一种自主航行风浪流监测浮标的制作方法

本发明涉及一种风浪流监测浮标，尤其涉及一种自主航行风浪流监测浮标，属于海洋技术领域。

背景技术：

海洋风、浪、流观测在船舶运维中航行安全评估与能耗优化、船舶试航试验保障、平台海上作业决策、海洋环境预报等方面发挥着不可替代的作用。现有海洋风浪流观测技术中，主要包括以系泊浮标和微波雷达遥感为代表的两类技术装备。

测量精度和可测量海域范围是海洋风浪流观测装备的关键指标。而现有观测装备或在测量精度，或在可测量海域范围指标方面均存在一定不足。对于系泊浮标而言，属于接触式测量手段，其优点是测量精度高，而不足在于，只能针对海上一点处的海洋风浪流进行观测。如若需要实现对大范围海域进行观测，则需要布放大量的浮标。系泊浮标数量的增加，不仅需要增加购置浮标系统的费用，而且需要等倍增加浮标海上布放的费用。由于海上作业成本较高，致使浮标在投入使用若干年后，一旦电源供给耗尽，则浮标将被直接抛弃。造成资源浪费的同时，产生了海洋垃圾。微波雷达遥感的优点在于可以实现大范围的海洋风浪流观测，不足是测量精度较低。

因此，现有的海洋风浪流观测装备存在如下缺点：

1.传统系泊浮标测量精度高，但测量范围小，无法实现随船测量。

2.微波雷达遥感测量范围大，但是测量精度低。

为克服上述不足，本发明提供一种自主航行风浪流监测浮标。本发明的目的在高精度测量的基础上，实现大范围海域风浪流观测。

技术实现要素：

本发明的目的是为了实现高精度的海洋风浪流观测、可对目标海域实现大范围观测、可实现海域风速、海浪波高与浪向、海洋流速与流向随船观测，以服务船舶试验试验需求而提供一种自主航行风浪流监测浮标。

本发明的目的是这样实现的：

一种自主航行风浪流监测浮标，包括平台模块、自主巡航模块、测量模块、数据存储与处理模块和能源支持模块；所述自主巡航模块、测量模块、数据储存与处理模块和能源支持模块均设置在平台模块上，所述测量模块采集的数据传输给数据存储与处理模块，所述数据存储与处理模块与自主巡航模块连接，所述能源支持模块分别与测量模块和数据存储与处理模块连接。

本发明还包括这样一些特征：

所述自主巡航模块包括导航与航迹规划模块、推进子模块和操纵子模块；

所述测量模块包括：风速测量子模块、船体平台运动测量子模块和海流测量子模块；

所述能源支持模块包括：蓄电池子模块和太阳能发电子模块；

所述船体平台运动测量子模块包括角位移传感器单元、加速度传感器单元和数据采集单元；

所述海流测量子模块包括声学多普勒流速剖面仪单元和数据采集单元。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.相比较于传统系泊浮标，本发明提供的自主航行波浪监测浮标能够根据预设路线，实现大范围海域的风、浪、流观测；

2.本发明提供的自主航行波浪监测浮标无需使用系泊系统，节省了大量布放安装费用，且可通过导航控制进行回收，实现重复利用，避免产生海洋垃圾；

3.可实现海域风速、海浪波高与浪向、海洋流速与流向随船观测，为船舶试验试验高精度的海洋环境数据观测；

4.相比较于微波雷达测量装备在观测精度上的不足，本发明提供的自主航行波浪监测浮标可实现高精度的海洋风浪流观测；

5.本发明提供的自主航行波浪监测浮标，可在投入较低成本的情况下，实现大范围海域风速、海浪波高与浪向、海洋流速与流向的高精度测量，为海洋环境微波遥感技术提供校正手段。

附图说明

图1是本发明所提供一种自主航行风浪流监测浮标的总体结构组成示意图；

图2是本发明所提供一种自主航行风浪流监测浮标的系统组成。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

一种自主航行风浪流监测浮标，(1)船体平台模块1，用于搭载自主巡航模块2、测量模块3、数据存储与处理模块4和能源支持模块5。同时，用于实现将波浪激励转换成船体平台横摇、纵摇、升沉运动位移及加速度。(2)自主巡航模块2，用于实现浮标根据预设海域航线自主航行，所述自主巡航模块2具体包括：(2.1)导航与航迹规划模块6，用于监测浮标航行位置的实时定位、浮标航迹规划，并发出浮标航行控制指令，控制推进子模块7和操纵子模块8工作；(2.2)推进子模块7，根据航行控制指令产生匹配的推力，作为浮标航行的动力；(2.3)操纵子模块8，根据航行控制指令操纵浮标航向，进行浮标航迹实时修正，实现浮标按照预设轨迹自主航行。(3)测量模块3，用于海洋风速、船体平台运动、海流流速测量，所述测量模块3具体包括：(3.1)风速测量子模块9，包括风速仪10、数据采集单元11，用于采集海洋风速、风向；(3.2)船体平台运动测量子模块12，包括角位移传感器单元13、加速度传感器单元14、数据采集单元15。角位移传感器单元13用于实时采集浮标船体平台模块1的横摇与纵摇角位移信息。加速度传感器单元14用于实时采集浮标船体平台模块1的横摇、纵摇和升沉加速度信息。(3.3)海流测量子模块16，包括声学多普勒流速剖面仪单元17、数据采集单元18，用于实时采集海洋流速；(4)数据存储与处理模块4，用于测量模块采集风速、船体平台运动、流速数据信息的存储，并基于船体平台运动信息解算海浪波高与浪向、基于多点流速解算海浪流向。(5)能源支持模块5，为浮标自主巡航、数据采集与处理提供能源支持。所述能源支持模块5具体包括：(5.1)蓄电池子模块19，为浮标自主航行、传感器工作提供能源；(5.2)太阳能发电子模块20，监测浮标船体平台模块1上甲板安装太阳能发电装置，用于将太阳能转换成电能，为浮标提供部分清洁能源，提升浮标续航能力。采用船体形式的搭载平台。通过安装推进装置实现浮标航行功能；通过操纵装置(舵或者双桨)实现浮标航向控制；通过导航终端系统实现浮标航线的规划与校正。通过以下步骤实现海洋风速、海浪波高与浪向、海流速度与流向的观测：(1)根据海洋观测任务需求，将浮标布放于目标海域，并设定任务指令，包括浮标航线、航速、数据采集参数；(2)当风浪流监测浮标接受任务指令后，沿着预设航线航行，与此同步，船体平台模块1搭载的测量模块3连续采集海洋风速、船体平台横摇角位移、纵摇角位移、横摇加速度、纵摇加速度和升沉加速度、海流流速测量；(3)测量模块3开始采集数据的同时，数据存储与处理模块4将测量模块3采集的数据进行实时存储，并对数据进行解算。根据船体平台横摇角位移、纵摇角位移、横摇加速度、纵摇加速度和升沉加速度信息解算海浪波高与浪向。根据多点流速解算海浪流向；(4)通过测量模块3和数据存储与处理模块4获得观测航线上的风速、海浪波高与浪向、海流流速与流向数据。将该数据在浮标上进行本地存储，同时，通过卫星通讯终端将数据回传到岸基数据中心或者作业母船。

本发明所提供的一种自主航行风浪流监测浮标，其总体结构组成如图1所示，包括：船体平台模块1、自主巡航模块2、测量模块3、数据存储与处理模块4、能源支持模块5。

其中，所述自主巡航模块2具体包括：导航与航迹规划模块6、推进子模块7、操纵子模块8；所述测量模块3具体包括：风速测量子模块9、船体平台运动测量子模块12、海流测量子模块16；所述能源支持模块5具体包括：蓄电池子模块19、太阳能发电子模块20。

所述船体平台运动测量子模块12，包括：角位移传感器单元13、加速度传感器单元14、数据采集单元15；所述海流测量子模块16，包括声学多普勒流速剖面仪单元17、数据采集单元18。

如图2所示为本发明所提供的一种自主航行风浪流监测浮标进行海洋风速、海浪波高与浪向、海流速度与流向的实施步骤，具体如下：

步骤(1)根据海洋观测任务需求，将浮标布放于目标海域，并设定任务指令，包括浮标航线、航速、数据采集参数；

步骤(2)当风浪流监测浮标接受任务指令后，沿着预设航线航行，与此同步，船体平台模块1搭载的测量模块3连续采集海洋风速、船体平台横摇角位移、纵摇角位移、横摇加速度、纵摇加速度和升沉加速度、海流流速测量；

步骤(3)测量模块3开始采集数据的同时，数据存储与处理模块4将测量模块3采集的数据进行实时存储，并对数据进行解算。根据船体平台横摇角位移、纵摇角位移、横摇加速度、纵摇加速度和升沉加速度信息解算海浪波高与浪向。根据多点流速解算海浪流向；

步骤(4)通过测量模块3和数据存储与处理模块4获得观测航线上的风速、海浪波高与浪向、海流流速与流向数据。将该数据在浮标上进行本地存储，同时，通过卫星通讯终端将数据回传到岸基数据中心或者作业母船。

以上所述，仅为本发明所提供的一种自主航行风浪流监测浮标的最佳实施例，并非对本发明的应用形式进行限制。本发明不限于具体实施方式的范围，凡是利用本发明技术实质和构思的发明创造、变化与修饰均在本发明的技术范围之内。

综上所述：本发明所提供的一种自主航行风浪流监测浮标，包括：船体平台模块1、自主巡航模块2、测量模块3、数据存储与处理模块4、能源支持模块5。所述自主巡航模块2具体包括：导航与航迹规划模块6、推进子模块7、操纵子模块8；所述测量模块3具体包括：风速测量子模块9、船体平台运动测量子模块12、海流测量子模块16；所述能源支持模块5具体包括：蓄电池子模块19、太阳能发电子模块20。所述船体平台运动测量子模块12，包括：角位移传感器单元13、加速度传感器单元14、数据采集单元15；所述海流测量子模块16，包括声学多普勒流速剖面仪单元17、数据采集单元18。本发明所提供的一种自主航行风浪流监测浮标，具有自主巡航功能，根据设定任务指令(航线、航速、数据采集参数)，实现大范围海域的海洋风速、海浪波高与浪向、海流速度与流速的自主、高精度观测。本发明提供的自主航行波浪监测浮标具有动力、无需使用系泊系统，可实现随船测量，同时节省了大量布放安装费用，可自主回收和重复利用，避免产生海洋垃圾。