，达到串口扩展的目的。
所述罗盘7安装在电子舱14内部中心处，与北斗天线保持在同一竖直中心处。罗盘7采样周期与北斗定位终端8采样周期一致，在浮标摇晃过程中采集浮体10摇摆角，对北斗定位信息进行位置修正。罗盘7通过供电电缆与电源控制板2连接，罗盘7通过通信电缆与数据采集板6连接。
所述北斗定位终端8安装在电子舱14的密封套筒16内，利用基站进行差分定位，水平定位精度小于5cm，垂直定位精度小于5cm。北斗定位终端8通过通信电缆与数据采集板6连接，北斗定位终端8通过供电电缆与电源控制板2连接，北斗定位终端8通过同轴水密电缆与北斗天线9连接。
所述北斗天线9安装在北斗支架13上，用于接收北斗卫星下发的定位信息。参考附图4，北斗天线9设计为重锤式结构，通过水密同轴缆与北斗定位终端8连接。
所述浮体10为直径1.2米，高0.8米的聚脲材质浮体，内部填充闭孔泡沫。浮体10整体为无磁低密度结构，保证浮标浮体作为所有设备的搭载平台，主要功能是为浮标系统提供浮力。浮体10通过紧固螺钉与底座11、上支架12和电子舱14连接。
所述底座11为316不锈钢型材连接组成，主要功能是为浮标保持稳定。参考附图6，底,11主要包括4根连接杆11-1、8个轴承座11-2、1个安装底板11-3及1个连接环11-4组成。底座设计为轴承式结构，在浮标因波浪冲击进行摇摆时，底座可随波倾斜，增加浮标回复力距，减小浮标摇摆。底座的连接环11-4通过紧固螺钉与浮体11连接。
所述上支架12为316不锈钢型材焊接组成，主要功能是为两块30W太阳能板1提供安装框架。上支架12通过紧固螺钉与浮体10连接。
所述北斗支架13为316不锈钢型材连接组成。北斗支架13为轴承式结构，最大摇摆角为60°，北斗天线9在重锤重力作用下可减小天线的摇摆。
所述电子舱14的上盖板17及密封套筒16为316不锈钢材料焊接组成，为低磁结构，安装在浮体10中心处，主要作用为各非水密设备提供水密平台。电子舱14通过紧固螺钉与浮体10连接。
本发明的工作过程：浮标在海上工作时，通过太阳能板1将太阳能转化为电能，为浮标系统提供持续工作的能量。电源控制板2控制太阳能转化为电能，并保证锂电池组3电量稳压输出。锂电池组3在白天存储太阳能转化的电能，在阴雨天或夜晚输出电能，保证浮标系统正常工作。通信终端5通过通信天线4实现浮标和岸站的数据通信，并反馈至数据采集板6。数据采集板6用于接收各设备上传的监测数据，同时与岸站保持交互。罗盘7在浮标摇晃过程中采集浮体10摇摆角，并对北斗定位信息进行位置修正。北斗定位终端8通过北斗天线9接收北斗卫星下发的定位信息，并利用基站进行差分精准定位。浮体10作为所有设备的搭载平台，为浮标系统提供浮力。底座11为浮标保持稳定，在浮标因波浪冲击进行摇摆时，底座可随波倾斜，增加浮标回复力距，减小浮标摇摆。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种北斗定位测波浮标，其特征在于：包括太阳能板(1)、浮体(10)和底座(11)，所述浮体(10)上开设腔体(15)用于置入电子舱(14)，浮体(10)的上表面安装有太阳能板(1)；所述电子舱(14)包括密封套筒(16)和密封固定在密封套筒(16)顶部的上盖板(17)，上盖板(17)伸出于浮体(10)的上表面，密封套筒(16)内设置电源控制板(2)、锂电池组(3)、通信终端(5)、数据采集板(6)、罗盘(7)和北斗定位终端(8)；所述上盖板(17)顶部安装有通信天线(4)和北斗天线(9)，通信天线(4)用于和岸基通信，并将岸基数据通过通信终端(5)反馈至数据采集板(6)，北斗天线(9)用于接收北斗卫星下发的定位信息，并将定位信息通过北斗定位终端(8)反馈至数据采集板(6)；所述罗盘(7)与数据采集板(6)电连接通信，罗盘(7)用于采集所述浮体(10)的摇摆角并将北斗定位终端(8)的定位信息进行位置修正后反馈至数据采集板(6)；所述太阳能板(1)与电源控制板(2)电连接，用于输入电能，电源控制板(2)与锂电池组(3)电连接以控制锂电池组(3)充放电，电源控制板(2)分别与通信终端(5)、数据采集板(6)、罗盘(7)及北斗定位终端(8)电连接，进行供电控制；所述底座(11)固定在浮体(10)底部。
2.根据权利要求1所述的北斗定位测波浮标，其特征在于：所述太阳能板(1)通过上支架(12)支撑、固定在浮体(10)上表面。
3.根据权利要求1所述的北斗定位测波浮标，其特征在于：所述罗盘(7)安装在电子舱(14)的中心处，且与北斗天线(9)同轴心布置，罗盘(7)的采样周期与北斗定位终端(8)的采样周期一致。
4.根据权利要求1所述的北斗定位测波浮标，其特征在于：所述北斗天线(9)通过北斗支架(13)安装在上盖板(17)上，北斗天线(9)下端设有配重块，保证北斗天线(9)始终竖直朝上。
5.根据权利要求4所述的北斗定位测波浮标，其特征在于：所述北斗支架(13)的最大摇摆角为60°。
6.根据权利要求1所述的北斗定位测波浮标，其特征在于：所述浮体(10)采用聚脲材质制成，在浮体(10)内部填充闭孔泡沫。
7.根据权利要求1所述的北斗定位测波浮标，其特征在于：所述底座(11)包括连接杆(11-1)、轴承座(11-2)、安装底板(11-3)和连接环(11-4)，连接环(11-4)固定在浮体(10)底部，在连接环(11-4)下表面和安装底板(11-3)上表面相对应位置处设有相同数量的轴承座(11-2)，连接杆(11-1)对应连接在轴承座(11-2)之间；所述底座(11)随浮体(10)的摆动而倾斜，并限制浮体(10)的摆角。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的北斗定位测波浮标，其特征在于：所述太阳能板(1)通过水密电缆与电源控制板(2)连接，通信天线(4)通过同轴水密电缆与通信终端(5)连接，北斗天线(9)通过同轴水密电缆与北斗定位终端(8)连接。
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