基于BDS的浮標與無人機溢油監(jiān)測系統(tǒng)

張鵬程，賈孟璇，李 坤

(東南大學 儀器科學與工程學院，江蘇 南京 210000)

基于BDS的浮標與無人機溢油監(jiān)測系統(tǒng)

張鵬程，賈孟璇，李 坤

(東南大學 儀器科學與工程學院，江蘇 南京 210000)

針對現(xiàn)有的溢油監(jiān)測方式大多存在定位精度低、易受氣象因素干擾、安全性差等問題，提出一個采用BDS進行定位和通信，結合溢油浮標跟蹤、無人機遙感觀測技術的溢油監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)試驗證明，該系統(tǒng)可提高油膜定位的精度達到亞m級并較好地解決數(shù)據(jù)傳輸可靠性的問題，充分應用中國自主研發(fā)的BDS相關技術，為實現(xiàn)對溢油事故的立體監(jiān)控與動態(tài)監(jiān)控提供參考。

BDS定位；溢油監(jiān)測；浮標跟蹤；無人機遙感觀測；實時偽距差分算法；BDS通信機制

0 引言

為進一步滿足社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生活質(zhì)量提高的需要，我國正在加大海洋開發(fā)利用力度并大力發(fā)展水上交通運輸業(yè)，這使得水上活動日益頻繁，海運量急劇增加。同時需要看到，我國重大溢油事故多有發(fā)生。統(tǒng)計數(shù)字顯示[1]，自1973年以來中國沿海共發(fā)生大小船舶溢油事故2 742起。我國今后將長期面臨水上交通安全和環(huán)境保護的巨大壓力。在溢油事故發(fā)生之后，及時對油膜的分布和運動情況進行監(jiān)測是制定正確救援方案的前提條件。這就要求利用先進的科學技術手段對溢油進行準確監(jiān)測，提高水上反應能力，減少海上污染。

目前，世界各國對海上溢油的跟蹤監(jiān)測手段主要有衛(wèi)星遙感、浮標跟蹤、航空遙感、固定點監(jiān)測等幾種方法，單一的監(jiān)測方法有著各自的特點[2]，如表1所示。

本文研究設計一種溢油監(jiān)測系統(tǒng)，充分利用我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)相關技術，利用其實時性好、工作時間長、自動程度高、精度高、可進行雙向通信等優(yōu)點[3]，結合浮標跟蹤與無人機觀測技術，直觀地反映出溢油漂移擴散變化的全過程，實現(xiàn)對洋面溢油的立體監(jiān)控，以期提高對溢油事故的處理能力。

表1 海上溢油監(jiān)視技術現(xiàn)狀對比

1 系統(tǒng)組成與工作流程

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由BDS、監(jiān)測站系統(tǒng)和應急處理中心組成，各部分通過BDS聯(lián)系起來以實現(xiàn)相應的監(jiān)測功能。系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)工作流程

1)應急處理中心利用無線電通信網(wǎng)絡將溢油發(fā)生地點坐標發(fā)送給溢油監(jiān)測站。

2)監(jiān)測站的地面控制系統(tǒng)將溢油監(jiān)測浮標準確地投放在溢油事故發(fā)生區(qū)域，同時控制無人機對溢油洋面進行航拍遙感。

3)無人機將圖像信息通過無線通信的方式發(fā)送給浮標，溢油監(jiān)測站衛(wèi)星信號接收機接收到浮標通過BDS回傳的溢油數(shù)據(jù)信息和無人機的圖像信息。

4)監(jiān)測站數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)綜合處理分析浮標得到的位置信息和無人機遙感圖像信息，在電子海圖上模擬油膜漂移軌跡和擴散情況。

5)監(jiān)測站利用無線電通信網(wǎng)絡將得到的結果同步到應急處理中心。

6)溢油處理中心通過無線電通信系統(tǒng)接收監(jiān)測站發(fā)送的數(shù)據(jù)，將溢油分布圖同步顯示到監(jiān)測屏幕上。同時溢油預測裝置根據(jù)當前油膜分布情況和水文氣象條件預測油膜漂移方向和擴散情況。

7)控制臺人員對溢油情況做出判斷，及時制定并實施溢油救援方案。警力調(diào)配裝置通過BDS終端的報文通信功能將溢油實時信息和救援方案發(fā)送給溢油海域附近的警力，實現(xiàn)及時治理。

2 BDS在系統(tǒng)中的運用

2.1 實時偽距差分算法

本系統(tǒng)中使用接收到的差分改正數(shù)與BDS終端原始觀測信息完成定位解算，采用的是實時差分動態(tài)定位的方式。利用設置在坐標已知的點(溢油監(jiān)測站)上的BDS接收機測定BDS測量定位誤差，用以提高在一定范圍內(nèi)其他BDS接收機(浮標、無人機內(nèi)置的BDS終端)測量定位精度[4]。即在基準站上觀測所有衛(wèi)星，根據(jù)基準站的精確坐標和各衛(wèi)星的坐標，求出每顆衛(wèi)星每一時刻到基準站的真實距離；再與測得的偽距比較，得出偽距改正數(shù)，將其傳輸至運動載體上的接收機來改正測量的偽距，提高定位精度。

2.2 利用BDS通信功能實現(xiàn)浮標測量數(shù)據(jù)的回傳

BDS能有效保障用戶關鍵業(yè)務數(shù)據(jù)在存儲、處理和傳輸過程中的安全性，對國防及經(jīng)濟安全起著至關重要的作用?，F(xiàn)代海洋浮標的通信方式多種多樣，包括海事衛(wèi)星、通用分組無線服務技術(general packet radio service，GPRS)、BDS衛(wèi)星等。但是出于安全性與自主性的考慮，BDS通信成為了我國海洋浮標數(shù)據(jù)通信的主要通信方式[5]。為了解決BDS衛(wèi)星自身通信量小、通信時間間隔大以及海洋通信數(shù)據(jù)量大等問題，需采用一種高效可靠的數(shù)據(jù)通信機制[6]。

2.3 浮標跟蹤與無人機觀測技術的融合

海洋浮標是一種現(xiàn)代化的觀測設備[7-8]，它可以全天候穩(wěn)定可靠地收集海洋環(huán)境資料，并能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集、前期處理和自動發(fā)送。而無人機通過對溢油洋面的遙感觀測[9]，可得到洋面油膜的分布情況。因此，如何解決監(jiān)測過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}是能否實現(xiàn)實時監(jiān)控的關鍵。當前階段，無人機直接與監(jiān)測站進行數(shù)據(jù)傳輸時，常常受到數(shù)據(jù)鏈路帶寬和成本的約束；而浮標集成BDS通信技術較為成熟[10]：因此本文采用無人機與海洋浮標進行無線通信[11-12]，通過海洋浮標轉(zhuǎn)發(fā)無人機觀測得到的圖像數(shù)據(jù)，從而提高檢測的實時性。研究表明，無線高頻通信系統(tǒng)中采用寬帶碼分多址數(shù)據(jù)傳輸技術，可以實現(xiàn)靈活的海上遠距離通信，同時需要在應用數(shù)字信號處理技術、無人機與海面浮標無線通信技術的同時，研究先進的檢錯和糾錯技術，以及微處理機控制系統(tǒng)在一系列高頻無線電設備和技術中的輔助應用。利用這些設備和技術可以大大改善無線高頻通信的可靠性和其他性能。

3 系統(tǒng)功能驗證

3.1 定位精度測試

本系統(tǒng)采用偽距差分算法對浮標進行定位，定位系統(tǒng)的精度對浮標是否能夠跟蹤油膜漂移軌跡起重要作用；采用相關硬件搭建算法運行的平臺，進行定位系統(tǒng)經(jīng)過差分改正后的定位精度的驗證。

選取一臺某實驗室自主研發(fā)的EarthNet2.0，與連續(xù)運行參考站(continuously operating reference stations，CORS)服務軟件建立起實時偽距差分(real time differential，RTD)基站模式，模擬溢油監(jiān)測站提供已知點坐標。將內(nèi)置有BDS終端的浮標置于水上進行定位測試，得到定位信息后與標準點計算X、Y方向定位誤差，從而驗證平面精度。在0.5 h的測試時間里以5 s為間隔進行采樣，計算所有觀測值相對于真值之差，得到X方向定位精度為0.873 594 m，Y方向的定位精度為0.853 293 m。

可以看出，經(jīng)過偽距差分算法修正后，系統(tǒng)具有亞m級的定位精度，從而為溢油浮標跟蹤油膜漂移軌跡提供了基礎。

3.2 通信可靠性測試

選用BGM7014型BDS通信模塊2個(分別用于發(fā)送和接收)，模塊的接收靈敏度為127.6 dBm，發(fā)射功率為5 W，通信容量為：≤120個漢字/條，電源電壓為5 V，待機電流為150 m。

為了驗證通信的可靠性，將其中一個BDS通信模塊與浮標中的數(shù)據(jù)采集模塊相連。通過一臺PC機模擬傳感器模塊采集到的信息，并將信息通過無線模塊傳送給浮標，模擬海上無人機信息傳輸過程，浮標通過BDS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。同時將另一個BDS通信模塊通過串口與PC相連，用來接收傳來的短報文數(shù)據(jù)，并據(jù)此對數(shù)據(jù)進行還原，然后與發(fā)送前的數(shù)據(jù)進行比對。共進行10次試驗，每次發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)量為30組，結果見表2。

表2 通信機制試驗數(shù)據(jù)記錄

從表2數(shù)據(jù)可以看出，通過BDS短報文信道進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)接收率可達93 %，達到浮標數(shù)據(jù)回傳的要求。

4 結束語

2006年我國成為世界第二大石油消費國，原油海上運輸行業(yè)將會愈發(fā)繁忙，溢油污染隱患也會不斷增加；因此提高水上應急反應能力，用科學的方法手段監(jiān)測溢油尤顯重要。本文提出的基于BDS的浮標無人機溢油監(jiān)測系統(tǒng)不僅可以利用浮標跟蹤溢油和無人機遙感航拍2種技術對油膜實現(xiàn)立體監(jiān)控，更能充分利用BDS精確定位和雙向通信功能，解決油膜跟蹤時定位精度和數(shù)據(jù)傳送時的及時性和保密性的問題。另外，通過建立溢油應急監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對周邊海域警力的及時調(diào)配，從而提高我國對溢油事故的應急處理能力，在未來有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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Oil spilling monitoring system of buoy and UAV based on BDS

ZHANGPengcheng，JIAMengxuan，LIKun

(School of Instrument Science and Engineering，Southeast University，Nanjing, Jiangsu 210000，China)

Aiming at the problem that current oil spilling monitoring is usually with low positioning accuracy，liable to meteorological factors，and with poor security，the paper proposed an oil spilling monitoring system which uses BDS to position and communicate，combines tracking spilled oil buoy and UAV remote sensing observation. Experimental result showed that the system could improve the positionin accuracy of the oil film to sub-meter level and the reliability of data transmission by fully utilizing BDS technology，which is independently researched by China，thus providing a reference for the dynamically monitoring on oil spilling accidents.

BDS positioning；oil spilling monitoring；buoy tracking；UAV remote sensing monitoring；real time pseudo range difference algorithm；BDS communication mechanism

2016-04-21

張鵬程(1995—)，男，安徽黃山人，本科學歷，研究方向為測控技術與儀器。

張鵬程，賈孟璇，李坤.基于BDS的浮標與無人機溢油監(jiān)測系統(tǒng)[J].導航定位學報，2017，5(1)：51-54.(ZHANG Pengcheng，JIA Mengxuan，LI Kun.Oil spilling monitoring system of buoy and UAV based on BDS[J].Journal of Navigation and Positioning，2017，5(1)：51-54.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20170111.

P228

A

2095-4999(2017)01-0051-04