海洋浮標(biāo)一般由浮標(biāo)體、錨系、傳感器、數(shù)據(jù)采集器、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、浮標(biāo)檢測(cè)儀等部分組成,可以測(cè)量大氣中的風(fēng)、氣壓、溫度、濕度,還有能見度,以及水文參數(shù)里面的波浪、海流、水溫、鹽度,還可以測(cè)水質(zhì)參數(shù)包括pH值,溶解氧葉綠素甚至包括營(yíng)養(yǎng)鹽這些參數(shù)。
海洋浮標(biāo)按結(jié)構(gòu)形式可分為圓盤型、球型、船型、柱型等類型,按浮標(biāo)按照錨泊方式可分為錨系型和漂流型,按浮標(biāo)體尺度可分為大型、中型、小型等不同類型,按浮標(biāo)功能又可分為導(dǎo)航浮標(biāo)、氣象水文監(jiān)測(cè)浮標(biāo)、水質(zhì)浮標(biāo)、波浪浮標(biāo)、光學(xué)浮標(biāo)、港口浮標(biāo)、漁業(yè)浮標(biāo)、航道浮標(biāo)、船舶警示浮標(biāo)、核輻射監(jiān)測(cè)浮標(biāo)等。
導(dǎo)航浮標(biāo)用于輔助導(dǎo)航,主要指示航道、危險(xiǎn)區(qū)域等,幫助船只保持方向和位置,包括燈塔、燈船、浮式燈塔、浮式信標(biāo)等,這些浮標(biāo)通常配備燈光、雷達(dá)應(yīng)答器和其他導(dǎo)航設(shè)備,以便在惡劣天氣和夜間也能提供導(dǎo)航服務(wù);氣象浮標(biāo)用于測(cè)量海洋天氣,主要用于氣象預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè),搭載氣象觀測(cè)設(shè)備、海浪測(cè)量設(shè)備、水文學(xué)儀器等,用于測(cè)量風(fēng)速、風(fēng)向、海浪高度、浪向、水溫、鹽度等海洋環(huán)境要素。
海洋資料浮標(biāo)用于收集和記錄海洋環(huán)境數(shù)據(jù),對(duì)海洋科學(xué)研究具有重要意義,通常用來(lái)測(cè)量海洋溫度、鹽度、溶解氧含量等物理和化學(xué)參數(shù),幫助科學(xué)家了解海洋生態(tài)系統(tǒng),并為海洋環(huán)境保護(hù)和海洋資源管理提供依據(jù);港口浮標(biāo)用于港口船只的導(dǎo)航和安全,也稱為駐泊浮標(biāo),又分錨泊式浮標(biāo)和電子浮標(biāo),錨泊式通過(guò)錨鏈固定在海底,電子浮標(biāo)則通過(guò)無(wú)線電導(dǎo)航和通訊技術(shù)為船只提供信息服務(wù)。
漁業(yè)浮標(biāo)主要用于漁業(yè)捕撈作業(yè),標(biāo)示漁場(chǎng)邊界、提供漁網(wǎng)架設(shè)位置等,通常分為浮動(dòng)式和固定式兩種;航道浮標(biāo)用于標(biāo)示航道范圍、指示淺灘、礙航物或表示專門用途的水面助航標(biāo)志,航標(biāo)浮標(biāo)數(shù)量多、應(yīng)用廣泛,設(shè)置在難以或不宜設(shè)立固定航標(biāo)之處;船舶警示浮標(biāo)其功能是標(biāo)示航道淺灘或危及航行安全的障礙物。
大多數(shù)海洋浮標(biāo)是由蓄電池供電進(jìn)行工作的,但由于海洋浮標(biāo)遠(yuǎn)離陸地,換電池不方便,有不少海洋浮標(biāo)裝備太陽(yáng)能蓄電設(shè)備,有的還利用波能蓄電,大大減少了換電池的次數(shù),使海洋浮標(biāo)更簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)。
根據(jù)海洋監(jiān)測(cè)任務(wù)的不同,不同類型海洋資料浮標(biāo)上集成相應(yīng)的不同傳感設(shè)備,采集諸如水文、水質(zhì)、氣象、生態(tài)、海洋生物、海洋化學(xué)、海洋物理等多方面的海洋信息并加以處理。例如為研究海洋物質(zhì)在海洋環(huán)流影響下的表層物質(zhì)散播軌跡,可利用漂流浮標(biāo)隨海洋環(huán)流系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡獲取過(guò)程參數(shù)。目前海洋資料浮標(biāo)的應(yīng)用需求逐漸從近海向深遠(yuǎn)海拓展,且人們對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的廣度和精度等方面也提出了更高要求。
通常若海洋資料浮標(biāo)的尺寸越小,浮標(biāo)姿態(tài)變化受海況影響的程度越嚴(yán)重。對(duì)于搭載在浮標(biāo)上的風(fēng)、浪、流等水文氣象參數(shù)的觀測(cè)儀器和設(shè)備而言,浮標(biāo)平臺(tái)上自身的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)對(duì)測(cè)量誤差的影響更大,將很難滿足高時(shí)間分辨率的數(shù)據(jù)獲取需求。進(jìn)行瞬時(shí)風(fēng)測(cè)量時(shí),浮標(biāo)體的橫搖、縱搖、艏搖、縱蕩、橫蕩、垂蕩引起的風(fēng)速計(jì)傾料,使得浮標(biāo)風(fēng)速傳感器旋轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)軸無(wú)法與風(fēng)向保持平行,造成瞬時(shí)風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量的較大偏差,特別在高海況下陣性風(fēng)速的測(cè)量會(huì)更加顯著。海況越惡劣,浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)越劇烈,瞬時(shí)風(fēng)速測(cè)量誤差會(huì)變大,數(shù)據(jù)偏離真實(shí)值也會(huì)越大,使得測(cè)量結(jié)果的可信度變差。
目前,海洋浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量技術(shù)已由浮標(biāo)姿態(tài)信息測(cè)量延伸到浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息測(cè)量,以獲取海洋資料浮標(biāo)上任意空間位置點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)矯正信息,比如三維空間的角速度信息、線加速度信息、三維姿態(tài)信息、三維速度信息、三維位置信息以及升沉信息等等。這些信息的準(zhǔn)確獲取不僅可以幫助海洋觀探測(cè)儀器進(jìn)行誤差補(bǔ)償矯正,而且這些運(yùn)動(dòng)測(cè)量信息中本身也包含了水文氣象儀器觀測(cè)的重要參數(shù)信息,如波浪測(cè)量中,波浪特征參數(shù)(波高、波周期和波向)的計(jì)算就是源于這些運(yùn)動(dòng)測(cè)量信息,這些運(yùn)動(dòng)測(cè)量信息可以為浮標(biāo)設(shè)計(jì)以及搭載于浮標(biāo)平臺(tái)上的水文氣象儀器的觀測(cè)提供更加精準(zhǔn)和精細(xì)化的服務(wù)。
海洋資料浮標(biāo)作為一種現(xiàn)代化海洋監(jiān)測(cè)技術(shù),正受到世界諸多國(guó)家的重視與研究。發(fā)達(dá)國(guó)家的海洋監(jiān)測(cè)研究起步較早,開始于20世紀(jì)30年代末,并一直處于領(lǐng)先水平。目前海洋浮標(biāo)的觀測(cè)范圍已經(jīng)擴(kuò)展到深遠(yuǎn)海,組成了業(yè)務(wù)化的觀測(cè)網(wǎng),并且向著全球高密度布網(wǎng)發(fā)展。
通常情況下海洋資料浮標(biāo)定位主要依靠浮標(biāo)數(shù)采模塊采集浮標(biāo)上所安裝的GNSS模塊進(jìn)行浮標(biāo)位置監(jiān)控,并通過(guò)浮標(biāo)的通信系統(tǒng)將位置信息傳輸至陸基接收站。但這種定位方式需要浮標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)采模塊、供電模塊、通信模塊、GNSS模塊均正常工作,任何一個(gè)模塊故障均會(huì)導(dǎo)致浮標(biāo)的實(shí)時(shí)位置信息無(wú)法獲取。遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)通常采用GPRS、CD-MA和北斗衛(wèi)星等通信方式,將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)傳送至岸基接收站。
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