基于北斗铱星双星通信的海-气耦合实时观测浮标系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于北斗铱星双星通信的海‑气耦合实时观测浮标系统，包括海‑气耦合观测传感器单元，数据采集通信控制单元、锚定单元、浮标体平台、供电单元以及数据处理中心；浮标数据采集通信单元采取北斗卫星系统传输对数据安全性要求较高，对通讯量要求较低的常规块体法海气通量、上层海流剖面和浮标运行状态参数。采取铱星系统传输通讯量要求较高的高频涡动相关和高分辨率海水皮表温剖面数据。浮标可实现移动平台涡动相关法的湍流通量参数、块体法的通量参数、海水0‑1.0m高分辨率皮表温剖面、0‑70米上层海流剖面的同步实时观测。本发明专利技术是一种适用于投放在深远海的海‑气耦合观测浮标系统，具有海‑气界面观测参数多元化、数据传输安全等特点。

Air-sea Coupled Real-time Observation Buoy System Based on Beidou Iridium Double Satellite Communication

【技术实现步骤摘要】
基于北斗铱星双星通信的海-气耦合实时观测浮标系统
本专利技术涉及深海海洋探测
，具体涉及一种基于北斗铱星双星通信的海-气耦合实时观测浮标系统。
技术介绍
涡动相关法通过测定和计算物理量的脉动值(如温度、CO2、H2O等)与垂直风速的协方差求算湍流通量,其在观测和求算通量过程中几乎没有假设,被认为是现今唯一能直接测量生物圈与大气间能量与物质交换通量的标准方法。但由于海上环境复杂以及一些具体条件的限制,包括移动平台自身运动及平台对气流的作用而影响测量精度,使得涡动相关法在海上移动平台(浮标、船等)进行通量观测比在陆地上困难得多。尽管如此,这种方法仍然是海气界面湍流通量实时、自动观测的发展方向。块体法在计算海-气通量的参数化方案中，缺少海气交互层(0-1.0m)高分辨率的温度剖面数据来支撑参数化方案的优化和改进，造成块体法计算得到的感热通量与真实值相差较大。目前国际上遥感反演的SST产品的误差可<0.5K，其遥感SST产品被广泛使用。我国虽然发射了大量带热红外传感器的卫星(气象系列卫星，海洋系列卫星，环境卫星，高分卫星等)，也可以免费接收国外卫星数据，但没有高精度的SST产品，主要原因是对热红外传感器定标很困难，尤其缺少海上现场观测定标数据。海上定标的困难主要是现场测温精度低，表层温度空间分辨率不够，海上定点观测困难等。要提高我国的遥感SST产品精度，首先必须提高热红外遥感的定标精度。大洋观测浮标远离手机信号覆盖区，无法采用常规手机信号进行数据传感，解决手段多是采用卫星等进行远洋观测数据传输。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于北斗铱星双星通信的海-气耦合实时观测浮标系统。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种基于北斗铱星双星通信的海-气耦合实时观测浮标系统，包括海-气耦合观测传感器单元，数据采集通信控制单元、锚定单元、浮标体平台、供电单元以及数据处理中心；其中，所述海-气耦合观测传感器单元、数据采集通信控制单元以及供电单元均安装在所述浮标体平台上；所述供电单元分别和海-气耦合观测传感器单元以及数据采集通信控制单元相连接，以为海-气耦合观测传感器单元和数据采集通信控制单元的工作提供电量；所述浮标体平台上用于放置在海洋中，浮标体平台的底部和锚定单元相连接安装，以使得浮标平台锚定在海洋中；所述海-气耦合观测传感器单元包括：块体法通量测量模块，用于测量海-气界面块体参数，以计算出感热、潜热、动量通量；涡动相关法通量测量模块，用于测量湍流脉动信号，以在线实时计算温度脉动、水汽浓度脉动、二氧化碳浓度脉动与垂直风速脉动的协方差，得到动量、感热、潜热和二氧化碳通量；海水皮表温测量模块，用于测量不同深度的海水温度、压力数据；上层海流剖面测量模块，用于测量海流参数；数据采集通信控制单元，和所述海-气耦合观测传感器单元相连接，用于采集接收海-气耦合观测传感器单元所测量到的数据，并将所采集到的数据通过北斗铱星双星互补数据传输的通讯方式传输至数据处理中心；其中，北斗卫星通信用于传输安全性高、数据传输流量低的数据，铱星用于传输安全性低，数据传输流量高的数据；当然需要说明书的是，所述的“高”和“低”是相对而言。所述数据处理中心用于接收数据采集通信控制单元所传输来的数据，并对该数据进行对数据进行解析、存储、图形化显示和数据分发。所述的浮标体平台是为系统提供浮力、搭载测量传感器、控制系统、供电系统的平台。包括：2.4米直径的聚乙烯填充泡沫浮标体，可为系统提供3吨的净浮力；浮标上部塔架，塔架高3米，塔架上安装北斗通讯一体机、铱星天线、涡动相关通量测量单元、块体法通量测量模块、2块12V/100W的太阳能板、浮标风翼板、锚灯、雷达反射器；浮标密封舱，密封舱的最顶部是信号接插面板，中间是数据采集通讯舱，底部是电池舱；浮标底部安装支架，包括剖面海流测量单元ADP的安装支架，该支架安装在密封舱外面的最底部。0-1.0米海水皮表温高时空分辨率测量单元的安装支架，该支架的最上端安装在浮标体吃水线上20cm处。所述的块体法通量测量模块的功能是通过测量海-气界面块体参数，进而通过块体法可计算出感热、潜热、动量通量。块体法通量测量模块包括：GMX600综合气象站、SI-112红外温度传感器、NR01四分量辐射仪，可测量满足块体法计算要求的块体输入参数，包括：风速、风向、气温、相对湿度、气压、降水、海水皮温、向上短波辐射、向下短波辐射、向上长波辐射、向下长波辐射和净辐射。块体测量单元的各传感器通过指定的安装底座或支架安装在浮标塔架上。块体测量单元的传感器均由浮标密封舱内的电源系统供电，并通过相应的模拟通道、SDI通道和数据采集通讯单元连接，进行数据的双向传输。所述的涡动相关法通量测量模块的功能是通过快速响应传感器测量湍流脉动信号，进而通过在线实时计算温度脉动、水汽浓度脉动、二氧化碳浓度脉动与垂直风速脉动的协方差，得到动量、感热、潜热和二氧化碳通量，该方法是最直接的通量测量方法，也被认为是最准确的测量方法，可用来作为标准结果来优化改进块体法。涡动相关法通量测量模块包括：一体式涡动相关仪(IRGASON)、信号转换单元、惯性姿态测量单元。其中一体式涡动相关仪通过横臂安装在浮标架顶部，其指向与浮标风翼板方向相反。信号转换单元和姿态测量单元一起安装在一个密封箱内，该密封箱通过固定件固定在塔架顶部。姿态测量单元包含一个三轴倾角IMU和一个磁罗盘。姿态单元以10Hz的采样频率高频记录浮标的三维晃动姿态数据，该数据用来校正三维超声风速，获取自然地理坐标系下真实的三维风速。涡动相关通量测量单元测量仪由浮标舱内的电源系统供电，并通过SDM通讯口和数据采集通讯单元连接，进行数据双向传输。所述的海水皮表温测量模块为一根长度为1200mm的测温棒，其中测温阵列长度为1000mm，控制部件长度为200mm。测温部件由1000组热敏探头以1mm的间隔垂直排列，另外在每个热敏探头上并列安装1个压力探头用于同步测量水深。该单元通过安装支架固定在浮标体上，信号线连接到数据采集通讯单元，由该单元以30分钟的间隔定期采集0-1000mm深度的温度、压力数据，每次采集可得到1000组温度剖面和同步的1000组深度剖面数据。剖面流速测温棒由浮标舱内的电源系统供电，并通过串口和数据采集通讯单元连接，进行数据双向传输。所述的上层海流剖面测量模块为一个400Khz的超声流速剖面测量仪(ADP)，根据海-气界面观测需求设置其工作模式为：0.5米测量盲区，7米层厚，测量层数为10层，测量间隔为30分钟，每次测量3分钟，ASCII码形式输出流速剖面仪的工作状态和十层流速、流向、回声信号强度等数据。剖面流速测量仪由浮标舱内的电源系统供电，并通过串口和数据采集通讯单元连接，进行数据双向传输。该单元通过安装支架固定在浮标密封舱外面的最底部。所述的供电单元为太阳能供电单元包括：两块12V/100W的太阳能板；1个12V/20A的光伏控制器；4块12V/100Ah的铅酸蓄电池。其中1#太阳能板的正负输出端和2#太阳能板的输出端通过2.5平方毫米的电源线接到密封舱面板接插件，连接到光伏控制器的光伏输入端。1#蓄电池的正负端子通过两根2.5平方毫米的电源线并联到2#铅酸蓄电池本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于北斗铱星双星通信的海‑气耦合实时观测浮标系统，其特征在于，包括海‑气耦合观测传感器单元，数据采集通信控制单元、锚定单元、浮标体平台、供电单元以及数据处理中心；其中，所述海‑气耦合观测传感器单元、数据采集通信控制单元以及供电单元均安装在所述浮标体平台上；所述供电单元分别和海‑气耦合观测传感器单元以及数据采集通信控制单元相连接，以为海‑气耦合观测传感器单元和数据采集通信控制单元的工作提供电量；所述浮标体平台上用于放置在海洋中，浮标体平台的底部和锚定单元相连接安装，以使得浮标平台锚定在海洋中；所述海‑气耦合观测传感器单元包括：块体法通量测量模块，用于测量海‑气界面块体参数，以计算出感热、潜热、动量通量；涡动相关法通量测量模块，用于测量湍流脉动信号，以在线实时计算温度脉动、水汽浓度脉动、二氧化碳浓度脉动与垂直风速脉动的协方差，得到动量、感热、潜热和二氧化碳通量；海水皮表温测量模块，用于测量不同深度的海水温度、压力数据；上层海流剖面测量模块，用于测量海流参数；数据采集通信控制单元，和所述海‑气耦合观测传感器单元相连接，用于采集接收海‑气耦合观测传感器单元所测量到的数据，并将所采集到的数据通过北斗铱星双星互补数据传输的通讯方式传输至数据处理中心；其中，北斗卫星通信用于传输安全性高、数据传输流量低的数据，铱星用于传输安全性低，数据传输流量高的数据；所述数据处理中心用于接收数据采集通信控制单元所传输来的数据，并对该数据进行对数据进行解析、存储、图形化显示和数据分发。...

【技术特征摘要】
1.一种基于北斗铱星双星通信的海-气耦合实时观测浮标系统，其特征在于，包括海-气耦合观测传感器单元，数据采集通信控制单元、锚定单元、浮标体平台、供电单元以及数据处理中心；其中，所述海-气耦合观测传感器单元、数据采集通信控制单元以及供电单元均安装在所述浮标体平台上；所述供电单元分别和海-气耦合观测传感器单元以及数据采集通信控制单元相连接，以为海-气耦合观测传感器单元和数据采集通信控制单元的工作提供电量；所述浮标体平台上用于放置在海洋中，浮标体平台的底部和锚定单元相连接安装，以使得浮标平台锚定在海洋中；所述海-气耦合观测传感器单元包括：块体法通量测量模块，用于测量海-气界面块体参数，以计算出感热、潜热、动量通量；涡动相关法通量测量模块，用于测量湍流脉动信号，以在线实时计算温度脉动、水汽浓度脉动、二氧化碳浓度脉动与垂直风速脉动的协方差，得到动量、感热、潜热和二氧化碳通量；海水皮表温测量模块，用于测量不同深度的海水温度、压力数据；上层海流剖面测量模块，用于测量海流参数；数据采集通信控制单元，和所述海-气耦合观测传感器单元相连接，用于采集接收海-气耦合观测传感器单元所测量到的数据，并将所采集到的数据通过北斗铱星双星互补数据传输的通讯方式传输至数据处理中心；其中，北斗卫星通信用于传输安全性高、数据传输流量低的数据，铱星用于传输安全性低，数据传输流量高的数据；所述数据处理中心用于接收数据采集通信控制单元所传输来的数据，并对该数据进行对数据进行解析、存储、图形化显示和数据分发。2.如权利要求1所述的基于北斗铱星双星通信的海-气耦合实时观测浮标系统，其特征在于，所述浮标体平台包括浮标体、安装在浮标体上的浮标塔架以及密封舱；其中，在所述浮标塔架上安装有北斗通讯一体机、铱星天线、涡动相关通量测量模块、块体法通量测量模块、太阳能板、浮标风翼板、锚灯以及雷达反射器；所述密封舱的最顶部是信号接插面板，中间是数据采集通讯舱，底部是电池舱。3.如权利要求1所述的基于北斗铱星双星通信的海-气耦合实时观测浮标系统，其特征在于，所述块体法通量测量模块包括综合气象站、红外温度传感器、四分量辐射仪；所述综合气象站测量风速、风向、相对湿度、气压、降水、气温；所述红外温度传感器用于海水皮温；所述四分量辐射仪用于测量向上短波辐射、向下短波辐射、向上长波辐射、向下长波辐射和净辐射。4.如权利要求2所述的基于北斗铱星双星通信的海-气耦合实时观测浮标系统，其特征在于，所述涡动相关法通量测量模块包括体式涡动相关仪、信号转换单元、惯性姿态测量单元；其中，所述一体式涡动相关仪通过横臂安装在浮标塔架顶部，其指向与浮标风翼板方向相反；信号转换单元和姿态测量单元一起安装在一个密封箱内，该密封箱通过固定件固定在浮标塔架顶部；姿态测量单元包含一个三轴倾角IMU和一个磁罗盘；姿态单元以10Hz的采样频率高频记录浮标的三维晃动姿态数据，该数据用来校正三维超声风速，获取自然地理坐标系下真实的三维风速。5.如权利要求2所述的基于北斗铱星双星通信的海-气耦合实时观测浮标系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：周峰华，谢强，王东晓，隋丹丹，陈举，陈偿，何云开，邢焕林，
申请(专利权)人：中国科学院南海海洋研究所，
类型：发明
国别省市：广东,44