胡勤友， 張正儒， 劉 俠

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

浮空載具在海事領(lǐng)域的應(yīng)用

胡勤友， 張正儒， 劉 俠

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

受船舶營運(yùn)的海上環(huán)境復(fù)雜多變的影響，目前近海寬帶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和海事監(jiān)測服務(wù)在海上通信以及海事監(jiān)管方面的實(shí)際應(yīng)用上存在諸多問題，表現(xiàn)為現(xiàn)行的海上網(wǎng)絡(luò)服務(wù)收費(fèi)高，AIS服務(wù)范圍小、盲區(qū)大、實(shí)時(shí)性差，海上搜救措施效率低等。針對(duì)這些問題，通過對(duì)浮空載具的動(dòng)力定位原理進(jìn)行研究，結(jié)合平流層熱氣球和氣象氣球的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，探討浮空載具在海事領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，分析浮空載具的獨(dú)特優(yōu)勢，從而為浮空載具在海事領(lǐng)域的應(yīng)用提供新的技術(shù)思路和建議。

水路運(yùn)輸； 海上網(wǎng)絡(luò)服務(wù)； AIS服務(wù)； 衛(wèi)星AIS； 浮空載具； 動(dòng)力定位

良好的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)可以豐富船員的日常生活，加強(qiáng)其與家人、朋友的聯(lián)系，從而使其能夠以更飽滿的狀態(tài)投入到日常的工作中。良好的AIS(Automatic Identification System)信息服務(wù)有助于增強(qiáng)VTS(Vessel Traffic Services)功能，實(shí)現(xiàn)海上交通可視化，高效的海上搜救措施的重要性更是不言而喻。

然而，航運(yùn)工作的地域特殊性以及海洋環(huán)境的特殊性對(duì)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、AIS服務(wù)以及海事搜救產(chǎn)生了諸多影響，表現(xiàn)在：

1. 遠(yuǎn)海域的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)收費(fèi)高、速度慢。

2. 一般岸基AIS基站服務(wù)范圍小。傳統(tǒng)AIS基站的信號(hào)傳輸范圍與天線的架設(shè)高度[1-2]有關(guān)，天線過低將無法有效地覆蓋水域，過高又會(huì)產(chǎn)生交疊

干擾問題。隨著船舶作業(yè)范圍日漸擴(kuò)大，有些船舶經(jīng)常會(huì)超出岸基AIS基站覆蓋范圍進(jìn)入盲區(qū)。

3. 衛(wèi)星AIS系統(tǒng)不能對(duì)船舶位置持續(xù)覆蓋。衛(wèi)星AIS屬于非實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)，其對(duì)船舶位置的覆蓋不是一直持續(xù)的，因此使用衛(wèi)星探測AIS來監(jiān)控船舶實(shí)時(shí)性差。

4. 海事搜救措施經(jīng)常因示位和通信不便而造成拖延，嚴(yán)重威脅船員的人身和財(cái)產(chǎn)安全。

浮空載具作為一種常見的載具，在氣象探測、網(wǎng)絡(luò)搭建、遙感監(jiān)測等方面都有著廣泛的用途和成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，其滯空時(shí)間長、成本低等獨(dú)特優(yōu)勢可幫其有效解決上述問題，這給浮空載具在海事領(lǐng)域應(yīng)用帶來了啟發(fā)。

1 浮空載具分類與簡介

浮空載具是一種依靠較輕的氣體產(chǎn)生的浮力或空氣動(dòng)力駐空的航空載具，主要包括飛艇和氣球兩大類，此外還有飛滑翔傘、無人機(jī)等。飛艇從結(jié)構(gòu)形式上可分為硬式和軟式；從控制形式上分為無人飛艇和有人駕駛飛艇。氣球基本上是軟式結(jié)構(gòu)，從控制形式和用途上可分為載人氣球、自由氣球和系留氣球。浮空載具因具有成本低、滯空時(shí)長、載荷能力大、噪聲低、能量消耗小、安全性好、效費(fèi)比高等獨(dú)特優(yōu)勢，發(fā)展空間巨大，在交通運(yùn)輸、環(huán)境監(jiān)測、遙感通信、觀光旅游、應(yīng)急救援等諸多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

2 浮空載具的廣泛應(yīng)用

浮空載具在諸多領(lǐng)域都有應(yīng)用。此處主要介紹平流層熱氣球、氣象探測氣球和平流層飛艇的應(yīng)用。

2.1谷歌“熱氣球網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃”

谷歌“熱氣球網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃”項(xiàng)目計(jì)劃在大氣平流層放飛無數(shù)可回收的熱氣球，組成一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，以填補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的盲區(qū)或幫助受災(zāi)斷網(wǎng)地區(qū)恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)熱氣球能在平流層中飄浮100 d，覆蓋面積約為1 256 km2，且不受地形影響，其網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的速度甚至可以超過3G的水平。熱氣球在完成任務(wù)后可以被回收繼續(xù)利用，當(dāng)一個(gè)氣球飛離某一位置后，會(huì)有另一個(gè)氣球來替代，這樣就可以使氣球基站高效率地保證網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的持續(xù)性。

谷歌計(jì)劃圍繞地球建設(shè)一個(gè)類似于圖1的“氣球”網(wǎng)絡(luò)，每只氣球通過射頻信號(hào)收發(fā)設(shè)備與其他氣球連接在一起，其能把接收到的信號(hào)傳回地面站，該地面站又能連接到當(dāng)?shù)氐木W(wǎng)絡(luò)提供商，這樣氣球就在天空中架起了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。氣球通過另一個(gè)收發(fā)設(shè)備確保與地面的網(wǎng)絡(luò)基站通信，利用當(dāng)?shù)仡A(yù)留的空白電視頻段將信號(hào)發(fā)到地面的接收器，接收器再向?qū)ｉT設(shè)計(jì)的、安裝在用戶家中的專用天線發(fā)送互聯(lián)網(wǎng)信號(hào)，如此以來，在其天線覆蓋下的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端就可以連接到互聯(lián)網(wǎng)了。

2.2氣象氣球

氣象氣球是常用的高空氣象觀測平臺(tái)，可搭載多個(gè)探空儀并接收衛(wèi)星指令，被廣泛應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)、大氣污染監(jiān)測和大氣邊界層探測。其除用于觀測溫、濕、壓、風(fēng)等氣象要素外，還用來觀測臭氧以及監(jiān)測大氣污染，能在數(shù)小時(shí)至幾十小時(shí)內(nèi)連續(xù)測量各個(gè)選定高度上氣象要素的變化。平流層氣象氣球還可用于探測大氣成分、臭氧、太陽常數(shù)、輻射量等。

圖1 “氣球”網(wǎng)絡(luò)

2.3平流層飛艇

平流層飛艇依靠空氣靜浮力駐空，可定點(diǎn)駐留，亦可機(jī)動(dòng)巡航；具有駐空時(shí)間長、載重量大、可重復(fù)使用等特點(diǎn)。此外，其還可長時(shí)間停留在特定地區(qū)，作為定點(diǎn)觀測的最佳觀測平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)長期連續(xù)觀測。譬如，可在重大自然災(zāi)害地區(qū)(如洪災(zāi)、森林火災(zāi)等)、重要設(shè)施與工程、城市(如交通監(jiān)控、重大活動(dòng)安全監(jiān)視)等實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀察，及時(shí)掌握動(dòng)態(tài)信息，提供實(shí)時(shí)的決策依據(jù)，保障地區(qū)安全、減少災(zāi)害損失。

平流層飛艇觀測平臺(tái)的主要功能是實(shí)現(xiàn)區(qū)域性長期、定點(diǎn)、機(jī)動(dòng)、高分辨力觀察，因此是目前對(duì)地觀測方式的必要補(bǔ)充，滿足國家在地區(qū)安全保護(hù)、大氣定點(diǎn)監(jiān)測、熱點(diǎn)地區(qū)持續(xù)觀察等方面的迫切需求。

2.4遙感航拍熱氣球

以航拍熱氣球?yàn)轱w行平臺(tái)、攜帶數(shù)碼相機(jī)或成像光譜儀進(jìn)行低空遙感航拍也有著越來越廣泛的應(yīng)用，主要包括國土測繪以及對(duì)海洋、高壓線路、災(zāi)情與氣象等進(jìn)行監(jiān)視。

我國航拍熱氣球已經(jīng)在洪澇災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測、太湖藍(lán)藻監(jiān)測、森林火災(zāi)監(jiān)測、大氣臭氧監(jiān)測以及大型科學(xué)試驗(yàn)中發(fā)揮重要作用。如在2008年“5·12”汶川特大地震的抗震救災(zāi)工作中，航拍熱氣球與遙感技術(shù)相結(jié)合取得了顯著效果。

2.5浮空載具的其他應(yīng)用

浮空載具在其他領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。在軍用領(lǐng)域，多用于預(yù)警、電子對(duì)抗、技術(shù)偵察與監(jiān)視、超長波通信、信息中繼等方面；在科學(xué)研究領(lǐng)域，被用于高能物理、天文、空間物理等多學(xué)科的探測。

3 浮空載具在海事領(lǐng)域的潛在應(yīng)用

上述浮空載具成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)給海事領(lǐng)域帶來了許多啟發(fā)，可能會(huì)在提供海上網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、海事監(jiān)測以及海上搜救上產(chǎn)生諸多影響。

3.1浮空載具提供海上網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

目前海上的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)幾乎空白，僅可用的小型地球站和海事衛(wèi)星均有著高昂的收費(fèi)和嚴(yán)格受限的速度吞吐量。

借助谷歌“熱氣球計(jì)劃”的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)搭建高空網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)，對(duì)遠(yuǎn)海海域或交通繁忙的海域進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋，其架設(shè)成本遠(yuǎn)比發(fā)射衛(wèi)星小得多，從而可以使船員享受到快速、穩(wěn)定、價(jià)格低廉的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

3.2浮空載具用于搭建AIS基站

AIS基站是整個(gè)AIS信息傳輸中最關(guān)鍵一環(huán)。其傳輸范圍與天線的架設(shè)高度成正比，而AIS天線的架設(shè)高度有嚴(yán)格限制，否則會(huì)造成無法有效覆蓋水域、岸基AIS基站覆蓋范圍受限嚴(yán)重等問題。

此外，衛(wèi)星AIS屬于非實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)，其對(duì)船舶位置的覆蓋不是一直持續(xù)的。一般對(duì)于距離海岸幾百海里的船舶，位置更新時(shí)間間隔約為1 h，對(duì)于更遠(yuǎn)海域的船舶，位置更新時(shí)間間隔為4 h以上，因此所監(jiān)測的遠(yuǎn)海域船舶的位置的可靠性往往不高。

浮空載具的應(yīng)用給上述問題帶來了解決方案，可使用浮空載具攜帶AIS基站設(shè)備，并借鑒谷歌“熱氣球網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃”和氣象氣球所用的動(dòng)力定位方法搭建高空基站(見圖2)。如此一來，可大幅度提高基站的覆蓋范圍，有效解決交疊干擾問題，減少盲區(qū)數(shù)量，并縮短遠(yuǎn)海域船舶的位置更新時(shí)間間隔。

圖2 高空AIS基站

3.3浮空載具攜帶SAR雷達(dá)進(jìn)行海上監(jiān)測

SAR雷達(dá)[3]是一種高分辨率的成像雷達(dá)，可通過其遙感數(shù)據(jù)檢測出船目標(biāo)和航跡特征,接收和應(yīng)答海上搜救信號(hào)，以及監(jiān)測環(huán)境動(dòng)態(tài)變化和海上溢油污染。此外，SAR不僅可監(jiān)視和跟蹤油膜漂移的方向和位置，指導(dǎo)航測的偵察和取證工作，還可估算溢油的面積和油膜的漂移速度。

雖然SAR雷達(dá)具有作用距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、信息傳輸快、準(zhǔn)確率高等特點(diǎn)，但目前通常被搭載在滯空時(shí)間短、較小的無人機(jī)上和發(fā)射成本高的衛(wèi)星上，這些都限制了其應(yīng)用效能。若將SAR雷達(dá)設(shè)備搭載在浮空載具上，可全天候、全天時(shí)監(jiān)測大范圍內(nèi)的船舶情況和海上事故情況，及時(shí)接收應(yīng)答搜救信號(hào)，準(zhǔn)確定位事故發(fā)生地點(diǎn)，有效保證船員的人身財(cái)產(chǎn)安全，控制海上溢油污染范圍。

3.4浮空載具用于采集落水人員信息

最常見的緊急無線電示位標(biāo)和人員落海警示系統(tǒng)都有監(jiān)控人員安全、偵測落海意外、即時(shí)提供警示的功能。一般搜救信號(hào)傳輸機(jī)制是：透過衛(wèi)星將編碼后的信息傳送給海岸邊的站臺(tái)，再由站臺(tái)傳送給當(dāng)?shù)氐闹醒胨丫戎行?，啟?dòng)救難機(jī)制。其缺點(diǎn)是受衛(wèi)星角度與當(dāng)?shù)丶本戎行牡姆磻?yīng)時(shí)間的影響，不確定因素較多，影響救援的黃金時(shí)間。

可利用浮空載具滯空時(shí)間長的特點(diǎn)攜帶紅外線熱像儀等落水人員信息采集設(shè)備，或作為SART信號(hào)中繼器[4]，能在很大程度上提高搜救措施的效率和可靠性。

4 海事領(lǐng)域浮空載具可借鑒的動(dòng)力定位原理

現(xiàn)已投入使用的浮空載具均具有先進(jìn)的組成設(shè)備和成熟的動(dòng)力定位技術(shù)。以下主要介紹平流層熱氣球和氣象探測氣球[6-7]的設(shè)備組成，并分析其動(dòng)力定位原理。

4.1平流層熱氣球的動(dòng)力定位原理

平流層氣球是在平流層進(jìn)行探測時(shí)所用的大型浮空載具，是一種能完成20～40 km或更高的高空探測的觀測平臺(tái)。

平流層氣球選取的飛行區(qū)域?yàn)殡x地約20 km的平流層，雖然相對(duì)于對(duì)流層，該區(qū)域的氣候條件和氣流變化均相對(duì)穩(wěn)定，但熱氣球的動(dòng)力定位仍是實(shí)施計(jì)劃的第一大難點(diǎn)。谷歌公司提出的“可變浮力”方案可有效解決這個(gè)問題?！翱勺兏×Α苯鉀Q方案即通過改變浮力來調(diào)整熱氣球的高度，使之選擇合適的氣流，推動(dòng)氣球向正確方向快速移動(dòng)(見圖3)。谷歌公司擁有強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)處理能力，可利用官方的海量氣象數(shù)據(jù)精確計(jì)算、模擬平流層中的氣流，結(jié)合氣球裝有的氣象設(shè)備返回的數(shù)據(jù)，精確地預(yù)測平流層的氣流方向，再通過熱氣球和氣囊之間的控制閥門，控制氣球上下移動(dòng)到不同方向的氣流層，使之隨氣流快速移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)熱氣球的動(dòng)力定位。AIS高空基站可借鑒平流層熱氣球的動(dòng)力定位原理，使基站位置得到良好的區(qū)域控制。

圖3 “可變浮力”解決方案

4.2氣象氣球的動(dòng)力定位原理

雖然平流層熱氣球的動(dòng)力定位原理給AIS基站帶來了很多可借鑒之處，但其也有著很大的局限性，主要是因?yàn)槿绱她嫶蟮臄?shù)據(jù)系統(tǒng)服務(wù)比較難獲取。

不過，氣象氣球的動(dòng)力定位原理同樣值得借鑒，且更加適合在海事領(lǐng)域的浮空載具上應(yīng)用。

氣象氣球一般使用橡膠、塑料等材料，充以氫氣、氦氣等比空氣輕的氣體。其不僅搭載有氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備，還搭載了位移測控系統(tǒng)設(shè)備和通信設(shè)備，這些設(shè)備主要由排氣閥、平衡器、位移傳感器(光電碼盤)、姿態(tài)調(diào)整伺服裝置(反作用飛輪裝置，電容)、反捻器、數(shù)據(jù)鏈接設(shè)備和無線電傳輸設(shè)備構(gòu)成。

反作用飛輪控制系統(tǒng)[8]是實(shí)現(xiàn)吊籃動(dòng)力定位控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由主控單元、飛輪系統(tǒng)(直流力矩電動(dòng)機(jī)和飛輪)、速度傳感器、保護(hù)電路和電源等組成(見圖4)。該系統(tǒng)根據(jù)伺服系統(tǒng)和上位機(jī)給出的速度變化指令調(diào)整控制器輸出，即調(diào)整反作用飛輪的速度；分系統(tǒng)內(nèi)部速度閉環(huán)可以穩(wěn)定慣性輪力矩臺(tái)的速度，最后通過反捻裝置[9]進(jìn)行卸荷和解耦，防止吊繩扭曲導(dǎo)致的吊籃轉(zhuǎn)動(dòng)，釋放長時(shí)間積累的殘存力矩。

分布式測控系統(tǒng)[10-11](見圖5)將嵌入式系統(tǒng)作為中心處理機(jī)，完成姿態(tài)和科研數(shù)據(jù)的測量，并對(duì)吊籃的各個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行誤差修正。地面中心站負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)包的重新打包和分發(fā)；地面節(jié)點(diǎn)機(jī)主機(jī)和其他節(jié)點(diǎn)機(jī)一起與地面中心站組成地面測控系統(tǒng)。數(shù)據(jù)鏈接設(shè)備負(fù)責(zé)所測量數(shù)據(jù)的報(bào)文發(fā)送與接收，通過RS-232C接口與球載控制系統(tǒng)[12-14]和地面測控系統(tǒng)進(jìn)行通信。

圖4 反作用飛輪動(dòng)力定位系統(tǒng)

圖5 分布式測控系統(tǒng)

5 海事領(lǐng)域浮空載具應(yīng)用的優(yōu)勢及挑戰(zhàn)

浮空載具應(yīng)用于海事領(lǐng)域，有著很多獨(dú)特優(yōu)勢。

1. 相對(duì)于其他飛行器或衛(wèi)星，浮空載具的區(qū)域滯空時(shí)間較長，其提供服務(wù)的持續(xù)性和實(shí)時(shí)性較高。

2. 相對(duì)于衛(wèi)星，浮空載具的使用成本和回收成本均較低，方便檢測維修，效費(fèi)比高。

浮空載具在海事領(lǐng)域應(yīng)用同樣面臨著諸多問題和挑戰(zhàn)。其中最突出的問題是現(xiàn)有的技術(shù)僅可將浮空載具控制在一定范圍內(nèi)，不能完全鎖定在固定位置，這對(duì)所搭載設(shè)備的信號(hào)穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生影響。此外，使用覆蓋范圍較大的高空AIS基站替代原始的多個(gè)岸基AIS基站后，覆蓋范圍內(nèi)的船舶AIS終端激增，AIS信息報(bào)文傳輸量隨之增加，受AIS傳輸信道容量限制，會(huì)出現(xiàn)大量時(shí)隙重疊問題。涉及的政治問題也非常復(fù)雜，無線電傳送需使用全新頻譜的光譜，這就需要各國的監(jiān)管機(jī)構(gòu)達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。

6 結(jié) 語

通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)合并以及全球網(wǎng)絡(luò)覆蓋是信息時(shí)代發(fā)展的大趨勢，提出浮空載具在海事領(lǐng)域的潛在應(yīng)用具有前瞻性。通過分析平流層熱氣球和氣象氣球的動(dòng)力定位原理，以及現(xiàn)有設(shè)備的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可得出，將浮空載具應(yīng)用于海事領(lǐng)域具有很強(qiáng)的可操作性和現(xiàn)實(shí)性，可為海上通信、海事監(jiān)測和海上搜救提供新的技術(shù)思路與建議。

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ApplicationofAerostatinMaritimeField

HUQinyou,ZHANGZhengru,LIUxia

(Merchant Marine College,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China)

Coastwise network services and maritime surveillance services are not commonly used in the fields of maritime communication and marine monitoring due to the complex and changeable environment where vessels operate. The reasons why maritime network services are not attractive include high charge; limited coverage, blind area, none realtime transmission of AIS and ineffectiveness in maritime search and rescue application. The aerostat with dynamic positioning is a promising concept to improve the services. The potential applications of aerostat in maritime field are discussed and the particular advantages of aerostat are analyzed on the basis of the experience in application of them. The new concept may bring aerostats into application in the maritime field.

waterway transportation; maritime network service; AIS service; Satellite AIS; aerostat; dynamic positioning

2014-04-03

上海市人才發(fā)展基金(201436)

胡勤友(1974—)，男，安徽舒城人，教授，博士，研究方向?yàn)楹Ｊ轮悄苄畔⑻幚?。E-mail：qyhu@shmtu.edu.cn

1000-4653(2014)03-0090-05

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