基于BDS海洋上冰山蹤跡監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

郭英起,張 賀,高延平,薛 劍

(黑龍江工程學(xué)院測(cè)繪工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050)

0 引 言

海洋上的冰山是冰川或者極地冰蓋由于受到地球氣候的影響在臨近海洋的一端產(chǎn)生破裂后掉入大海中的體積、重量及形狀都各異的淡水冰。冰山冰的平均年齡大都在5000年以上,有的可達(dá)數(shù)萬(wàn)年或更長(zhǎng)些。冰山由于大小、形狀的不同,其在大海上生存的時(shí)間有所不同,有的在一年左右,也有的體積巨大冰山在海洋上生存時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)十年以上。冰山在茫茫的大海上是漂移不定的,目前浩瀚海洋上冰山的位置在航海圖上是無(wú)法標(biāo)識(shí)的。如果海洋上的遠(yuǎn)洋船舶撞上冰山大多會(huì)嚴(yán)重受損甚至沉沒(méi)。所以海洋上的冰山亦被稱(chēng)為“海洋殺手”。

冰山在海洋上的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力主要是風(fēng),冰山在風(fēng)速的影響下其運(yùn)動(dòng)的速度可達(dá)每天幾十公里,速度的大小主要取決于冰山的重量及其冰山高出海面部分的形狀。冰山的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力其次是洋流,冰山亦會(huì)受到海洋洋流的影響逆風(fēng)而行。由于受到多因素的影響有時(shí)冰山在海洋上還會(huì)傾翻、兜圈子,橫沖直撞。冰山在茫茫大海上的位置是飄忽不定的。

1 海洋上冰山的威脅

由于冰山冰是從上萬(wàn)年或數(shù)萬(wàn)年冰川或者極地冰蓋上崩裂下來(lái)的,故十分堅(jiān)硬。冰山的重量十分巨大,平均在十萬(wàn)噸左右。大冰山的重量可達(dá)數(shù)百萬(wàn)噸以上,上萬(wàn)噸的冰山都屬于中小型的冰山。冰山巨大重量助長(zhǎng)了它的破壞力,其對(duì)在附近海洋上航行的船舶構(gòu)成很大的威脅。眾所周知的“泰坦尼克”號(hào)在航海中撞上冰山后沉沒(méi)的事故即是海洋上冰山巨大威脅的實(shí)際表現(xiàn)。在航海史上,海洋上船舶與冰山相撞造成慘痛事故屢有發(fā)生。

另外,海洋上漂移冰山的巨大重量和體積通常是航海者利用肉眼無(wú)法直接觀測(cè)和估計(jì)到的。

設(shè)整個(gè)冰山的體積為V,冰山露出在海面上的體積為V1,冰山在海面下的體積為V2.冰在0 ℃以下的密度是ρ冰=0.917 kg/m3,海水的密度一般與海水的鹽度有關(guān),現(xiàn)取海水的密度ρ海水=1.025 kg/m3.根據(jù)阿基米德定理可有:

V·ρ冰=V2·ρ海水,

(1)

所以

(2)

現(xiàn)將冰和海水的密度代入上式可得

(3)

則有

(4)

可以看出來(lái)海洋上冰山露出海面的部分僅僅是其總體積的十分之一左右,其隱藏在海水平面下面的部分是其總體積的十分之九左右如圖1所示。這就是說(shuō)航海者利用肉眼直接看到的“小冰山”實(shí)際上它的重量和體積應(yīng)該是航海者觀測(cè)到“小冰山”的十倍左右。當(dāng)然其破壞力也必然是觀測(cè)者預(yù)想的數(shù)倍或更大。冰山在海洋上露出海面部分的大小還與冰山的具體形狀有關(guān),由于冰山的形狀千差萬(wàn)別、各有所異。所以，海洋上冰山露出在海洋上面部分亦會(huì)有一些差別。

圖1 冰山的體積分布

實(shí)際上海洋上冰山對(duì)船舶的威脅不僅僅是船舶撞上冰山以后才會(huì)體現(xiàn)出來(lái)的。冰山在茫茫大海上“隨意”漂移的過(guò)程中,由于海浪、海潮和海風(fēng)的原因,空氣和水的熱效應(yīng)會(huì)增加,這會(huì)導(dǎo)致冰山的破裂。時(shí)常會(huì)有大小不同的冰塊從冰山上脫落下來(lái),冰塊脫落后沖入海水中就會(huì)激起急速的巨浪。同時(shí)亦會(huì)破壞冰山的平衡、失去冰山的穩(wěn)定性,此時(shí)冰山可能會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。所有這些這都會(huì)給附近航行的船舶造成不堪設(shè)想的后果。海洋上的船舶如果駛?cè)氡礁浇?海里范圍內(nèi)水域時(shí)都將是很危險(xiǎn)的。

冰山的巨大破壞力和位置飄忽不定的特性給海洋上的遠(yuǎn)洋船舶構(gòu)成極大的威脅,對(duì)于航海者來(lái)說(shuō)早發(fā)現(xiàn),躲著走、敬而遠(yuǎn)之是上策。但是在海洋上利用視覺(jué)瞭望的方法及早發(fā)現(xiàn)冰山是比較困難的。在天氣良好的情況下發(fā)現(xiàn)大的冰山一般在4海里至十幾海里,這取決于冰山露出海面部分的形狀。中小型的冰山則需要距離冰山1、2海里的情況下才可以發(fā)現(xiàn)。目前在海洋上航行的船舶為了躲避冰山一般都配備有比較先進(jìn)的雷達(dá)或聲納等設(shè)備,借助于雷達(dá)或聲納設(shè)備船舶可以了解航行路線附近冰山的分布情況,通過(guò)較早地改變航線躲避冰山。但是當(dāng)海上有大浪的情況下,冰山容易隱藏于大浪中,雷達(dá)根本無(wú)法追蹤。另外,由于冰山反射雷達(dá)脈沖的能力比船舶和海岸的反射能力要弱一半以上,所以雖然海洋上船舶配備雷達(dá)或聲納等較先進(jìn)的設(shè)備,但是冰山對(duì)過(guò)往船舶的巨大威脅卻依然存在。

2 基于BDS海洋上冰山蹤跡監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

2.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)BDS)

BDS是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng),BDS是由我國(guó)獨(dú)立自主設(shè)計(jì)、建造和管理運(yùn)行的世界上四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)之一。按計(jì)劃在2020年北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將全部建成并實(shí)現(xiàn)全球無(wú)源導(dǎo)航定位服務(wù)能力[1]。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由空間星座、地面控制和用戶(hù)終端三個(gè)部分組成。空間星座:由5顆地球靜止軌道衛(wèi)星(GEO)、27顆中圓地球軌道衛(wèi)星(MEO)3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星(IGSO)組成。其中,GEO衛(wèi)星高度為35 786 km;27顆MEO衛(wèi)星均勻分布3個(gè)傾角為55°軌道平面上,高度為21 528 km;3顆IGSO衛(wèi)星均勻分布于3個(gè)傾角為55°傾斜地球同步軌道平面上,飛行高度為35 786 km[2-4].

地面控制是由若干個(gè)主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站組成。目前監(jiān)測(cè)站分布于國(guó)內(nèi):喀什、烏魯木齊、成都、北京、三亞、廈門(mén)和綏陽(yáng)。到2020年北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全球覆蓋后,監(jiān)測(cè)站將擴(kuò)展到國(guó)外,如法國(guó)、澳大利亞、德國(guó)、美國(guó)和南美等地。

用戶(hù)終端是由各類(lèi)BDS用戶(hù)終端和與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端組成。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào):中國(guó)向“國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)”申報(bào)了4個(gè)頻率。目前公共服務(wù)信號(hào):1 561.098 MHz;1 589.742 MHz;1 207.14 MHz;授權(quán)服務(wù)信號(hào):1 268.52 MHz.

以后還將會(huì)發(fā)射的公共服務(wù)信號(hào):1 575.42 MHz;1 191.795 MHz.

BDS時(shí)間系統(tǒng):BDS時(shí)間系統(tǒng)采用的是北斗時(shí)(BDT);BDT時(shí)起算歷元為2006年1月1日(周日)0時(shí)0分0秒的世界協(xié)調(diào)時(shí)(UTC);BDT時(shí)與UTC時(shí)的偏差保持在100 ns以?xún)?nèi)(閏秒信息將在導(dǎo)航電文中播報(bào));

BDS坐標(biāo)系統(tǒng):BDS坐標(biāo)系統(tǒng)采用的2000中國(guó)大地坐標(biāo)系(CGCS2000);CGCS2000的實(shí)踐稱(chēng)為中國(guó)2000地球參考框架(CTRF);CTRF2000參考于ITRF97;CGCS2000的定義與國(guó)際地球參考系統(tǒng)(ITRS)相一致;

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供兩種服務(wù)方式:公共服務(wù)和授權(quán)服務(wù)。

其公共服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)為:定位精度:平面±10 m,高程±10 m;授時(shí)精度:單向50 ns(雙向授時(shí)優(yōu)于20 ns); 測(cè)速精度:±0.2 m/s;

通信服務(wù):公共服務(wù)雙向短報(bào)文通信服務(wù),60秒一次,一次40個(gè)漢字;授權(quán)服務(wù)短報(bào)文服務(wù)是每秒一次,一次120個(gè)漢字。

另外北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還具有全球搜尋援救的功能,其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是不具備此功能!

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有先進(jìn)性、適用性、軍民兩用性、抗干擾性和抗繼毀性等諸多特點(diǎn)[5-7]。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在2020年將全部建成并實(shí)現(xiàn)全球無(wú)源服務(wù)能力。屆時(shí)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是四個(gè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中唯一能夠?yàn)樗杏脩?hù)提供短報(bào)文通信服務(wù)(單向、雙向)的。全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的導(dǎo)航定位服務(wù)能夠使用戶(hù)確定自己的三維位置坐標(biāo)和三維速度,而北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的短報(bào)文通信服務(wù)還可以讓用戶(hù)告知其他人自己的位置坐標(biāo)等信息。過(guò)去用戶(hù)告知其他人自己位置坐標(biāo)等信息的方式通常是利用數(shù)傳電臺(tái)、GSM及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等通信方式。但是在廣闊無(wú)垠的大海上惡劣天氣一般會(huì)頻繁出現(xiàn),這些通信方式都存在有作用距離短、可靠性差和保密性差等缺陷,無(wú)法滿(mǎn)足海上信息高效率無(wú)誤傳輸?shù)囊蟆?/p>

2.2 基于BDS海洋冰山蹤跡監(jiān)測(cè)方案

早在上世紀(jì)中期許多國(guó)家都已經(jīng)建立了海上冰山巡邏隊(duì)、海上破冰服務(wù)組織等機(jī)構(gòu),專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)探測(cè)和收集海上冰山以及沿海冰情信息等資料,預(yù)測(cè)冰情變化的趨勢(shì)并為過(guò)往的船舶提供相關(guān)資料。他們通常配備有專(zhuān)用飛機(jī)、破冰船等設(shè)施,并建立了眾多的監(jiān)測(cè)站。所有這些都為監(jiān)測(cè)海洋上冰山的蹤跡奠定了基礎(chǔ)[8-9]。

在1998年,美國(guó)前副總統(tǒng)戈?duì)柺状翁岢隽恕皵?shù)字地球”的概念。數(shù)字地球是指以地理坐標(biāo)為依據(jù),將地球自然屬性信息和社會(huì)屬性信息數(shù)字化,并能夠提供立體顯示和多維分析的地球技術(shù)系統(tǒng)。而數(shù)字海洋又是數(shù)字地球非常重要的組成部分,數(shù)字海洋是指以集成海量、多分辨率、多時(shí)相、多類(lèi)型的海洋觀測(cè)與監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)及其分析算法和數(shù)值模型,并且運(yùn)用3S技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、科學(xué)視算、虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真等技術(shù)手段構(gòu)建一個(gè)虛擬的海洋系統(tǒng)。也就是說(shuō)數(shù)字海洋既是利用現(xiàn)代信息技術(shù)收集并處理海量的海洋數(shù)據(jù),形成多樣化的信息服務(wù)產(chǎn)品,把現(xiàn)實(shí)的海洋世界數(shù)字化,并裝入計(jì)算機(jī)而形成的信息系統(tǒng)。數(shù)字海洋系統(tǒng)以數(shù)字化、可視化等方式通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋現(xiàn)象和過(guò)程的虛擬表達(dá),展現(xiàn)真實(shí)海洋世界的各種狀況,再現(xiàn)海洋的過(guò)去、預(yù)現(xiàn)海洋的未來(lái),從而促進(jìn)和提高人類(lèi)對(duì)海洋的客觀認(rèn)識(shí),為海洋的可持續(xù)發(fā)展提供信息支撐服務(wù)。數(shù)字海洋是一項(xiàng)龐大、復(fù)雜的信息化系統(tǒng)工程。經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展和建設(shè),數(shù)字海洋的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已經(jīng)有了較大的成就,其中海洋觀測(cè)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)處理手段已經(jīng)向綜合性立體方向發(fā)展,不僅在硬件技術(shù)上業(yè)已成熟,更重要的是相配套的以軟件為支撐的數(shù)據(jù)處理能力已大幅度提高,增加了海洋的預(yù)處理功能和儲(chǔ)存能力[10-12]。

利用遙感數(shù)字圖像或者通過(guò)海上冰山巡邏隊(duì)可以發(fā)現(xiàn)在浩瀚的海洋上大概某個(gè)位置存在有較大或大型的冰山時(shí),可以利用飛機(jī)將特制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收設(shè)備“扔到”冰山上,此接收設(shè)備同時(shí)還應(yīng)該具有一些附加功能,如能夠?qū)⑻?yáng)能轉(zhuǎn)化成電能給蓄電池充電維持接收設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間的工作需要。冰山在茫茫大海上漂移的過(guò)程中接收設(shè)備不僅可以利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)確定冰山自己在茫茫海洋上的位置坐標(biāo),而且還可以隨時(shí)(時(shí)間間隔等參數(shù)可以根據(jù)需要提前設(shè)定)利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的短報(bào)文通信服務(wù)將其位置坐標(biāo)傳送給監(jiān)測(cè)站或相應(yīng)的海上服務(wù)機(jī)構(gòu)。并將其位置坐標(biāo)信息及其屬性納入到數(shù)字海洋的基礎(chǔ)信息當(dāng)中。監(jiān)測(cè)站或相應(yīng)的海上服務(wù)機(jī)構(gòu)會(huì)按照一定的頻率利用其相應(yīng)的硬件和軟件設(shè)施將該信息傳遞發(fā)布出去,在冰山附近海域航行的遠(yuǎn)洋船舶利用相應(yīng)的接收終端接收信息并在導(dǎo)航設(shè)備的屏幕上顯示出來(lái),并且給出必要的危險(xiǎn)提示,告知用戶(hù)目前在其航線附近具有較大或大型的冰山存在,用戶(hù)即可以提前準(zhǔn)備并繞行躲避冰山避免碰撞,保證用戶(hù)遠(yuǎn)洋航行的安全。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于冰山具有較大或很大的體積和重量對(duì)船舶構(gòu)成很大的破壞力,同時(shí)冰山在茫茫海洋上的位置漂移不定,所以其對(duì)過(guò)往的船舶構(gòu)成極大的威脅。提前預(yù)知冰山在海洋上的位置坐標(biāo)并及時(shí)躲避冰山避免災(zāi)難的發(fā)生是海洋上船舶安全航行的必要條件。本文研討了利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)的定位和短報(bào)文通信服務(wù)功能對(duì)海洋上冰山的蹤跡進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方案,并利用目前數(shù)字海洋建設(shè)中的相關(guān)設(shè)施及時(shí)告知海洋上航行的船舶用戶(hù)冰山的具體位置,達(dá)到使海洋上航行的船舶提前躲避冰山避免災(zāi)難發(fā)生的目的。

[1]冉承其.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展[C]//第四屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì),2013.

[2]劉基余.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)況與發(fā)展[J].遙測(cè)遙控,2013,34(3):1-8.

[3]劉基余. 夯實(shí)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)鼎立基礎(chǔ)的建議[J].現(xiàn)代導(dǎo)航,2013(4):235-245.

[4]李鶴峰,黨亞民,秘金鐘,等. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展、優(yōu)勢(shì)及建議[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào),2013,(2):49-54.

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