黑匣子搜索定位浮标设计与实现

摘 要 根据黑匣子信标的特点，介绍了一种有针对性探测的黑匣子搜索定位设备的设计及实现过程。该黑匣子搜索定位设备采用剖面漂流浮标技术，通过加装水听器，实现对水下黑匣子信标信号进行区域定位和距离估算。发现目标后，自动上浮至水面，通过卫星将目标位置信息发往监控中心，实现目标快速搜索定位，节省人力物力，争取宝贵的搜索时间。通过原理样机的研制实现，经过相关的湖上验证试验表明，该型设备初步具备黑匣子探测能力。

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引 言

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“黑匣子”（black box）是飞机专用的电子记录设备之一，名为航空飞行记录器，里面装有飞行数据记录器和舱声录音器，飞机各机械部位和电子仪器仪表都装有传感器与之相连。它能把飞机停止工作或失事坠毁前半小时的有关技术参数和驾驶舱内的声音记录下来，需要时把所记录的参数重新放出来，供飞行实验、事故分析之用。根据SAE航空航天标准AS8045a《自供电声学水下定位装置最低性能标准》，黑匣子信标的工作频率：37.5 kHz±1 kHz，使用时间最少30 d。一旦发生航空飞行事故，黑匣子将是还原事故真相的关键[1]。由于黑匣子声信标发射电源一般只能坚持30 d，因此在这30 d的黄金时间，尽快搜寻到黑匣子非常重要。2014年3月8日，马航370失联轰动全世界，世界各国携带相关搜索设备竞相奔赴可能坠机海域开展搜索，然而遗憾的是未能成功搜寻到黑匣子，成为21世纪一大疑案。

1  国内外黑匣子搜索定位技术与方法

黑匣子主要搜索技术包括潜水员手持声呐、声波接收器、水下自主航行器等。潜水员手持声呐用于水下定位水下失事飞行器目标，也可以用于定位水下信标或者其他水下声源。使用连续发射调频（CTFM），声呐的主动定位模式可定位最远110 m范围内的目标，在被动模式下最远探测范围为1 600 m。声波接收器由水下、接收部分和水上辅助2部分组成。水下接收部分通过连接杆布放在水中，搜索声学信号，接收到的信号通过电缆传送到水上，操作人员通过耳机辨别信号强度，并可调节接收信号中心频率。操作人员通过旋转连接杆，改变水下接收装置探测方向，分析不同方向的信号强度，进而确认信号方向[2]。如图1所示。

图1  潜水员手持声呐与声波接收器

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“蓝鳍金枪鱼-21”型自主式水下航行器，是美国军方研发的一种专业水下搜寻设备，它可潜入水下4 500 m，在配制相关声呐后，能够以最高7.5 cm的分辨率搜寻水下物体。“蓝鳍金枪鱼-21”型自主式水下航行器长493 cm，直径53 cm，重750 kg，3 kn巡航时续航能力为25 h[3]。

1）法航AF447次航班空难[4]。

法航AF447次航班2009年6月1日从巴西里约热内卢飞往法国首都巴黎，途中坠入大西洋。空难后数周，数千块机身碎片被打捞上来。但是，AF447的庞大机身和关键的黑匣子，却在很长时间里都寻无所踪。

1年多后，法国调查人员求助美国伍兹霍尔海洋研究所，继续搜寻飞机残骸。伍兹霍尔海洋研究所搜寻团队在深海中找到了AF447的机身和引擎，还有几十具长眠水下的遇难者遗体。2010年5月，法国把失事客机“黑匣子”的位置锁定在大西洋一个方圆5 km的范围内。2011年，法国民航安全调查分析局在一份声明中说，调查人员于分别在2011年5月1日上午10时，5月2日晚在巴西东北方向离岸数百km、水平面以下3 900 m的海域找到法航空难的2个黑匣子。

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2）“5·7”大连空难[5-6]。

2002年5月7日21时24分，北方航空公司的一架MD-82客机在大连海域失事。打捞组采用旁侧声呐以及拉网式搜索，将残骸散落区缩小在长600 m、宽400 m的24万m2水域。与此同时，另一个重要目标黑匣子的打捞，却始终毫无进展。搜救人员先后从大连、哈尔滨、沈阳调来设备扫测，毫无结果。唯一的渺茫希望，是760所用自制的探测仪，收听到了黑匣子发射的信标声脉冲，却无法确定方向来源。

5月12日晚，美国专家带来了声呐信标定位仪，将声呐转换器插入水中，操作人员戴着耳机、手持放大器接听信号，如果听到黑匣子发出的“嘀嗒”信号声，声音越大，靠得越近。13日凌晨3时14分，美国专家第一次接听到信号。但由于该仪器只能定向、无法定位，在接下来的3 h16 min内，专家们做了10次定向——每次产生1条射线，射线的交叉图像将搜索范围圈定在直径为100 m的半圆中。如此反复，最终进一步缩小到直径为5 m的圆中。大连空难打捞工作历时12 d，军地共出动船只128艘，累计出船1 331航次、6 955 h，军民参加搜救打捞人员共计17 838人次抽调潜水作业人员64人，累计潜水作业672人次，作业时间697 h。

综上所述，目前黑匣子搜索装备主要存在吨位大、巡航短、定位难、耗时长、使用复杂、使用成本高等一系列问题。为此，我们设计开发了一款基于剖面漂流浮标技术的黑匣子搜索定位浮标。该浮标可下沉到声速界越层以下对黑匣子的水声通信信号进行搜索，并对水下黑匣子进行距离估算，发现目标信号后，自主上浮到水面，通过卫星上传探测信息给岸站，为搜寻节省宝贵的时间。

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2  系统组成及工作原理

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黑匣子收索定位浮标主要由浮标平台和水听器组成，水听器直接挂载在浮标底部。如图2所示，浮标平台主要由3部分组成：通讯天线模块、主体控制模块、浮力调节模块。其中通讯天线模块包含铱星与GPS天线；主体控制模块包含控制电路、电池、电机、压力传感器、水密接头等；浮力调节模块包含浮力调节机构、重块、浮块等。水听器安装位于浮力调节模块底部，其通过水密接头与主体控制模块连接。浮标重量不超过6 kg，连续工作时间不少于30 d，最大工作水深1 000  m，搜索定位距离1.5~2 km。

图2  浮标结构示意图

该浮标在预定海域对浮标进行配重后投放，浮标到达预定深度后开始探测，期间可通过抛投浮块或重块进行深度微调。在捕获特定信息后，浮标抛投预定重量的重块，开始上浮至水面进行定位通讯，通讯完毕后抛投预定重量的浮块再次下沉到指定深度，如此进行循环。另外，该浮标可对需要探测的海域采用多点阵布放模式，对区域海洋进行声信号监测。

3  组部件设计

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1）通信模块。

通信模块主要由天线外壳、天线盖和天线座组成。天线外壳用来安装固定GPS和铱星天线，取1.5倍安全系数，在18 MPa压力条件下，对天线外壳和天线盖进行了仿真分析，其机构强度满足要求。

2）壳体模块。

壳体模块主要由主壳体、头壳和尾壳组成。取1.5倍安全系数，在18 MPa压力条件下，应力图及总体形变图如下，满足1 000 m耐压要求。

图3  壳体模块结构示意图

图4  耐压壳体结构强度仿真图

3）电源模块。

电源模块有一次性锂电池组成，电池共8节，4组一节并排堆叠2层。电池上部依次是控制电路板、铱星模块和压力传感器，采用上下堆叠的方式布置，拉杆连接。下部为电机减速机，电机轴穿过尾壳与浮力调节机构连接。

4）浮力调节模块。

浮标调节模块（图5）是浮标自主沉浮的关键，浮力调节模块通过改变浮标的水中浮力实现沉浮。浮力调节模块主要由浮力调节机构外壳、浮块旋转台、重块旋转台、重块释放台、浮力块和重块组成。

浮块旋转台外侧用来放置浮块。内壁用来安装重块旋转台；转台上装有挡块，挡片安装在转台顶部，内部有扭簧，保证其只能单向转动；转台底部开有三角槽。

重块旋转台安装在浮块转台内部。中间开有通孔，用以放置重块；顶部安装有挡片，内部有扭簧，保证其只能单向转动；底部有半球形开槽。

重块释放台放置在浮块和重块旋转台底部。内部有开槽，供重块滑出；顶部有三角台阶。和小钢球，分别与浮块旋转台的三角槽和重块旋转台的球槽配合。传动轴是浮力调节模块的动力输入部分。轴的上端与电机减速机连接，下部有2层棘齿，2层棘齿朝向相反，上下层分别与浮块旋转台和重块旋转台的挡片配合。

图5  浮力调节模块示意图

①浮力块的抛投过程。

如图6所示，传动轴逆时针旋转并与浮块旋转台上的挡片接触，由于挡片上有扭簧，逆时针时挡片锁死，因此浮块旋转台在传动轴的带动下逆时针旋转；当浮块碰到外壳上的挡块后，在两侧挡块的作用下会一起将浮块挤出。

传动轴顺时针转动时，为了防止挡片上扭簧力过大而使得浮块旋转台跟随一起顺时针转动，特在底部开有三角槽增大阻力，防止其跟转。浮块旋转台安装在重块释放台的凹槽内，在转台工作过程中上下跳到时不会偏离轴心。

图6  浮力块抛投示意图

②重块的抛投过程。

如图7所示，传动轴顺时针旋转并与重块旋转台上的挡片接触，由于挡片上有扭簧，顺时针时挡片锁死，因此重块旋转台在传动轴的带动下顺时针旋转；当重块碰到底部释放台的重块释放孔后，重块随即滑出。

传动轴逆时针转动时，为了防止挡片上扭簧力过大而使得重块旋转台跟随一起逆时针转动，特在重量释放台底部装有小钢球，且在重块旋转台底部开有球槽以增大阻力，防止其跟转。

图7  重块抛投示意图

5）探测水听器。

探测水听器搭载在浮标底部，安装在水听器护罩上，与尾壳连接，矢量水听器具备对37.5 kHz信号进行探测并定位的能力。接收到黑匣子信号后，通过对信号进行放大、滤波处理，分析识别信号的幅度、脉宽和周期，判断信号的类型是否是黑匣子的信标信号，如图8所示。黑匣子的水声信号的声源级是固定的，滤波及前放电路的放大倍数和水听器的接收灵敏度也经过标校已知的，可以通过信号幅值对目标距离进行估算[7-8]。

图8  水声信号探测处理示意图

4  试验方法及结果

黑匣子浮标历时半年完成原理样机研制，并开展了相关的湖上验证试验。湖上试验通过使用模拟信号源，模拟输出37.5 kHz黑匣子信号，经功率放大器放大后输出至换能器，使用船载移动声源，浮标锚系上浮方式，测试不同方位、不同距离发射时，黑匣子浮标触发上浮报警的性能指标摸底，试验设备关系如图9所示。

图9  试验设备布置示意图

湖上试验表明，该浮标能够准确探测37.5 kHz的声信号，相关声信号的特征值亦可获取，并能够初步测量目标方位，方位误差不超过5º。试验中拉距测试过程，最大探测距离超过2 km。

结束语

本文介绍了一种全新的黑匣子搜索定位设备的设计及实现过程，该黑匣子搜索定位设备采用浮标技术，通过加装水听器，实现对水下黑匣子信标信号进行区域定位和距离估算。发现目标后，自动上浮至水面，通过卫星将目标位置信息发往监控中心，实现目标快速搜索定位。该浮标体积小，造价低，可快速布放，实现水下搜索能力。实际使用中，可在失事海域大面积布放，浮标可成阵列使用。同时，该浮标可拓展用于水下移动目标探测，具有一定的军事用途价值。