将北斗“移植”进入海里――水下北斗卫星的构造方案

摘 要 本文通过海龟精确导航系统、水生动物提前预警地震、海啸等自然灾害的启发，创造性地构思出将北斗导航系统“移植”进入海里的方案。该方案进行了总体架构设计，探讨了改造过程中的各种技术支持和可行性。将其命名为“北斗海中卫星”，同时结合海洋卫星的探测能力，构成“北斗导航卫星――‘北斗海中卫星’――海洋卫星”三角合作体系，对于未来的海洋探索、预测、侦查、调研、抗干扰能力和海中导航精度有极大的提高作用。

关键词 海龟导航；改造；“北斗海中卫星”；海洋；精度

中图分类号：V474.2 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）20-0007-02

导航卫星作为高层空间的“千里眼”，以其能够为载体提供实时位置信息的强大功能而当之无愧地成为了外太空探索领域的霸主。当前，全世界四大卫星导航系统GPS、伽利略计划、格洛纳斯以及北斗导航系统在全球的卫星导航坐席中都占有了重要地位。卫星导航各有千秋，如GPS胜在拥有成熟的技术、伽利略的定位精度很高、格洛纳斯的抗干扰能力强、北斗的短报文与双向定位功能体现了互动性与开放性。

受海龟洄游精确导航与水生、半水生动物提前数天感知地震等事件的启发，我们可以将北斗导航的触角真正延伸至海中，大幅度提高北斗卫星的空间探测广度。当前，北斗导航的应用十分广泛，涉及交通运输、气象、渔业、林业、电信、水利、测绘等，但是这些应用功能都是基于高空之上的北斗卫星进行探测，我们说：北斗已经发射16颗卫星并组网，已形成区域服务能力且到2020年形成全球覆盖能力时就将进入后期完善阶段，但是若能在水中安置北斗卫星，让其与水中信号粒子流“亲密接触”，必能使北斗的实时探测能力达到最大化，实现其他卫星没有我独有的特殊能力。

1 体系架构设计

1.1 总体设计

北斗导航系统的空间段导航星座是由地球静止轨道卫星与地球倾斜同步轨道卫星结合中轨卫星组成的混合星座[1]。所以，当有近30颗卫星在轨时，才能对全球99%以上的地区提供导航信号。但是这部分信号只限于地表或海洋表面范围以上。国家发射海洋卫星弥补了海洋探测方面的不足，从1985年我国第一颗海洋卫星立项准备以来，历经26年，至2011年，我国成功发射了第一颗海洋动力环境监测卫星“海洋二号”，但是我国海洋卫星的发展起步晚，导致卫星整体未能形成业务化运行能力，为了抢占先机，将卫星改造成适合海洋内部运行的探测体，真正地放入海里，倒不失为一个快速发展海洋利用效率的好办法。我们暂且将其命名为“北斗海中卫星”，将它与低高空轨道运行的海洋卫星相互合作，可以全面了解海洋资源，从海洋内部环境的变化迅速地得出海洋各项理化指标。

1.2 “北斗海中卫星”改造

1.2.1 海洋内部探测技术支持

海洋地质调查与技术手段有许多种，如：探测海底各种地球物理场特征、地质构造和矿产资源可以采用重力、磁力、地热等地球物理办法；探测海底未固结浅地层的分布、厚度和结构特征利用的是浅地层剖面仪；测量水深，探知海底地形地貌可以使用多帛书回声测深仪与旁侧声呐。

图1 体系总体架构

1.2.2 卫星改造的外部背景需求

1）据2010年7月14日的《成都晚报》报道，美军方认为，中国的北斗卫星导航系统扰乱了美国的计划，美军甚至还制定出详细的作战计划，在必要时摧毁北斗导航系统。所以，当外太空成为危险战场时，海洋内部可以提供备用信息传输平台。

2）外部探测与内部探测具有很大差别。海洋环境下探测大地电磁场属于高新技术，目前只有少数发达国家在从事这方面的研究[2]。将卫星放置在海中，需要对其进行改造。但是，需要指出的是，有价值的场信息存在于海底。因为，来自地下的大地电磁信号只有微伏数量级，而厚厚的海水层对电磁信号只有衰减作用，仅在海面上难以观测到有用信号[3]。“北斗海中卫星”应潜入水中，又由于海洋深处的压力大，首先我们应该考虑水压与造型、材料的问题。

①体积与造型：大部分卫星造型为六面立方体，体积维持在2.22 m×1.72 m×2.2 m左右，体积约为8.4 m?，“北斗海中卫星”应设计成球型，一来缩小了浮水后的整体目标，二来能实现受力后压力向四周分散的特点。体积保持在8 m?，半径约为0.4 m，表面积约为2 。

②材料构造：以世界海洋平均深度3776米来看，该处物体所承受的压力为377.6个大气压。一个大气压相当于1平方米的面积上承担着1吨的重量，所以，1平方米的海面或地面所承受的空气的重量为1吨，从海面下沉10米时，增加了10米深海水的重量，所以物体在10米深处承受的压力比海面高1个大气压[4]，也即物体承受的377.6个大气压为差额大气压。采用可塑聚甲基丙丝酸酯与钛合金制作外壳，均可承受6000米处的水压。（不同地区海水盐度、密度等物理值影响较小，暂不列入考虑范围之内）

③下潜水深：考虑到海洋浅层面船只往来对卫星的碰撞影响，卫星需下潜一定的深度。根据调查，世界各地船只的宽度维持在40米左右，根据船舶宽度与吃水量成正比的关系，

Dmax=0.267W

大致算出Dmax=10.8米，通航船舶的最大吃水量基本不超过15米，卫星下潜水深≥15米考虑为安全级别。

④水下通信的手段的最优化分析：由于海水的导电性质，海水对电磁波起了屏蔽作用。电磁波通信采用近区场通信，即在波源附近场强随距离增大而急剧衰减，在一定范围内场强近似与距离的立方成反比衰减。水平面内极坐标电场分量[5]：

（1）

（2）

：电场的ψ分量； ：电场的径向分量；Π ：电流矩；Ψ ：相对于天线轴线的方位角；σ ：海水导电率；ρ ：收发间距离；κ：传播常数，κ?=ω?μoε；ω：工作角频率。

这种传播方法的衰减度较大，使得通信距离较短，但通信质量稳定。

另一种方法是采用跳频通信，它是指频率跳变的扩展频谱通信，它利用伪随机码序列来离散地控制射频载波振荡器的输出频率，使发射信号的频率随伪随机码的变化而跳变[6]。该系统可以传输文字、语音、图像等信息，能抗多途径干扰并能保证信息安全，能实现10千米水下信号相互清晰地传递。所以如果将这一技术装载到“北斗海中卫星”上，应该在海洋界面设计一装置，保证下层海中信号能够接收，上层能够将信号传输到卫星信号接收塔。

1.2.3 “北斗海中卫星”内部搭载的器件

微波散射计、辐射计、温度计、海浪高度计、数据接收机等，根据前文提到的：之所以有“北斗海中卫星”的构想，是因为受到海龟精确导航的启发，根据科学家的初步推测，海龟能够利用地磁场的细微变化或气味的细微变化来精确导航。所以，“北斗海中卫星”内部应装载地磁变量计与气味嗅探计，在每次巡航时经过相同地点，记录下该地的地磁偏角、地磁强度等参数，同时记录气味等信息，以便更好地研究海龟的这种导航技术，将来利用到潜艇导航、潜水员的导航支持中。

另一方面，世界各国的地震探测都只能提前数秒报警。而海洋中很多的水生生物如水母等能够提前数小时至数天来预警。同时我们也知道，海洋中的海啸等自然灾害也能被一些生物提前感知，那么我们便会有这样的大胆假设，也许，真正能够提供精确导航与预警的场所是海洋内部，外太空的卫星导航定位能力略差于海洋。所以，“北斗海中卫星”利用在海洋内部的独特优势，可以借鉴水母的预警方式，更早地预测地震、海啸。

由于这部分动物具有的精确导航、预警能力还是属于待解之谜，所以，以目前的科学技术来看还不能筛选出真正能够判定为属于这些动物应用的参数数据，所以只能通过观察这些动物的行为来逐步优化“北斗海中卫星”的预警能力，当这些数据构成强大的数据库时，我们相信，最终能够解开动物精确预警、导航之谜，全面提升北斗的应用能力。

图2 探索海龟导航技术流程图

2 应用展望

北斗导航卫星作为中国的一项大型科技工程，在各方面都有广泛应用。未来是空争间探索领域争雄的高级战场。为了应对诸如GPS导航系统、伽利略系统、格洛纳斯系统对北斗导航卫星的影响，拓宽北斗导航卫星的全方位利用渠道，可以不仅仅局限于导航就是外太空卫星对地球内部移动物体进行导航这样的认知。如果真的能够发展“北斗海中卫星”，结合仿生学应用，也许就能够将我们的北斗导航探索技术提升到一个新的高度。本文是对“北斗海中卫星”的初步构思，如果能够在相关科研工作者的努力下成为现实，必能使我国的卫星导航技术精确度更高、应用范围更广、抗打击能力更强，最终超越技术成熟的GPS导航系统。

参考文献

[1]谭述森.卫星导航定位工程[M].北京：国防工业出版社，2007.

[2]R L Evans， P Tarits， A D Chave. A Symmetric Electrical Structure in the Mantle Beneath the East Pacific Rise at 170S- SCIENCE. 1990， Volume 286.

752-756.

[3]邓明，沈高山，余平，等.基于麦克斯韦理论的海底大地电磁探测技术[J].国家“863”计划课题研究，2012，12（12）.

[4]节选自《数字海洋博物馆》，大气压与水压――海洋中生物承受的压力.

[5]梁涓.水下无线通信技术的现状和发展[J].EXPERIRENCE AND EXCHANGE，2009，24（11）.

[6]李文娟，仲晓光.跳频通信[J].中国新通信，2012.

作者简介

陈世品（1968-），男，福建南平人，农学博士、副教授、硕士研究生导师，福建农林大学林学院副院长，研究方向：野生植物资源开发利用、植物和植被监测等。