随着海洋沉积动力学、物理海洋学、海洋气象预报等学科的发展及海洋资源开发利用的不断深化, 对长期连续、组网式的海洋物理特性观测提出了迫切需求^[1]。潜标作为海洋观测网的核心组成部分, 通过锚系结构系泊于海面以下, 可长期监测温度、压力、盐度等关键环境参数, 其获取的连续观测数据, 为水下声波传播规律研究、流场数值预报、工程地质勘探等领域提供不可或缺的基础支撑, 同时也是军事海洋学探索海洋空间的重要技术手段。

潜标的高效回收是海洋科考工作的关键环节, 直接决定了观测数据的完整性(避免设备丢失导致数据缺失)与设备的重复利用效率(降低科考成本)。然而, 潜标完成观测任务浮出水面后, 易受海洋流场、风力、潮汐等因素影响发生漂移, 在恶劣海况(浪高2~4 m, 船体颠簸剧烈)或低能见度场景(夜间、大雾、暴雨, 目视距离≤500 m)下, 传统回收技术面临显著瓶颈: 目视搜索依赖船员肉眼观察, 受环境限制大; 海水染色剂、烟火指示器等仅能提供粗略方向指引, 无法实现精确定位; 雷达探测虽可覆盖较大范围, 但对小型潜标浮体的识别精度低, 易与海浪、漂浮物混淆。这些问题导致传统方式下潜标搜索耗时久(每个平均2.5 h)、效率低, 甚至存在设备丢失风险(极端条件下丢失率可达5%~10%)。

目前, 针对潜标浮出水面后的定位回收技术, 行业内尚无成熟的标准化方案: 部分科考团队采用简易无线电信标, 但信号覆盖范围小(≤3 km)、抗干扰能力弱; 国外少量专用水面定位设备(某品牌潜标定位终端)虽精度较高, 但存在成本高昂(50~80)万元/套、体积笨重(质量≥15 kg)、安装复杂等问题, 难以适配多潜标组网观测后的批量回收需求^[2]。为此, 本文研发了基于AIS通讯与GNSS定位的潜标定位回收系统, 通过轻量化设计、智能化控制与低成本方案, 重点解决传统技术的环境局限性与应用短板, 突出系统在回收成功率、时间效率及批量适配性上的技术优势, 为潜标高效回收提供创新解决方案。潜标定位回收系统安装位置图见图 1。

1 系统概述 1.1 系统功能

潜标定位回收系统核心功能聚焦于潜标浮出水面后的快速定位与通讯, 具体包括以下两方面。

1.1.1 通讯与定位功能

系统启动后, GNSS定位模块(兼容GPS、北斗系统)实时获取潜标主浮球经纬度数据(定位精度 < 10 m, CEP95; 数据更新频率1 Hz), AIS射频芯片将经纬度、设备唯一ID、时间戳(精确到秒)封装为AIS标准报文(符合IMO AIS Class B协议), 通过全向天线以2 W功率发送(工作频率156.025~162.025 MHz)。科考船驾驶台AIS接收终端(FURUNO FA-150)可实时接收报文, 在电子海图上显示潜标绝对位置及相对船艏的方位角、距离, 支持船员快速规划回收航线^[3]。

1.1.2 双重开关机控制功能

采用“水密接插件+机械式压力开关”双重控制逻辑, 确保系统在全生命周期内的低功耗与可靠性。岸基调试阶段, 通过插拔水密接插件手动控制上电, 便于功能测试; 潜标部署后入水≥10 m(对应压力≥0.1 MPa)时, 压力开关触点断开, 系统断电进入休眠状态(年功耗≤1%), 可维持1~2 a水下休眠; 当潜标释放后上浮至距水面≤10 m(压力≤0.1 MPa)时, 压力开关触点自动闭合, 系统上电启动, GNSS与AIS模块首次响应时间≤30 s。

1.2 系统组成

系统采用圆筒状耐压仓体结构, 整体分为外部结构与内部元器件两部分, 兼顾耐压性、轻量化与信号传输稳定性, 具体组成如下。

1.2.1 外部结构

筒体: 采用PA66/MC901尼龙材质(弹性模量8.3 GPa, 泊松比0.28), 外径为80 mm, 壁厚10 mm, 长度为461.6 mm, 质量≤3 kg; 尼龙材质可避免金属对AIS/GNSS信号的屏蔽干扰, 同时具备优异的耐海水腐蚀性(盐雾测试1 000 h无锈蚀)。

密封端盖: 采用聚四氟乙烯材质, 集成水密接插件(型号: M12-5Pin, 防护等级IP68)与取压点(对应压力开关), 通过3道O型圈(氟橡胶材质, 耐温–20 ℃~ 200 ℃)+螺纹连接实现密封, 打压测试15 MPa (模拟1 500 m水深)30 min无渗漏。

安装固定槽: 筒体外侧设计标准化卡槽, 适配潜标主浮球支架的通用接口, 安装耗时≤10 min/套, 无需改造潜标原有结构。

1.2.2 内部元器件

电源存放区: 2节ER34615锂亚硫酰氯电池串联(总电压7.2 V, 容量19 000 mAh; 工作温度–55 ℃~+85 ℃, 年自放率≤1%), 支持系统连续工作≥3 h (满足潜标上浮后至回收的典型时长), 且可维持1~2 a水下休眠。

电路板存放区: 集成GNSS定位模块(型号: UBLOX NEO-7M, 冷启动时间≤30 s, 热启动时间≤2 s)与AIS射频芯片(型号: AT86RF215, 发射功率2 W, 报文传输速率9 600 bps, 误码率≤0.1%), 电路板采用三防涂层(防潮、防盐雾、防霉菌)处理。

天线存放区: 内置Ф15×153 mm全向天线(增益5 dBi, 极化方式垂直极化, 阻抗50 Ω), 天线与筒体同轴布置, 确保信号无遮挡, AIS信号最大射程≥10 km (开阔海域)潜标定位回收系统见图 2。

2 系统设计过程 2.1 建模与耐压设计 2.1.1 结构建模

筒体建模: 采用Pro/Engineer软件构建圆柱体模型, 兼顾径向耐压性能与轴向流阻优化。厚壁设计(壁厚10 mm)可提升径向抗压力能力, 圆柱结构可减少潜标下沉与上浮过程中的水流冲击(流阻系数≤0.8), 避免影响潜标姿态稳定性^[4]。耐压仓整体模型见图 3。

端盖建模: 端盖采用“阶梯式+螺纹连接”结构, 3道O型圈分别位于端盖与筒体接触的不同径向位置, 形成多重密封屏障; 取压点设计为锥形接口, 与压力开关螺纹连接, 确保压力传导精准(压力误差≤0.005 MPa)。端盖结构见图 4。

2.1.2 耐压理论计算

基于厚壁圆筒强度理论与失稳分析^[5], 针对PA66尼龙材质的耐压性能进行计算验证, 确保满足水下1 000 m深度(设计压力10 MPa)的使用需求, 具体计算过程如下:

1) 长圆筒临界压力: 采用Bresse公式(式1), 代入参数弹性模量E=8.3 GPa, 泊松比μ=0.28, 平均直径D=70 mm(外径80 mm), 壁厚S=10 mm。

$ {P_k} = \frac{{2E}}{{1 - {\mu ^2}}}{\left( {\frac{S}{D}} \right)^3}, $

(1)

式中: μ为圆筒材料的泊松比; S为圆筒材料的壁厚(mm); D为圆筒材料的平均直径(mm); E为圆筒材料的弹性模量; 计算得临界压力P_k=52.57 MPa, 远高于设计压力10 MPa, 满足长圆筒耐压要求。

2) 短圆筒临界压力: 采用Laime简化公式(式2), 代入参数长度 L=461.6 mm, 其他参数同前。

$ {P_k} = 2.6E\frac{{{{\left( {{S \mathord{\left/ {\vphantom {S D}} \right. } D}} \right)}^{2.5}}}}{{{L \mathord{\left/ {\vphantom {L D}} \right. } D}}} , $

(2)

式中: L为圆筒的计算长度(mm); 计算得临界压力P_k=25.198 MPa, 高于设计压力10 MPa, 满足短圆筒耐压要求。

3) 端盖强度计算

基于圆板弯曲应力公式(式3), 设计端盖厚度25 mm(含2倍安全系数), 代入压力P=15 MPa(极限测试压力)、端盖直径D=80 mm。其截面径向最大应力${\sigma _r}$, 最大环向应力为${\sigma _\theta }$。

$ {\sigma _r} = \frac{{3P{D^2}}}{{32{t^2}}}\left[ {\left( {1 + \mu } \right) - \frac{{4{r^2}}}{D}\left( {3 + \mu } \right)} \right], $

(3)

$ {\sigma _\theta } = \frac{{3P{D^2}}}{{32{t^2}}}\left[ {\left( {1 + \mu } \right) - \frac{{4{r^2}}}{D}\left( {1 + 3\mu } \right)} \right], $

(4)

式中: t为端盖厚度(mm); D为端盖直径(mm); R为端盖任意点的坐标值; μ为泊松比; 当r=D/2时, 应力最大, 式(3)、(4)可以调整为:

$ {\sigma _{r\max }} = - 0.19\frac{{{D^2}}}{{{t^2}}}P, $

(5)

$ {\sigma _{\theta \max }} = - \frac{{3\mu {D^2}}}{{16{t^2}}}P = \mu {\sigma _{r\max }}. $

(6)

因此端盖所承受的最大应力为:

$ {\sigma _{\max }}\left| {{\sigma _{r\max }}} \right| = 0.19\frac{{{D^2}}}{{{t^2}}}P, $

(7)

$ t = 0.43D\sqrt {{P \mathord{\left/ {\vphantom {P \sigma }} \right. } \sigma }} $

(8)

计算得端盖最大应力${\sigma _{\max }}$=18.7 MPa, 小于PA66尼龙的屈服强度(25 MPa), 确保端盖无变形或渗漏。

查阅机械设计手册常用材料的弹性模量及泊松比如表 1所示。

2.2 核心部件设计 2.2.1 电池选型

对比ER34615、ER14505、ER26500 3种锂亚硫酰氯电池的性能参数, 结合系统功耗需求(休眠电流≤1 μA, 工作电流≤500 mA), 最终选择ER34615电池, 具体对比见表 2。

通过表 2各参数对比, 可以得出ER14505适配性容量不足, 淘汰; ER26500 3.6适配性容量不足, 淘汰; ER34615适配性最佳, 满足长续航要求, 最终电池选用ER34615这一款。

2.2.2 压力开关与控制逻辑

选用ZSA-2-B-22-H1 bar机械式压力开关(量程0.02~0.2 MPa, 精度±0.005 MPa, 响应时间≤100 ms), 结合水密接插件实现系统智能控制, 系统控制逻辑见图 5。

岸基调试阶段: 插上水密接插件, 压力开关常闭触点闭合, 系统上电, 可通过串口调试工具测试GNSS定位、AIS报文发送功能, 调试完成后拔下水密接插件, 系统断电。

水下休眠阶段: 潜标部署入水后, 当水深≥10 m (压力≥0.1 MPa)时, 压力开关膜片受压变形, 触点断开, 系统断电进入休眠状态, 仅维持微功耗(≤1 μA)。

浮出启动阶段: 潜标通过声学设备释放后上浮, 当水深≤10 m(压力≤0.1 MPa)时, 压力开关膜片复位, 触点闭合, 系统上电启动, 依次激活GNSS模块(获取定位数据)、AIS模块(发送报文), 实现自动定位与通讯。

2.2.3 材料与水密防腐

材质选择: 除核心结构件(筒体、端盖)PA66/ MC901尼龙外, 取压点压力开关外壳采用316不锈钢(耐盐雾腐蚀等级≥1 000 h), 内部导线采用氟塑料绝缘线(耐温–60~200 ℃), 确保全部件耐海水腐蚀。

水密验证: 完成系统组装后, 采用高压舱进行15 MPa(模拟1 500 m水深)、30 min打压测试, 拆检后内部元器件(电路板、电池)干燥无进水, 水密接插件插合处无渗漏痕迹, 满足水密性要求。系统整体见图 6。

2.3 批量应用适配性设计

为满足多潜标组网观测后的批量回收需求, 系统通过以下技术设计实现高效适配:

轻量化与标准化安装: 整体质量≤5 kg(含电池), 仅为国外同类产品的1/3; 标准化固定槽适配主流潜标主浮球支架(如直径200、300 mm浮球), 无需定制连接件, 单套安装耗时≤10 min, 可由2名船员完成批量部署。

设备ID唯一标识: 每套系统分配唯一设备ID (10位数字编码), 并写入AIS报文字段, 科考船AIS终端可同时接收≥20套系统的信号, 在电子海图上以不同图标区分, 支持船员实时掌握多潜标位置分布, 避免混淆。

低功耗与长续航: 1~2年水下休眠能力(年自放率≤1%)可匹配潜标典型观测周期(12~24个月), 无需中途更换电池; 工作阶段连续供电≥3 h, 可覆盖潜标上浮后至回收的最长等待时间(通常≤2 h), 确保批量回收时无断电风险。

3 系统测试与验证 3.1 基础性能测试 3.1.1 岸基测试

在实验室及户外开阔场地(楼顶、近海码头、花丛)模拟海洋环境, 通过“科学”号科考船AIS接收终端(FURUNO FA-150)开展测试, 结果如下。

定位精度: GNSS定位误差≤10 m(CEP95), 在开阔场地(无遮挡)测试中, 连续100次定位数据的标准差≤3 m。

信号稳定性: 连续72 h测试, AIS信号无中断, 报文接收成功率100%, 报文误码率≤0.1%(发送10 000帧报文, 错误帧≤10帧)。

启动响应: 模拟浮出过程(压力从0.15 MPa降至0.05 MPa), 系统首次响应时间(从压力达标到AIS报文发送)≤30 s, 满足快速启动需求。岸基测试见图 7。

3.1.2 耐压与密封性测试

采用高压舱(型号: HS-1000)进行15 MPa、30 min打压测试, 测试后检查结构完整性和内部状。

结构完整性: 筒体无变形(外径变化≤0.1 mm)、开裂, 端盖密封处无渗漏痕迹。

内部状态: 拆检后电路板、电池仓干燥, 元器件无位移或损坏, GNSS与AIS模块功能正常。耐压仓打压测试装置见图 8。

3.2 长期可靠性与环境适应性测试 3.2.1 长期休眠测试

在实验室构建“低温(4 ℃)+高压(10 MPa)+高盐雾(5% NaCl溶液喷雾)”模拟环境, 系统休眠18个月, 每3个月唤醒测试1次, 关键指标见表 3。

测试结果表明, 18个月休眠后, 电池容量衰减率≤5%(设计阈值10%), GNSS与AIS功能正常, 水密性无损坏, 满足长期可靠性要求。

3.2.2 极端环境测试

依据GB/T 15408—2011《海洋仪器环境试验方法》^[6], 开展多维度环境适应性测试。

高低温测试: –30 ℃(极地场景)静置2 h后, 系统启动成功率100%, 定位精度≤12 m; 60 ℃(热带表层海水)持续工作4 h, AIS信号无中断, 电池放电效率≥90%(容量输出≥17 100 mAh)。

电磁兼容性(EMC)测试: 在30 MHz~1 GHz频段(场强30 V/m, 模拟科考船雷达干扰), AIS信号误码率≤0.1%, GPS定位无漂移, 系统自身辐射符合IMO(国际海事组织)标准。

抗冲击测试: 模拟潜标上浮冲击(1 000 g加速度, 持续10 ms), 系统结构无变形, GNSS与AIS功能正常, 满足冲击环境要求。

3.3 第三方权威验证与同行对比 3.3.1 第三方检测

将系统送国家海洋标准计量中心, 依据HY/T 254—2018《水下定位设备性能要求及测试方法》^[7]检测, 核心指标均合格, 第三方检测核心指标见表 4。

3.3.2 与国外同类系统对比

选取德国Evologics S2CR、英国Sonardyne Ranger 2进行对比试验(海况3级, 水深800 m), 与国外同类系统性能对比结果见表 5。

3.4 系统应用实践

2023年9—10月, 本系统在“科学”号科考船印太交汇圈地质航次中进行了海上试验试验海区为印太交汇圈关键海域(5°~10°N、150°~160°E), 该区域水深范围800~1 200 m, 海况以2~3级为主(浪高1~3 m), 部分时段出现4级海况(浪高3~4 m)。本次试验共部署12套系统, 分别安装于6套地震尾标(浮球直径300 mm)与6套潜标(浮球直径200 mm)的主浮球上, 具体应用情况如下。

3.4.1 试验过程

系统部署: 科考船抵达预定海域后, 通过尾A架吊放潜标, 将定位回收系统通过标准化固定槽挂载于主浮球支架, 确认安装牢固后完成潜标部署, 单套部署耗时约8 min。

潜标释放与上浮: 潜标完成12个月观测任务后, 科考船通过声学释放器(工作频率为18 kHz)发送释放指令, 潜标锚系结构脱离, 主浮球携带定位回收系统以0.5 m/s速度上浮。

定位与回收: 当浮球上浮至水深约8 m(压力≈ 0.08 MPa)时, 系统自动上电启动, GNSS模块在28 s内获取经纬度数据(7°32′15″N、155°46′30″E), AIS模块以9 600 bps速率发送报文。科考船驾驶台AIS终端(FURUNO FA-150)实时接收信号, 显示潜标相对船位: 距离范围1.2~8.5 km, 方位角0°~360°。船员根据显示信息调整航向, 以12 kn航速驶向潜标, 抵达后通过捞网完成回收, 单套潜标从发现到回收平均耗时22 min。

3.4.2 应用结果与问题

回收成功率与效率: 3套潜标全部成功回收, 回收成功率100%; 单潜标平均搜索耗时22 min, 较传统目视搜索方式(平均2.5 h)效率提升81.3%, 其中1套潜标在傍晚(能见度≤500 m)及4级海况(浪高3~4 m)下完成回收, 定位信号稳定, 无丢失或误判情况。

问题与改进方向: 试验中发现两方面问题: (1)海况4级时, 天线信号受海浪遮挡影响, 接收距离缩短至8 km(设计值10 km), 后续计划将天线增益提升至6 dBi, 优化信号穿透力; (2)水密接插件在12个月盐雾浸泡后, 插拔阻力从初始5 N增加至8 N, 后续计划将接插件密封圈材质升级为全氟醚橡胶, 降低摩擦系数与腐蚀敏感性。试验现场应用场景见图 9。

4 结论与展望

本文研发的基于AIS通讯的潜标定位回收系统, 通过结构优化、材料创新与智能化控制, 实现了以下突破与应用价值。

(1) 技术创新性: 提出“双重开关机控制”方案, 解决了长期水下休眠与浮出自动启动的矛盾, 避免人工干预; 采用尼龙材质耐压仓体设计, 兼顾轻量化(质量≤5 kg)与信号无屏蔽, 突破传统金属仓体的信号干扰瓶颈^[8]; GNSS多系统兼容设计提升了定位可靠性, 适配不同海域的卫星信号覆盖场景。

(2) 性能可靠性: 经多维度测试验证, 系统定位精度≤10 m(CEP95), 18个月休眠后性能衰减≤5%, 可适应–30~60 ℃温度范围、海况4级(浪高4~5 m)极端环境, 水密性与抗冲击性满足深海观测需求, 第三方检测核心指标全部合格。

(3) 应用高效性: 海上试验表明, 系统可将潜标回收效率提升80% 以上, 在恶劣环境下保障回收成功率100%; 单套成本仅为国外同类产品的1/5, 重量仅为1/3, 适合多潜标批量部署, 显著降低科考成本, 为海洋观测网的规模化应用提供技术支撑。

未来将从以下3方面进一步优化系统性能, 拓展应用场景:

(1) 小型化设计: 优化耐压仓结构, 采用一体化成型工艺压缩体积(目标: 外径60 mm, 长度400 mm, 质量≤3 kg), 适配微型潜标(直径≤150 mm)及浅水观测设备(水深≤500 m), 拓展至近岸海洋观测领域。

(2) 智能化升级: 增加温度、盐度传感器模块(精度: 温度±0.05℃, 盐度±0.1 psu), 将环境数据封装入AIS报文, 实现“定位+环境监测”一体化功能, 为科考数据补充表层海水参数, 提升数据附加值。

(3) 组网化拓展: 开发多系统协同定位算法, 支持潜标集群通过AIS信号实现位置信息互传与融合, 在电子海图上生成潜标分布热力图, 帮助船员优化回收航线, 提升大范围海域(≥100 km²)潜标集群的回收效率与统筹调度能力。