將北斗“移植”進入海里——水下北斗衛(wèi)星的構造方案

姚琴+陳世品+李芳

摘 要 本文通過海龜精確導航系統(tǒng)、水生動物提前預警地震、海嘯等自然災害的啟發(fā)，創(chuàng)造性地構思出將北斗導航系統(tǒng)“移植”進入海里的方案。該方案進行了總體架構設計，探討了改造過程中的各種技術支持和可行性。將其命名為“北斗海中衛(wèi)星”，同時結合海洋衛(wèi)星的探測能力，構成“北斗導航衛(wèi)星——‘北斗海中衛(wèi)星——海洋衛(wèi)星”三角合作體系，對于未來的海洋探索、預測、偵查、調研、抗干擾能力和海中導航精度有極大的提高作用。

關鍵詞 海龜導航；改造；“北斗海中衛(wèi)星”；海洋；精度

中圖分類號：V474.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）20-0007-02

導航衛(wèi)星作為高層空間的“千里眼”，以其能夠為載體提供實時位置信息的強大功能而當之無愧地成為了外太空探索領域的霸主。當前，全世界四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)GPS、伽利略計劃、格洛納斯以及北斗導航系統(tǒng)在全球的衛(wèi)星導航坐席中都占有了重要地位。衛(wèi)星導航各有千秋，如GPS勝在擁有成熟的技術、伽利略的定位精度很高、格洛納斯的抗干擾能力強、北斗的短報文與雙向定位功能體現(xiàn)了互動性與開放性。

受海龜洄游精確導航與水生、半水生動物提前數(shù)天感知地震等事件的啟發(fā)，我們可以將北斗導航的觸角真正延伸至海中，大幅度提高北斗衛(wèi)星的空間探測廣度。當前，北斗導航的應用十分廣泛，涉及交通運輸、氣象、漁業(yè)、林業(yè)、電信、水利、測繪等，但是這些應用功能都是基于高空之上的北斗衛(wèi)星進行探測，我們說：北斗已經發(fā)射16顆衛(wèi)星并組網，已形成區(qū)域服務能力且到2020年形成全球覆蓋能力時就將進入后期完善階段，但是若能在水中安置北斗衛(wèi)星，讓其與水中信號粒子流“親密接觸”，必能使北斗的實時探測能力達到最大化，實現(xiàn)其他衛(wèi)星沒有我獨有的特殊能力。

1 體系架構設計

1.1 總體設計

北斗導航系統(tǒng)的空間段導航星座是由地球靜止軌道衛(wèi)星與地球傾斜同步軌道衛(wèi)星結合中軌衛(wèi)星組成的混合星座[1]。所以，當有近30顆衛(wèi)星在軌時，才能對全球99%以上的地區(qū)提供導航信號。但是這部分信號只限于地表或海洋表面范圍以上。國家發(fā)射海洋衛(wèi)星彌補了海洋探測方面的不足，從1985年我國第一顆海洋衛(wèi)星立項準備以來，歷經26年，至2011年，我國成功發(fā)射了第一顆海洋動力環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星“海洋二號”，但是我國海洋衛(wèi)星的發(fā)展起步晚，導致衛(wèi)星整體未能形成業(yè)務化運行能力，為了搶占先機，將衛(wèi)星改造成適合海洋內部運行的探測體，真正地放入海里，倒不失為一個快速發(fā)展海洋利用效率的好辦法。我們暫且將其命名為“北斗海中衛(wèi)星”，將它與低高空軌道運行的海洋衛(wèi)星相互合作，可以全面了解海洋資源，從海洋內部環(huán)境的變化迅速地得出海洋各項理化指標。

1.2 “北斗海中衛(wèi)星”改造

1.2.1 海洋內部探測技術支持

海洋地質調查與技術手段有許多種，如：探測海底各種地球物理場特征、地質構造和礦產資源可以采用重力、磁力、地熱等地球物理辦法；探測海底未固結淺地層的分布、厚度和結構特征利用的是淺地層剖面儀；測量水深，探知海底地形地貌可以使用多帛書回聲測深儀與旁側聲吶。

圖1 體系總體架構

1.2.2 衛(wèi)星改造的外部背景需求

1）據2010年7月14日的《成都晚報》報道，美軍方認為，中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)擾亂了美國的計劃，美軍甚至還制定出詳細的作戰(zhàn)計劃，在必要時摧毀北斗導航系統(tǒng)。所以，當外太空成為危險戰(zhàn)場時，海洋內部可以提供備用信息傳輸平臺。

2）外部探測與內部探測具有很大差別。海洋環(huán)境下探測大地電磁場屬于高新技術，目前只有少數(shù)發(fā)達國家在從事這方面的研究[2]。將衛(wèi)星放置在海中，需要對其進行改造。但是，需要指出的是，有價值的場信息存在于海底。因為，來自地下的大地電磁信號只有微伏數(shù)量級，而厚厚的海水層對電磁信號只有衰減作用，僅在海面上難以觀測到有用信號[3]?！氨倍泛Ｖ行l(wèi)星”應潛入水中，又由于海洋深處的壓力大，首先我們應該考慮水壓與造型、材料的問題。

①體積與造型：大部分衛(wèi)星造型為六面立方體，體積維持在2.22 m×1.72 m×2.2 m左右，體積約為8.4 m?，“北斗海中衛(wèi)星”應設計成球型，一來縮小了浮水后的整體目標，二來能實現(xiàn)受力后壓力向四周分散的特點。體積保持在8 m?，半徑約為0.4 m，表面積約為2 ㎡。

②材料構造：以世界海洋平均深度3776米來看，該處物體所承受的壓力為377.6個大氣壓。一個大氣壓相當于1平方米的面積上承擔著1噸的重量，所以，1平方米的海面或地面所承受的空氣的重量為1噸，從海面下沉10米時，增加了10米深海水的重量，所以物體在10米深處承受的壓力比海面高1個大氣壓[4]，也即物體承受的377.6個大氣壓為差額大氣壓。采用可塑聚甲基丙絲酸酯與鈦合金制作外殼，均可承受6000米處的水壓。（不同地區(qū)海水鹽度、密度等物理值影響較小，暫不列入考慮范圍之內）

③下潛水深：考慮到海洋淺層面船只往來對衛(wèi)星的碰撞影響，衛(wèi)星需下潛一定的深度。根據調查，世界各地船只的寬度維持在40米左右，根據船舶寬度與吃水量成正比的關系，

Dmax=0.267W

大致算出Dmax=10.8米，通航船舶的最大吃水量基本不超過15米，衛(wèi)星下潛水深≥15米考慮為安全級別。

④水下通信的手段的最優(yōu)化分析：由于海水的導電性質，海水對電磁波起了屏蔽作用。電磁波通信采用近區(qū)場通信，即在波源附近場強隨距離增大而急劇衰減，在一定范圍內場強近似與距離的立方成反比衰減。水平面內極坐標電場分量[5]：

（1）

（2）

：電場的ψ分量； ：電場的徑向分量；Π ：電流矩；Ψ ：相對于天線軸線的方位角；σ ：海水導電率；ρ ：收發(fā)間距離；κ：傳播常數(shù)，κ?=ω?μoε；ω：工作角頻率。endprint

這種傳播方法的衰減度較大，使得通信距離較短，但通信質量穩(wěn)定。

另一種方法是采用跳頻通信，它是指頻率跳變的擴展頻譜通信，它利用偽隨機碼序列來離散地控制射頻載波振蕩器的輸出頻率，使發(fā)射信號的頻率隨偽隨機碼的變化而跳變[6]。該系統(tǒng)可以傳輸文字、語音、圖像等信息，能抗多途徑干擾并能保證信息安全，能實現(xiàn)10千米水下信號相互清晰地傳遞。所以如果將這一技術裝載到“北斗海中衛(wèi)星”上，應該在海洋界面設計一裝置，保證下層海中信號能夠接收，上層能夠將信號傳輸?shù)叫l(wèi)星信號接收塔。

1.2.3 “北斗海中衛(wèi)星”內部搭載的器件

微波散射計、輻射計、溫度計、海浪高度計、數(shù)據接收機等，根據前文提到的：之所以有“北斗海中衛(wèi)星”的構想，是因為受到海龜精確導航的啟發(fā)，根據科學家的初步推測，海龜能夠利用地磁場的細微變化或氣味的細微變化來精確導航。所以，“北斗海中衛(wèi)星”內部應裝載地磁變量計與氣味嗅探計，在每次巡航時經過相同地點，記錄下該地的地磁偏角、地磁強度等參數(shù)，同時記錄氣味等信息，以便更好地研究海龜?shù)倪@種導航技術，將來利用到潛艇導航、潛水員的導航支持中。

另一方面，世界各國的地震探測都只能提前數(shù)秒報警。而海洋中很多的水生生物如水母等能夠提前數(shù)小時至數(shù)天來預警。同時我們也知道，海洋中的海嘯等自然災害也能被一些生物提前感知，那么我們便會有這樣的大膽假設，也許，真正能夠提供精確導航與預警的場所是海洋內部，外太空的衛(wèi)星導航定位能力略差于海洋。所以，“北斗海中衛(wèi)星”利用在海洋內部的獨特優(yōu)勢，可以借鑒水母的預警方式，更早地預測地震、海嘯。

由于這部分動物具有的精確導航、預警能力還是屬于待解之謎，所以，以目前的科學技術來看還不能篩選出真正能夠判定為屬于這些動物應用的參數(shù)數(shù)據，所以只能通過觀察這些動物的行為來逐步優(yōu)化“北斗海中衛(wèi)星”的預警能力，當這些數(shù)據構成強大的數(shù)據庫時，我們相信，最終能夠解開動物精確預警、導航之謎，全面提升北斗的應用能力。

圖2 探索海龜導航技術流程圖

2 應用展望

北斗導航衛(wèi)星作為中國的一項大型科技工程，在各方面都有廣泛應用。未來是空爭間探索領域爭雄的高級戰(zhàn)場。為了應對諸如GPS導航系統(tǒng)、伽利略系統(tǒng)、格洛納斯系統(tǒng)對北斗導航衛(wèi)星的影響，拓寬北斗導航衛(wèi)星的全方位利用渠道，可以不僅僅局限于導航就是外太空衛(wèi)星對地球內部移動物體進行導航這樣的認知。如果真的能夠發(fā)展“北斗海中衛(wèi)星”，結合仿生學應用，也許就能夠將我們的北斗導航探索技術提升到一個新的高度。本文是對“北斗海中衛(wèi)星”的初步構思，如果能夠在相關科研工作者的努力下成為現(xiàn)實，必能使我國的衛(wèi)星導航技術精確度更高、應用范圍更廣、抗打擊能力更強，最終超越技術成熟的GPS導航系統(tǒng)。

參考文獻

[1]譚述森.衛(wèi)星導航定位工程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[2]R L Evans， P Tarits， A D Chave. A Symmetric Electrical Structure in the Mantle Beneath the East Pacific Rise at 170S- SCIENCE. 1990， Volume 286.

752-756.

[3]鄧明，沈高山，余平，等.基于麥克斯韋理論的海底大地電磁探測技術[J].國家“863”計劃課題研究，2012，12（12）.

[4]節(jié)選自《數(shù)字海洋博物館》，大氣壓與水壓——海洋中生物承受的壓力.

[5]梁涓.水下無線通信技術的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].EXPERIRENCE AND EXCHANGE，2009，24（11）.

[6]李文娟，仲曉光.跳頻通信[J].中國新通信，2012.

作者簡介

陳世品（1968-），男，福建南平人，農學博士、副教授、碩士研究生導師，福建農林大學林學院副院長，研究方向：野生植物資源開發(fā)利用、植物和植被監(jiān)測等。endprint

這種傳播方法的衰減度較大，使得通信距離較短，但通信質量穩(wěn)定。

另一種方法是采用跳頻通信，它是指頻率跳變的擴展頻譜通信，它利用偽隨機碼序列來離散地控制射頻載波振蕩器的輸出頻率，使發(fā)射信號的頻率隨偽隨機碼的變化而跳變[6]。該系統(tǒng)可以傳輸文字、語音、圖像等信息，能抗多途徑干擾并能保證信息安全，能實現(xiàn)10千米水下信號相互清晰地傳遞。所以如果將這一技術裝載到“北斗海中衛(wèi)星”上，應該在海洋界面設計一裝置，保證下層海中信號能夠接收，上層能夠將信號傳輸?shù)叫l(wèi)星信號接收塔。

1.2.3 “北斗海中衛(wèi)星”內部搭載的器件

微波散射計、輻射計、溫度計、海浪高度計、數(shù)據接收機等，根據前文提到的：之所以有“北斗海中衛(wèi)星”的構想，是因為受到海龜精確導航的啟發(fā)，根據科學家的初步推測，海龜能夠利用地磁場的細微變化或氣味的細微變化來精確導航。所以，“北斗海中衛(wèi)星”內部應裝載地磁變量計與氣味嗅探計，在每次巡航時經過相同地點，記錄下該地的地磁偏角、地磁強度等參數(shù)，同時記錄氣味等信息，以便更好地研究海龜?shù)倪@種導航技術，將來利用到潛艇導航、潛水員的導航支持中。

另一方面，世界各國的地震探測都只能提前數(shù)秒報警。而海洋中很多的水生生物如水母等能夠提前數(shù)小時至數(shù)天來預警。同時我們也知道，海洋中的海嘯等自然災害也能被一些生物提前感知，那么我們便會有這樣的大膽假設，也許，真正能夠提供精確導航與預警的場所是海洋內部，外太空的衛(wèi)星導航定位能力略差于海洋。所以，“北斗海中衛(wèi)星”利用在海洋內部的獨特優(yōu)勢，可以借鑒水母的預警方式，更早地預測地震、海嘯。

由于這部分動物具有的精確導航、預警能力還是屬于待解之謎，所以，以目前的科學技術來看還不能篩選出真正能夠判定為屬于這些動物應用的參數(shù)數(shù)據，所以只能通過觀察這些動物的行為來逐步優(yōu)化“北斗海中衛(wèi)星”的預警能力，當這些數(shù)據構成強大的數(shù)據庫時，我們相信，最終能夠解開動物精確預警、導航之謎，全面提升北斗的應用能力。

圖2 探索海龜導航技術流程圖

2 應用展望

北斗導航衛(wèi)星作為中國的一項大型科技工程，在各方面都有廣泛應用。未來是空爭間探索領域爭雄的高級戰(zhàn)場。為了應對諸如GPS導航系統(tǒng)、伽利略系統(tǒng)、格洛納斯系統(tǒng)對北斗導航衛(wèi)星的影響，拓寬北斗導航衛(wèi)星的全方位利用渠道，可以不僅僅局限于導航就是外太空衛(wèi)星對地球內部移動物體進行導航這樣的認知。如果真的能夠發(fā)展“北斗海中衛(wèi)星”，結合仿生學應用，也許就能夠將我們的北斗導航探索技術提升到一個新的高度。本文是對“北斗海中衛(wèi)星”的初步構思，如果能夠在相關科研工作者的努力下成為現(xiàn)實，必能使我國的衛(wèi)星導航技術精確度更高、應用范圍更廣、抗打擊能力更強，最終超越技術成熟的GPS導航系統(tǒng)。

參考文獻

[1]譚述森.衛(wèi)星導航定位工程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[2]R L Evans， P Tarits， A D Chave. A Symmetric Electrical Structure in the Mantle Beneath the East Pacific Rise at 170S- SCIENCE. 1990， Volume 286.

752-756.

[3]鄧明，沈高山，余平，等.基于麥克斯韋理論的海底大地電磁探測技術[J].國家“863”計劃課題研究，2012，12（12）.

[4]節(jié)選自《數(shù)字海洋博物館》，大氣壓與水壓——海洋中生物承受的壓力.

[5]梁涓.水下無線通信技術的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].EXPERIRENCE AND EXCHANGE，2009，24（11）.

[6]李文娟，仲曉光.跳頻通信[J].中國新通信，2012.

作者簡介

陳世品（1968-），男，福建南平人，農學博士、副教授、碩士研究生導師，福建農林大學林學院副院長，研究方向：野生植物資源開發(fā)利用、植物和植被監(jiān)測等。endprint

這種傳播方法的衰減度較大，使得通信距離較短，但通信質量穩(wěn)定。

另一種方法是采用跳頻通信，它是指頻率跳變的擴展頻譜通信，它利用偽隨機碼序列來離散地控制射頻載波振蕩器的輸出頻率，使發(fā)射信號的頻率隨偽隨機碼的變化而跳變[6]。該系統(tǒng)可以傳輸文字、語音、圖像等信息，能抗多途徑干擾并能保證信息安全，能實現(xiàn)10千米水下信號相互清晰地傳遞。所以如果將這一技術裝載到“北斗海中衛(wèi)星”上，應該在海洋界面設計一裝置，保證下層海中信號能夠接收，上層能夠將信號傳輸?shù)叫l(wèi)星信號接收塔。

1.2.3 “北斗海中衛(wèi)星”內部搭載的器件

微波散射計、輻射計、溫度計、海浪高度計、數(shù)據接收機等，根據前文提到的：之所以有“北斗海中衛(wèi)星”的構想，是因為受到海龜精確導航的啟發(fā)，根據科學家的初步推測，海龜能夠利用地磁場的細微變化或氣味的細微變化來精確導航。所以，“北斗海中衛(wèi)星”內部應裝載地磁變量計與氣味嗅探計，在每次巡航時經過相同地點，記錄下該地的地磁偏角、地磁強度等參數(shù)，同時記錄氣味等信息，以便更好地研究海龜?shù)倪@種導航技術，將來利用到潛艇導航、潛水員的導航支持中。

另一方面，世界各國的地震探測都只能提前數(shù)秒報警。而海洋中很多的水生生物如水母等能夠提前數(shù)小時至數(shù)天來預警。同時我們也知道，海洋中的海嘯等自然災害也能被一些生物提前感知，那么我們便會有這樣的大膽假設，也許，真正能夠提供精確導航與預警的場所是海洋內部，外太空的衛(wèi)星導航定位能力略差于海洋。所以，“北斗海中衛(wèi)星”利用在海洋內部的獨特優(yōu)勢，可以借鑒水母的預警方式，更早地預測地震、海嘯。

由于這部分動物具有的精確導航、預警能力還是屬于待解之謎，所以，以目前的科學技術來看還不能篩選出真正能夠判定為屬于這些動物應用的參數(shù)數(shù)據，所以只能通過觀察這些動物的行為來逐步優(yōu)化“北斗海中衛(wèi)星”的預警能力，當這些數(shù)據構成強大的數(shù)據庫時，我們相信，最終能夠解開動物精確預警、導航之謎，全面提升北斗的應用能力。

圖2 探索海龜導航技術流程圖

2 應用展望

北斗導航衛(wèi)星作為中國的一項大型科技工程，在各方面都有廣泛應用。未來是空爭間探索領域爭雄的高級戰(zhàn)場。為了應對諸如GPS導航系統(tǒng)、伽利略系統(tǒng)、格洛納斯系統(tǒng)對北斗導航衛(wèi)星的影響，拓寬北斗導航衛(wèi)星的全方位利用渠道，可以不僅僅局限于導航就是外太空衛(wèi)星對地球內部移動物體進行導航這樣的認知。如果真的能夠發(fā)展“北斗海中衛(wèi)星”，結合仿生學應用，也許就能夠將我們的北斗導航探索技術提升到一個新的高度。本文是對“北斗海中衛(wèi)星”的初步構思，如果能夠在相關科研工作者的努力下成為現(xiàn)實，必能使我國的衛(wèi)星導航技術精確度更高、應用范圍更廣、抗打擊能力更強，最終超越技術成熟的GPS導航系統(tǒng)。

參考文獻

[1]譚述森.衛(wèi)星導航定位工程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[2]R L Evans， P Tarits， A D Chave. A Symmetric Electrical Structure in the Mantle Beneath the East Pacific Rise at 170S- SCIENCE. 1990， Volume 286.

752-756.

[3]鄧明，沈高山，余平，等.基于麥克斯韋理論的海底大地電磁探測技術[J].國家“863”計劃課題研究，2012，12（12）.

[4]節(jié)選自《數(shù)字海洋博物館》，大氣壓與水壓——海洋中生物承受的壓力.

[5]梁涓.水下無線通信技術的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].EXPERIRENCE AND EXCHANGE，2009，24（11）.

[6]李文娟，仲曉光.跳頻通信[J].中國新通信，2012.

作者簡介

陳世品（1968-），男，福建南平人，農學博士、副教授、碩士研究生導師，福建農林大學林學院副院長，研究方向：野生植物資源開發(fā)利用、植物和植被監(jiān)測等。endprint