浮标式黑匣子信标定位系统的研制报告.doc

材料费预算明细表项目名称： 分布式黑匣子水下搜寻定位技术研究及样机研制项目负责人：梁国龙 金额单位：万元序号材料名称单位单价预计数量金额与研究任务的关系和必要性（一）搜寻定位支撑保障子系统1模型库与数据库处理机台2.812.8用于运行模型库与数据库，是搜寻定位支撑保障子系统的载体。（二）信息处理控制子系统1系统综合显控处理机台2.625.2用于显示系统运行状态及控制搜寻探测子系统和精确定位子系统。2处理机主机台2.6525.3联合信号处理板对各子系统信息进行处理。3信号处理板块3.627.2对控制搜寻探测子系统和精确定位子系统采集的水声信号进行处理。4主控板块3.527控制信息处理控制子系统各模块工作状态。（三）通信子系统1通信基站电台个4.829.6实时接收搜寻探测子系统和精确定位子系统发送的数据。2通信基站无线电功放个3.727.4对通信基站电台发射的无线电信号进行放大，提高作用距离。3通信基站电台天线只3.2426.48接收及发射无线电信号，实现通信功能。4北斗指挥机个4.9529.9通过北斗卫星实现对搜寻探测子系统和精确定位子系统的遥控。5北斗指挥机天线只3.627.2接收及发射北斗卫星信号。6基站显控处理机台4.829.6对系统内各浮标的回传数据进行分类汇总，传送给信息处理控制子系统。7浮标无线数传电台个0.46209.2安装于浮标上，用于回传浮标接收到的声学信号。8浮标无线电功放个0.49209.8放大无线电信号，提升作用距离。9浮标无线电天线、馈线只0.4208发射及接收无线电信号。10浮标通信控制板块0.42208.4将浮标水听器阵接收到的声信号打包发给无线数传电台。11北斗接收机个0.48209.6接收北斗指挥机发出的控制指令。（四）搜寻探测子系统1搜寻探测浮标水听器阵压电陶瓷片套0.8129.6用于制作搜寻探测浮标水听器阵。2搜寻探测浮标水听器阵镀银电极片套0.4124.8用于水听器阵的陶瓷片装配。3水听器灌封聚氨酯及粘接剂套0.2122.4用于搜寻探测浮标水听器阵的粘接与灌封。4搜寻探测浮标水听器阵水密接插件个0.8129.6用于水听器阵与承重电缆电连接。5水听器阵支架个0.7128.4用于固定浮标水听器阵。6水听器转接法兰及紧固件套0.3123.6将水听器阵支架与承重电缆接插件连接。7信号处理板块0.75129对水听器阵接收到的信号进行处理，检测信标信号的有无。8水声接收及采集板块0.8129.6对水听器阵接收到的信号进行放大滤波处理，并转换为数字信号。9数据存储板块0.75129存储水听器阵接收到的信号及浮标运行状态数据，方便事后处理。10电源管理板块0.8129.6为浮标电子舱内各单元提供电源管理功能。11电子舱母板块0.7128.4连接浮标电子舱内各电路板，实现数据交换功能。12预处理及接口处理板块0.8129.6用于将GPS、深度传感器和方位姿态仪数据打包传送给浮标通信控制板。13深度传感器个0.81129.72用于测量水听器阵深度。14方位姿态仪个0.8129.6用于测量水听器阵的朝向及姿态。15承重电缆条0.82129.84将水听器阵与浮标电子舱连接，将电信号传输至电子舱中。16承重电缆水密接插件个0.8129.6用于承重电缆与水听器阵水密接插件的连接。17电池组个0.78129.36为电子舱内各单元供电。18电子舱个0.4124.8用于固定搜寻探测浮标内部的电路板。19浮体个0.4124.8为浮标提供浮力。20浮标壳体个0.81129.72内部安装电子舱，提供水密保护。21浮标法兰管个0.6127.2浮标整体支撑机械结构，并固定浮体。22浮标天线架个0.5126与法兰管连接，用于安装GPS/BD天线和数传电台天线。23GPS/BD接收机个0.8129.6接收GPS/BD导航数据，提供浮标自身经纬度信息。24GPS/BD接收机天线只0.55126.6接收GPS/BD卫星信号。25航标灯个0.1121.2方便夜间回收浮标作业。26铅鱼个0.2122.4安装于水听器阵底部，与浮体一起保证浮标姿态。27浮球个0.1242.4为浮标提供额外浮力，供浮标浮力测试之用。28布放浮标绞车台4.714.7用于布放及回收浮标。29绞盘个0.12121.44安装于绞车上，用于布放及回收浮标。（五）精确定位子系统1精确定位水听器阵压电陶瓷片套1.289.6用于制作精确定位浮标水听器阵。2精确定位水听器阵镀银电极片套0.483.2用于水听器阵的陶瓷片装配。3水听器灌封聚氨酯及粘接剂套0.281.6用于精确定位浮标水听器阵的粘接与灌封。4搜寻探测浮标水听器阵水密接插件个0.886.4用于水听器阵与承重电缆电连接。5精确定位水听器阵支架个0.684.8用于固定浮标水听器阵并与承重电缆连接。6水听器转接法兰及紧固件套0.382.4将水听器阵支架与承重电缆接插件连接。7多通道信号处理板块1.289.6对水听器阵接收到的信号进行处理，检测信标信号的有无。8信号接收及采集板块1.2389.84对水听器阵接收到的信号进行放大滤波处理，并转换为数字信号。9数据存储板块1.2489.92存储水听器阵接收到的信号及浮标运行状态数据，方便事后处理。10电源管理板块0.987.2为浮标电子舱内各单元提供电源管理功能。11电子舱母板块1.188.8连接浮标电子舱内各电路板，实现数据交换功能。12预处理及接口处理板块1.1589.2用于将GPS、深度传感器和方位姿态仪数据打包传送给浮标通信控制板。13深度传感器个0.8186.48用于测量水听器阵深度。14三维姿态仪个1.289.6用于测量水听器阵的朝向及姿态。15承重电缆条1.188.8将水听器阵与浮标电子舱连接，将电信号传输至电子舱中。16承重电缆水密接插件个0.886.4用于承重电缆与水听器阵水密接插件的连接。17电子舱个0.483.2用于固定精确定位浮标内部的电路板。18电池组个1.289.6为电子舱内各单元供电。19浮体个0.584为浮标提供浮力。20浮标壳体个0.987.2内部安装电子舱，提供水密保护。21浮标法兰管个0.684.8浮标整体支撑机械结构，并固定浮体。22浮标天线架个0.584与法兰管连接，用于安装GPS/BD天线和数传电台天线。23高精度GPS/BD接收机个1.289.6接收GPS/BD导航数据，提供浮标自身经纬度信息。24高精度GPS/BD接收机天线只0.886.4接收GPS/BD卫星信号。25航标灯个0.180.8方便夜间回收浮标作业。26铅鱼个0.281.6安装于水听器阵底部，与浮体一起保证浮标姿态。27浮球个0.1161.6为浮标提供额外浮力，供浮标浮力测试之用。（六）海洋水文测量子系统1温盐深测量仪个919用于测量温度和盐度等水文数据，为精确定位系统提供支撑。2声速剖面仪测量绞车台414用于吊放温盐深测量仪，方便水文测量。（七）配套设备1电池充电器台0.351.5给浮标电池充电及保养维护。2浮标功能检测仪机箱个122内部安装多通道任意波形发生卡用于快速检测浮标功能。3多通道任意波形发生器卡块4.829.6根据设置参数模拟水听器阵接收信号，用于快速检测浮标功能。4浮标功能检测仪电缆及接插件条144将浮标功能检测仪与浮标进行连接。5标准声源发射换能器个3.5527.1用于模拟发射信标脉冲信号，8.8kHz和37.5kHz各一个。6发射换能器承重电缆条3.126.2连接发射换能器与标准声源机箱。7标准声源功放个3.326.6将单通道任意波形发生器卡产生的信号进行放大，推动换能器发声。8单通道任意波形发生器卡块2.625.2模拟产生黑匣子信标发射的脉冲信号，8.8kHz和37.5kHz各一个。9标准声源机箱个1.8523.7用于安装单通道任意波形发生器卡和功放。累计550.8三、 报告正文（一）立项依据1. 研制设备的重要性和必要性2014年3月8日，马来西亚航空公司MH370航班从吉隆坡机场起飞后，与地面失去联系。后证实，MH370航班已失事，坠入海中。截至2016年3月，搜寻过程已持续2年，超过25个国家参加，但仍未找到失事客机。我国也参与了此次搜救，但未有实质性的发现。这次搜救虽无功而返，却也暴露了我国对民航失事飞机水下搜寻能力的薄弱，与美国、澳大利亚等国家出动的搜寻设备相比，我国的搜寻设备在技术和手段方面均很落后。现今，世界上的各种军用和民用飞机均已安装驾驶舱话音记录器(Cockpit Voice Recorder)和飞行数据记录器(Flight Data Recorder)，俗称为“黑匣子”，寻找失事飞机黑匣子对失事飞机搜救和事故原因分析具有重要意义。驾驶舱话音记录器主要记录机组人员和地面的通话，机组人员之间的通话以及驾驶舱内出现的各种声响等。飞行数据记录仪主要记录飞机的各种飞行数据，包括飞行姿态、飞行轨迹、飞行速度、加速度、经纬度、航向以及作用在飞机上的各种外力，如阻力、升力、推力等共约200多种数据，可保留25小时飞行参数。黑匣子具有极强的抗高温、抗冲击、耐压、耐海水腐蚀能力，即使飞机已完全损坏，黑匣子里德记录数据也能保存完好。为保证飞机失事坠海后仍能找到黑匣子，现在的黑匣子中安装有水下定位信标(Underwater locator beacon)，信标在入水后自动激活，发射周期性脉冲信号，便于在水下实现对黑匣子的定位。图1所示为Honeywell公司所生产的黑匣子，其中白色箭头所指就是水下定位信标。图1 Honeywell公司所生产的黑匣子黑匣子所安装的水下定位信标主要由Dukane Seacom和Teledyne Benthos这两家公司生产，其外形如图2(a)和图2(b)所示。(a) Dukane Seacom公司生产的DK系列水下定位信标(b) Teledyne Benthos公司生产的ELP-362D水下定位信标图2 水下定位信标外形根据国际自动机工程师学会（SAE International）颁布的AS8045标准和美国联邦航空管理局（FAA）颁布的TSO-C121a标准规定，水下定位信标入水后自动激活，发射声脉冲信号频率为37.5kHz，脉冲宽度为9ms，声源级为160.5dB（dB re 1mPa1m），脉冲重复周期为0.9个/s，持续工作时间为30天。由于信标发射信号频率较高，且声源级较低，因此信标作用距离有限，水下搜寻与定位黑匣子难度较大。2009年6月1日，法航447航班在巴西圣佩德罗和圣保罗岛屿附近坠毁，机上人员全数罹难。事发后第五天，巴西海军就找到了飞机的大型残骸及两具尸体，但未能在30天内找到两个黑匣子。直到2011年5月才在大西洋海底找到黑匣子，此时搜寻过程已花费2年时间和超过5000万美元。此次空难后，法航公司建议将黑匣子的信标工作时间由30天延长至90天。随后，国际自动机工程师学会和美国联邦航空管理局颁布新标准AS8045A和TSO-C121b，规定2015年3月1日后所安装的声信标工作时间为90天。此外，为进一步提高对水下定位信标的探测距离，国际自动机工程师学会还发布了AS6254标准，规定需要在飞行器外壳上直接安装一个低频信标，发射声脉冲信号频率为8.8kHz，脉冲宽度为10ms，声源级为160dB（dB re 1mPa1m），脉冲重复周期为0.1个/s，持续工作时间为30天。为搜寻水下定位信标，RJE公司和Teledyne Benthos公司分别生产了相应的信标定位仪，如图3所示。(a) RJE公司生产的PRS-275信标定位仪(b) Teledyne Benthos公司生产的DPL-275XS信标定位仪图3 水下信标定位仪信标定位仪由水听器、安装杆、水声接收机和耳机等部件组成，使用电池供电。在定位时，使用安装杆将水听器放于水下，操作员头戴耳机，将水声接收机的信号频率调整至37.5kHz，手动转动水听器，通过接收信号的大小来实现对信标的搜寻，搜寻效率较低。此次我国所派出的搜救船只主要装配了此种定位仪，如图4所示。图4 我国搜救队使用信标定位仪搜寻黑匣子除使用标配的信标定位仪外，澳大利亚搜救队还使用了美国海军提供的TPL-25拖曳声波定位仪，如图5所示。图5 TPL-25拖曳声波定位仪TPL-25拖曳声波定位仪安装有三维电子罗盘、温度和压力传感器、水听器和带通滤波器，探测距离约为3km。接收信号频段为1kHz-50kHz，带通滤波器的频率可调，通过电缆将接收信号传输至船上，使用数据采集设备对接收信号进行记录。搜寻信标时，使用安装有绞车的船只拖曳这种声波定位仪，以5节以下的速度航行，通过控制船只机动，实现对待搜索海域的覆盖。这种声波定位仪通过绞车代替了人工操作，大大提高了搜寻效率。此外，澳大利亚还使用了空投声呐浮标来搜寻信标，通过P-3巡逻机携带多枚声呐浮标，空投至待搜索海域。浮标入水后自动展开，使用水听器阵对信标信号进行监测，将接收到的信号使用无线电回传到巡逻机上的处理中心。通过多枚声呐浮标实现对搜索区域的覆盖。声呐浮标如图6所示。图6 P-3巡逻机装备的声呐浮标及其展开结构不论是拖曳声波定位仪还是声呐浮标，我国都没有专用的黑匣子信标搜寻产品。从这次MH370航班搜救过程可以看出，我国在水下黑匣子搜寻与定位领域还存在较为明显的短板。亡羊补牢，未为晚也。开展水下黑匣子信标搜寻定位技术与设备研究非常必要。2研制内容与方案国外已装备的水下黑匣子搜寻定位设备大致分为两类：一类是拖曳式声波定位仪，另一类是声呐浮标。使用拖曳式声波定位仪需要在船只上安装绞车和相应的控制设备，结构较为复杂；同时，如果声波定位仪距离船只较近，容易受到行船噪声的干扰，使得探测信标的能力减弱，作用距离减小；另外，拖曳声波定位仪进行航行时，航行速度不高，搜索某一海域时，需要进行多次走航，实现对海域的覆盖，工作时间较长。空投式声呐浮标需要出动专用的空投飞机，此外，回收浮标时，需要派出船只进行协同工作。浮标回收后，还需要再次使用飞机进行投放，工作流程较为复杂。而且，上述仪表均不具备对目标的精确定位能力、这对搜索效能极为不利。因此，我们改变浮标的工作模式，直接采用船只进行布放与回收机制，简化了工作流程，降低了实施难度，同时增加的精确定位工作模式。2.1 系统构成分布式黑匣子信标水下搜寻定位系统主要由以下7个部分组成： (1) 搜寻定位支撑保障子系统(2) 信息处理控制子系统(3) 通信子系统(4) 搜寻探测子系统(5) 精确定位子系统(6) 海洋水文测量子系统(7) 配套设备其中，信息处理控制子系统2套，搜寻探测子系统标准配备为12个浮标/套，可回收使用。精确定位子系统标准配备为6个浮标/套，可回收使用。其余子系统等均为1套。整个系统共计35台/套设备，16个软件功能模块。各子系统信息关系图如图7所示。图7 子系统信息关系图飞机失事后，先使用搜寻定位支撑保障子系统，根据历史航迹、风速、洋流等海洋环境参数，经模型推算出失事坠毁大致海域，并计算出需布放的搜寻探测浮标数目和位置。第一阶段，使用船只布放多个搜寻探测浮标，搜寻到黑匣子的大致区域后，将搜寻结果通过通信子系统上传至船载信息处理控制子系统。同时使用搜寻定位支撑保障子系统，计算出需布放精确定位浮标数目、位置，制定布放方案。第二阶段，布放精确定位浮标，测量数据并上传至船载信息处理控制子系统，结合海域实时水文数据测量结果，实现对黑匣子的精确定位。在浮标工作时，通信子系统实现对各个浮标信号的接收和系统工作参数的监测。系统工作流程如图8所示：图8 系统工作流程图2.2 主要技术指标探测信标信号频率：8.8kHz/37.5kHz双频可选。系统启动时间：2分钟（从最后一个浮标布放完成后至系统开始定位搜索为系统启动时间）。搜索范围：15km宽度的海域，在2节流的条件下，每小时搜索范围54km2。搜索斜距：对37.5kHz信标3000m；对8.8kHz信标5000m。搜索精度：以黑匣子信标为中心直径1km的圆形区域。定位精度：斜距的3%。数传电台传输距离：7km。数传电台工作频段：2.4GHz ISM频段。浮标连续工作时间：24小时。布放海况要求：不超过4级海况（浪高2.5m以下）。任务海域风力要求：8级风以下。工作温度：050。贮存温度：-2065。2.3子系统工作原理2.3.1 搜寻定位支撑保障子系统搜寻定位支撑保障子系统，通过飞机历史航迹数据及风速和海洋环境数据，应用海洋环境等模型，分析飞机失事海域大致范围，并根据计算结果确定布放搜寻探测浮标个数和布放坐标。此外，在回收浮标时，使用保障子系统对海上回收船只进行引导，方便回收工作。图9 搜寻定位支撑保障子系统框图子系统如图9所示，主要由以下模块组成：(1) 布放控制支撑模块：根据飞机历史航迹数据和风速、海流等参数，对失事飞机可能所在区域提供先验知识。同时，计算得到待搜索海域需要布放搜寻探测浮标的个数，以及各个浮标的坐标与覆盖范围。(2) 回收引导模块：在完成搜索海域后，需要对浮标进行回收。这一模块可以通过通信子系统获得各个浮标的位置，为回收浮标提供技术保障。(3) 模型库模块：具有海洋环境分析模型、布放分析计算模型，水声传播模型等。海洋环境分析模型主要是分析海洋水文气象要素对浮标布放的综合影响，降低浮标布放误差，提高浮标搜寻准确率；布放分析计算模型主要是计算搜寻的范围和布放数量；水声传播模型主要对声传播途径进行模拟，分析单个浮标听测作用距离，并结合测量的水文数据提高定位精度。(4) 综合信息融合显示模块：将各模块计算的数据和信息进行融合综合显示，并提供以往相关案例库的信息支撑。(5) 数据库模块：存储多个相关海域海洋气象要素和海底地形地貌等相关数据，提供其它模块工作时的数据支持。搜寻定位支撑保障子系统是一套软件，可以安装于数据服务器中。2.3.2 信息处理控制子系统信息处理控制子系统安放于测量母船上，负责分析处理搜寻探测子系统和精确定位子系统所回传的数据，通过融合各个浮标的数据来实现对黑匣子信标的搜寻和定位功能。主要由以下功能模块组成，如图10所示：(1) 浮标信息融合处理模块：将多个浮标回传信息进行融合，对搜寻探测子系统回传的搜索结果进行判断和评估，确定信标所处大致范围；对精确定位子系统回传的测量结果进行融合，实现对信标位置的定位解算。(2) 浮标状态监测控制模块：用于监测各个浮标是否工作正常，能否进行可靠的数据传输，必要时可以对浮标工作状态进行干预。(3) 事后处理分析比对模块：实时存储数据进行事后案例分析，用于校正模型库的模型分析精度，为提高搜寻和定位精度提供数据支撑。(4) 综合显控模块：实现人机接口交互功能，实现对信息处理控制系统的综合显示。(5) 显示台：用于显示对黑匣子信标的搜寻和定位结果。(6) 通信模块：实现与通信分系统的信息交互，对各个浮标进行工作状态及参数控制。图10 信息处理控制子系统框图2.3.3 通信子系统通信子系统实现搜寻探测子系统、精确定位子系统与信息处理控制子系统之间的通信与信息交互。设备由浮标上配备的无线数传电台、北斗系统和指挥所配备的通信网络控制台组成。通信子系统框图如图11所示，主要由以下功能模块组成：(1) 无线数传天线和北斗天线：实现对无线电信号和北斗卫星信号的发射与接收。(2) 无线数传电台：用于指挥所与浮标间的无线数据交互。(3) 北斗指挥机和北斗接收机：用于北斗通信范围内指挥所与浮标间的卫星数据交互。(4) 通信网络控制台：实现对多个浮标数传电台的信道划分与网络管理功能。 图11 通信子系统框图2.3.4 搜寻探测子系统搜寻探测子系统主要用于实现对黑匣子信标可能海域进行搜索。搜寻探测子系统主要由数个搜寻探测浮标组成，通过船只布放多个浮标实现对搜索海域的覆盖。在进行布放前，利用风向、风力、流速，使用海洋环境模型实现对待搜索海域的模拟，分析计算得到黑匣子的可能范围，制定浮标布放方案。如图12所示，假设待搜索海域的流速为2节，方向为正北。布放12个搜寻探测浮标，实现对宽度为15km待搜索海域的搜索，每小时搜索能力为54平方公里。当海流使浮标的间距发生变化，阵型不理想时，可以使用搜寻定位支撑保障子系统进行计算，回收部分浮标再次布放来进一步完善阵型，提高搜索覆盖范围。 图12 搜寻探测浮标覆盖示意图当检测到信标发射的声信号后，搜寻探测浮标利用空间波束扫描和跟踪，实现对黑匣子信标位置的粗略定位，以确定精确定位范围，位置搜寻精度为1km。搜寻探测浮标使用水听器阵检测黑匣子上的信标所发射的声信号。浮标安装有GPS/北斗定位模块和方位姿态仪，定时将浮标位置和测量结果使用无线数传和北斗数据机回传至通信子系统。典型搜寻探测浮标的结构如图13所示，主要由GPS/北斗天线、数传电台天线、浮体、电子舱、承重电缆和水听器阵组成。其中电子舱、承重电缆和水听器阵是水下部分，浮体用于提高浮标浮力和保持浮标平衡。图13 搜寻探测浮标主要结构及水听器阵元分布示意图水听器阵拟采用17元十字阵，阵元分布如图13所示。搜寻8.8kHz信标时，使用、和所构成的5元阵；搜寻37.5kHz信标时，使用、和所构成的13元阵。电子舱是搜寻探测浮标的核心功能部分，它负责对水下声信号的检测与处理，记录GPS/北斗定位系统和方位姿态仪给出的浮标参数数据以及检测到的信号参数，通过无线数传电台和北斗数据机与通信子系统进行实时通信，接收并回复信息处理控制子系统所发出的指令。电子舱中主要包含声学处理单元，通信单元，主控单元，方位姿态仪（罗经），供电单元五个主要部分。声学处理单元接收水听器阵所采集的水下声信号，使用信号检测算法及波束扫描方法实现对信标信号有无的判断，并对目标进行测向。通信单元把信号检测结果和GPS/北斗定位数据通过数传电台和北斗数据机回传至通信子系统，同时对信息处理控制子系统所发出的指令进行解析和处理。主控单元负责浮标内各功能单元的管理，以及工作状态监测，并执行信息处理控制子系统所发出的控制指令。供电单元对电子舱内的各单元进行供电，保障系统工作时间。在设计与研制搜寻探测浮标时，需要考虑以下设计因素：(1) 便于进行布放：使用船只进行浮标布放作业时，可以使用人力或船载吊车进行布放作业。因此浮标的体积及重量应尽量小。同时为了保障浮标布放后能够可靠工作，应采用密度较小且具有较高强度，又便于加工的材料制作。(2) 抗风浪设计：浮标受风浪的影响会产生摇摆，会直接影响到无线电通信的稳定性。通过对浮标浮心和重心的合理设计，使浮标具有抗风浪、抗倾斜能力，这样有助于天线保持良好的向上姿态，提高通信质量。(3) 防腐蚀和水密设计：浮标工作在海面上，会受到海洋大气及海水的侵蚀。因此，浮标壳体和各部分结构件必须做好防腐蚀和密封处理。(4) 方位姿态修正：浮标水听器阵工作时，受海流影响，其轴线方向实时变化，而方位测量结果受到轴线方向的影响。因此需要使用方位姿态仪的输出数据对测量结果进行方位姿态修正，将测量结果转换为真实大地坐标下的方位，实现对信标的粗定位。2.3.5 精确定位子系统使用搜寻探测子系统对信标粗定位后，可以在初测信标位置附近布放精确定位浮标。精确定位浮标在接收到黑匣子信标所发射的声信号后，将信号参数及浮标姿态参数回传至信息处理控制系统，结合实测水文数据进行定位解算，实现对信标的精确定位。经过搜寻探测子系统定位后，黑匣子的范围应缩减至直径为1km左右的一个圆形区域内。此时可以布放6个精确定位浮标，在直径为1.5km的圆周上均匀分布，如图14所示。正常情况下，即可实现对信标的精确定位。如果由于海流的作用，使得阵型分布不理想，可以通过搜寻定位支撑保障子系统进行计算，回收部分精确定位浮标再次布放来进一步完善阵型，提高定位精度。 图14 精确定位浮标典型分布图经理论分析和仿真验证，对黑匣子精确定位并不需要阵型规整，只需实时采集浮标当前位置信息，且目标位于对个浮标所覆盖的区域即可。由于每个浮标上都装有GPS/北斗接收机，这个要求不难满足。因而，通常情况下是不需要重布浮标调整阵型的。精确定位子系统由数个精确定位浮标构成。单个精确定位浮标主要由高精度水听器阵、电子舱、浮体、无线电天线和GPS/北斗天线构成。电子舱内主要包括声学定位处理单元、主控单元、通信单元、三维姿态仪、电台/北斗数据机和供电单元六个部分。声学定位处理单元对高精度水听器阵接收得到的水下声信号进行采集，并对信标信号进行检测，测量水听器阵中各阵元接收到信号的时延差，进行信标位置解算。通信单元负责将声学存储与处理单元得到的测量结果，结合浮标自身经纬度和三维姿态仪数据，上传至通信子系统，并对信息处理控制子系统所发出的指令进行进行解析和处理。主控单元负责浮标内各功能单元的管理，以及工作状态监测，并执行信息处理控制子系统所发出的控制指令。供电单元对电子舱内的各单元进行供电，保障系统工作时间。2.3.6 海洋水文测量子系统海洋中的声传播受到温度、深度压力和盐度等因素的影响，由于不同深度的声速不同，产生了声速梯度，造成声传播路径的弯曲。因此，在对黑匣子信标进行精确定位时，必须要有海洋水文测量系统实时测量水文数据。海洋水文测量子系统由温盐深测量仪和测量辅助设备组成，通过船只定点测量得到失事海域不同深度的水文数据。为系统使用提供海洋水文数据支撑。2.3.7 配套设备配套设备用于对搜寻定位系统的保养及功能测试，主要有以下3类设备。(1) 电池充电器：对搜寻探测浮标和精确定位浮标中电池进行充电，保障系统工作时间。标准配置5台电池充电器。(2) 浮标功能检测仪：实现对浮标设备功能的快速检测，方便日常管理工作。按照功能分为两种，分别对应于搜寻探测浮标和精确定位浮标，每种1台，共2台。(3) 检测及校准用标准声源：用于模拟黑匣子信标的发射信号，频率为8.8kHz和37.5KHz，声源级160.5dB，脉冲宽度为10ms，周期可设置为1s或1.11s。主要用于测试搜寻探测子系统和精确定位子系统功能，8.8kHz和37.5kHz各一台。2.4 质量保证哈尔滨工程大学船大工程技术设计研究院于2000年通过了ISO9000国际质量体系认证和GJB9001A-2000质量体系认证，并于2004年双双通过2000版换版认证，是国内首家通过“双认证”的大学，标志着我校科研产品的质量管理已经与世界接轨。针对项目的设计开发、软硬件调试、检验与试验、安装等过程，将严格按照质量体系的要求对整个研制过程进行监督管理，成立以主管领导挂帅，以主要技术人员为核心，可靠性、环境试验、标准化人员参加的研制任务组，编制质量保证大纲和可靠性保证大纲，规定产品设计、生产、试验全过程的质量控制要求，严格进行技术设计评审，规范设计开发生产活动，以确保产品达到质量目标。外购部件采用易购置、系列化、通用化、模块化标准器件，在保证产品主要技术性能指标的前提下，最大限度地采用现行的国家标准和行业标准。同时，为保证本系统的研制质量和提高可靠性，还将采取以下一些措施：(1) 采用高性能的电子元器件及水密接插件，以保障设备的研制质量。(2) 系统具备完善的自检功能。具体的自检措施和手段包括： 信息处理控制子系统通过通信子系统遥控自动检测各子系统性能，并记录子系统性能参数； 信息处理控制子系统可实时在线分析设备故障，准确定位故障部位； 有故障报警提示； 浮标具有低电压报警和漏水报警功能。(3) 水下结构设计尽量简洁、适用，并具有防碰撞保护措施。设计上充分考虑了海上作业人员和设备的安全，能在4级海况进行浮标安全布放回收。(4) 设备上涉及人身安全的部位，有醒目的安全标志。(5) 浮标上配备航标灯，便于夜间监控和回收。浮标具有良好的垂直稳定性，以保证通信子系统的通信的质量和作用距离。(6) 软件编制符合软件设计系列标准，显控程序运行可靠。(7) 配套测试设备、仪表、工具齐全，技术资料及其它附件完整。(8) 产品设计最大限度地采用现行的国家标准和行业标准。(9) 为保障系统的使用寿命和可靠性，系统各部件及各固紧接插件、接口均采用防锈、防腐蚀材料。(10) 系统级辅助设备包装箱，采用铝制包装箱，坚固耐用，运输安全、轻便。2.5 技术风险分析本系统采用分布式浮标作为测量主体。浮标阵所采用的主要电子器件平台在本单位均已是较成熟技术，已在多次海试中得到验证。通信子系统设计和数据传输功能也已在海上试验中得到验证，技术风险不大。本单位已成功研制多套基于浮标的水声定位系统，积累了宝贵而丰富的工程经验，主要关键技术经过了较充分的验证，大大提升了关键技术的成熟度，为本系统的研制打下了良好的技术基础，大大降低了本项目的研制风险。3拟解决的关键科学和技术问题（特点、难点及创新）分布式黑匣子信标水下搜寻定位系统研制的主要技术难点有以下4个：(1) 搜寻定位支撑保障子系统中海洋环境模型的研发海洋环境模型以风速，洋流等数据作为输入参数，根据失事飞机历史航迹推算搜索海域范围和相应的搜寻浮标布放方案。国内尚没有成熟产品，需要新研开发，进行相应仿真研究，难度相对较大。(2) 多个子系统集成，协同工作研制分布式黑匣子信标水下定位系统在国内尚属首次，如何实现系统集成，使得多个子系统协同工作，互相提供支撑，是系统研制工作的主要难点之一，尽管申请人团队已有良好的技术储备，仍需经模拟测试和海上实验验证。(3) 提高搜寻探测子系统的搜寻范围黑匣子配备的水下定位信标发射频率为37.5kHz，发射功率为160.5dB，该声信号在水中传播时能量衰减较快，远距离大范围搜寻，需配备较多的水听器形成阵列，搜寻探测子系统需具备强大的声学信号处理能力，同时借助于分布式浮标阵以显著提高搜寻定位范围。(4) 精确定位子系统定位精度要精准确定黑匣子位置，需要至少三个以上浮标同时接收处理分析黑匣子信标信号。需要研发高精度的定位解算模型，辅助以高效的浮标方位及姿态补偿技术才能有效实现，是研制难点之一。4方案可行性分析针对分布式黑匣子信标水下搜寻定位系统研制的主要技术难点，提出以下技术方案。4.1 海洋环境模型研发方案海洋环境模型需要以海深和洋流数据作为基础，进行大量数据分析，建立基于数据集的经验模型。其中数据的获取决定海洋环境模型的成败。为尽可能减小研制周期与成本，我们直接使用美国国家海洋和大气管理局（NOAA）所发布的海洋地质和洋流数据库作为海洋环境模型研发的数据基础。美国国家海洋和大气管理局所发布的数据库包含过去数十年使用卫星，浮标，流速仪测量得到的全球洋流数据。是世界上最大的海洋洋流公开数据库，对分析与模拟洋流运动具有重要意义。数据库中的数据提供免费下载，可最大程度的减小海洋环境模型的研制周期与成本。通过分析数年的洋流数据库，可以建立一套完善的失事飞机搜索海域与浮标布放方案，尽可能的提高搜寻定位系统的工作效率。4.2 多个子系统集成，协同工作方案分布式黑匣子信标水下定位系统需要多个子系统协同工作，互相提供支撑。为了最大化提高协同工作效率，各子系统借助通信子系统进行实时通信与数据交换。通信子系统基于无线数传电台和北斗卫星通信系统设计，保证安全可靠的传达信息处理控制子系统的控制与数据交互指令，实现对各子系统的精确控制与定位结果上传功能。搜寻探测子系统和精确定位子系统内部使用GPS/北斗定位模块提供的秒脉冲信号作为时统，实现多个浮标之间的测量数据同步，便于对信标方位与距离进行解算。4.3提高搜寻探测子系统的搜寻范围现在所装配的黑匣子定位信标的工作频段为37.5kHz，根据球面波传播损失表达式：(1)其中为传播距离（km），在0.5kHz到100kHz频率范围内的近似表达式为：(2)经过计算可以得到，3km的传播损失为93.5dB。根据浅海噪声谱级的经验公式：(3)其中为频率（kHz），S为海况等级。可以计算得到2级海况下，37.5kHz频段，噪声谱级为40.2dB/Hz。根据噪声级与噪声谱级的关系：(4)可以得到1kHz带宽内，环境噪声级为70.2dB。水听器前端的信噪比为：(5)计算得到信噪比为-3.2dB。如果采用AS6254标准规定的8.8kHz声