近海GPS－GPRS漂流軌跡觀測系統(tǒng)及應用*

毛新燕，趙 亮，2，徐 鵬，江文勝，2，張 平，2，吳則舉

（1.中國海洋大學海洋環(huán)境學院，山東 青島266100；2.中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室，山東 青島266100；3.青島理工大學通信與電子工程學院，山東 青島266520）

海流是海水中各種物質輸運的重要方式，與溫、鹽同為海洋學基本觀測物理量，用于描述一個海區(qū)的水文背景場。針對海流的現(xiàn)場觀測，多采用的是歐拉方式，即在研究區(qū)域利用流速剖面儀等進行走航式或者錨碇式測流，例如 Yanagi等［1］，袁耀初等［2］，張志欣等［3］，Chen等［4］的工作；或是利用高頻地波雷達測得表層海流矢量場的分布及變化［5－7］。隨著衛(wèi)星定位技術的發(fā)展，采用拉格朗日方式進行觀測的研究報道日漸增多。衛(wèi)星跟蹤浮標，包括各種表面漂流浮標及Argo剖面浮標，已被廣泛應用于大洋及陸架海環(huán)流研究中。與歐拉觀測相比，這種跟蹤觀測方式更符合人們對物質運移的直觀理解。于非等［8］、賀志剛等［9］利用Argos漂流浮標數(shù)據(jù)分別探討了黑潮水在東海陸架的入侵以及南海渦旋結構。周慧等［10］、黃志達等［11］則利用Argo剖面浮標資料對棉蘭老島以東海域的中層環(huán)流結構及呂宋海峽一斷面處的水文特征進行了深入分析。

上述衛(wèi)星跟蹤浮標觀測開拓了人們的研究思路，提供了研究深海環(huán)流的獨特視角。而在潮運動占優(yōu)的近海區(qū)域，受到不規(guī)則岸線和復雜地形的限制、頻繁人類活動的影響，衛(wèi)星跟蹤浮標因其成本較高，難以廣泛應用。而同時，在此海域由于大眾通信網(wǎng)絡的覆蓋，一些靈活小巧、成本低廉的近海用小型漂流浮標逐漸發(fā)展起來。Ohlmann等［12］利用 GPS－Cellular技術開發(fā)了一種近海浮標觀測系統(tǒng)“Microstar”。Microstar浮標體與主機服務器間通過Mobitex網(wǎng)絡進行定位信息傳輸，大大降低了通訊費用（傳輸間隔取1min，則浮標每月的通訊費用由衛(wèi)星方式的＄300降至移動網(wǎng)絡方式的＄15）。在國內，這種GPS／GPRS浮標技術已應用到河流水面流速、流向的測量工作中，既提高了測量精度，又減輕了工人的勞動強度［13］。本文介紹一種基于GPS－GPRS技術的近海用漂流軌跡觀測系統(tǒng)，包括其基本原理、實驗室測試結果、現(xiàn)場布放過程及結果等。

1 近海GPS－GPRS漂流軌跡觀測系統(tǒng)的工作原理

圖1是該觀測系統(tǒng)的基本架構圖，主要部分為一漂流瓶體，包含微控制器（MCU）、定位接收裝置（GPS）、移動通信裝置（GPRS）、鎳鎘電池等。其中主控MCU采用 ARM 32位的CortexTM－M3CPU，它通過RS－232接口分別和GPRS模塊和GPRS模塊相連，通過I2C協(xié)議與外部存儲器相連；GPS模塊采用Skylab SKG16A，是一款完整的GPS模塊，具有高靈敏度、低功耗、小型化、其極高追蹤靈敏度（－165dBm）擴大了其定位的覆蓋面，在普通GPS接收模塊不能定位的地方，如狹窄都市天空下、密集的叢林環(huán)境，SKG16A都能高精度定位；GPRS模塊采用SIMCOM－900，它采用工業(yè)標準接口，工作頻率為 GSM／GPRS 850／900／1800／1900MHz，可以低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。

觀測系統(tǒng)的工作流程如下：漂流瓶體在GSM網(wǎng)絡覆蓋的海區(qū)釋放后隨流運動，每隔預設時刻t1，瓶體接收GPS定位信息，并緩存于微控制器中，而后休眠至下一工作時刻。經過預設的t2時間間隔（t2＝n·t1，n為正整數(shù)，一般取3～5），瓶體通過GPRS裝置將n次定位信息上傳至數(shù)據(jù)服務器，在收到服務器的確認指令后，再將微控制器中的緩存數(shù)據(jù)清空，完成一次整體工作循環(huán)。研究人員可由客戶端登錄到服務器，通過軟件界面查看瓶體的狀態(tài)信息：每個瓶體各時刻的位置、剩余電量等（見圖2）?？紤]到瓶體在水中需保持直立姿態(tài)，在內部配重了水泥，并將各主要工作元件安裝在支架上，以確保定位和移動通信裝置的天線高于水面（見圖3）。漂流瓶內的大功率鎳鎘電池，理論上可持續(xù)工作10d，滿足低于潮頻的近海時均環(huán)流研究條件。

該GPS－GPRS漂流軌跡觀測系統(tǒng)的突出優(yōu)點是淺海適用性、數(shù)據(jù)實時性及瓶體的可回收利用性。在GPS導航、手機GPRS上網(wǎng)已普及的現(xiàn)代社會，基于這2項技術的系統(tǒng)開發(fā)成本十分低廉，便于批量應用、獲取大量實測數(shù)據(jù)，進而推動近海環(huán)流研究工作的開展。

2 漂流瓶體測試

2.1 GPS定位精度

為測試GPS－GPRS漂流瓶體的定位精度，將30個瓶體集中同一處（范圍不超過5m）靜置24h。設每5min（t1）獲取一次 GPS定位信息，每15min（t2）上傳信息至服務器，24h內每瓶體約上報250組數(shù)據(jù)。統(tǒng)計結果顯示，各瓶體定位的標準偏差范圍為29.6～51.8m，30個瓶體的總體定位標準誤差為42.4m。

2.2 隨水運動性

拉格朗日觀測的前提假設是浮標的運動能夠體現(xiàn)流體微團的運動，這就要求浮標體具有良好的隨水運動性。利用中國海洋大學海洋學實驗教學中心的風浪流水槽，制造出不同強度的流動，配合以不同大小的風速（風、流取同向），而后再對水槽背景流速及漂流瓶體的運動速度進行多組測定，最終給出可靠的隨水性測試結果。

風浪流水槽工作段長度為10m，槽中水深70cm左右。在無風的情況下，背景流場可視為均勻流動，使用SLC9－2型直讀式海流計（精度1.0cm／s）讀取中層流速，與漂流瓶運動速度作比較；在有風的情形下，則將直讀式海流計提升至水面下15cm處，測得近表層的背景流速值。由于在水槽無法通過GPS定位方式追蹤得到漂流瓶體的運動軌跡，所以采用傳統(tǒng)的“秒表計時再計算”的方法得到瓶體運動速度：即通過記錄瓶體運動相同距離（6m）的時間來確定。每種流、風組合下，進行5組試驗，結果見表1。

表1 GPS－GPRS漂流瓶隨水性測試結果（室內）Table 1 Laboratory tests of water－following property for the GPS－GPRS drifter bottle

結果顯示：在無風條件下，背景流速越大，瓶體的隨水運動性越好，這是因為瓶體是具有質量及慣性，水流只有達到一定速度，才能帶動瓶體運動。隨著風速的增大，瓶體受風拖曳的作用明顯加強，隨流誤差也逐漸增大。該誤差除了與風有關，也源于實驗條件自身，風浪流水槽長度很有限，瓶體在其中的運動至多花費1min，時間較短，測量誤差不可忽略。此外，水槽寬度僅為1m，在壁邊界的側摩擦作用下，瓶體所接觸水流存在一定的橫向剪切，使得瓶體運動有向壁分量，這也會導致瓶體速度與背景流速的差異產生?？傊?，該室內隨水性測試實驗給予作者的啟示在于：當在現(xiàn)場進行布放漂流瓶觀測時，要盡可能選取風浪較小、空間開闊的時機及區(qū)域，以確保瓶體運動具有水團標識性。

3 現(xiàn)場應用

通過前期測試，對GPS－GPRS漂流瓶體的定位精度及觀測適用條件有了基本認識，現(xiàn)場應用測試則是檢驗該觀測系統(tǒng)可靠性的核心環(huán)節(jié)。2011年9月14日在浙江象山港峽灣內段進行了近海GPS－GPRS漂流軌跡觀測系統(tǒng)的首次海上布放試驗。選取象山港作為實驗海域（圖4），有如下原因：首先，象山港地處浙江中部沿海，半日潮占優(yōu)，屬于典型的的淺海動力環(huán)境；其次，港區(qū)呈東北—西南走向，是一個伸入陸地的狹長型海灣，移動通訊網(wǎng)絡覆蓋全面，有利于漂流瓶體的追蹤及回收；第三，象山港周圍由山地、丘陵環(huán)繞，是我國著名的避風良港，灣內風平浪靜，其自然海況適于GPS－GPRS漂流瓶體的現(xiàn)場布放。

圖4 2011年9月象山港內段觀測站位圖，三站水深約15mFig.4 Mooring stations（three red diamonds）in Xiangshan Bay（Sept.2011）with depth of 15m

上圖給出了象山港海區(qū)的岸線及本次拉格朗日－歐拉聯(lián)合觀測的3個站位B1，B2，B3。具體觀測過程如下：9月14日12：00～21：00，每3h（即高平、落急、低停、漲急時刻），由B1、B2站各釋放一組GPS－GPRS表層漂流瓶體，每組3瓶，4時次共釋放24瓶。這樣布放，既能提高獲取有效數(shù)據(jù)的概率，又能對比分析同組瓶體的軌跡結果。除上述拉格朗日觀測部分外，在三站還配合進行周日錨系觀測：在海床基四腳架上，利用RDI－600K聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）仰視工作測得流速的垂直剖面。觀測時正逢農歷八月十六天文大潮期間，潮流速度較大，B1站海床基架子被走錨漁船拖倒，最終只獲得B2、B3兩站9月14日11時～15日12時之間的流速數(shù)據(jù)。

觀測期間天氣晴好，海面無風浪，海況良好。大多數(shù)漂流瓶體在釋放至水中均能正常工作，即能夠接收定位信息，并與服務器正常通訊。圖5給出了某一時刻在客戶端交互界面上顯示的各漂流瓶體的位置分布情況，研究人員可據(jù)此查詢和掌握最近一次上報信息時瓶體所在位置。圖6給出的則是某一瓶體在觀測期間的所有上報位置，用鼠標點擊任一氣球標志可顯示該處的經、緯度及上報時間等信息，方便人們隨時關注瓶體的運動軌跡。

為了盡可能多地獲取漂流軌跡觀測數(shù)據(jù)，僅在9月15日中午完成定點觀測返航時將沿途遇到的4個瓶體回收，并未依照服務器上儲存的定位信息去搜尋所有瓶體。通過查看服務器，發(fā)現(xiàn)至9月18日16時，其余20瓶體才停止了運動，停靠在沿岸的不同位置。各瓶體定位數(shù)據(jù)顯示：在此次現(xiàn)場試驗中，自釋放后正常工作時長大于12.4h（M2分潮周期T）的有16瓶，大于2T（24.8h）有10瓶，其中最長有效數(shù)據(jù)約2d，近4個半日潮循環(huán)。

4 結果討論

據(jù)中國海灣志［14］，象山港潮流以往復流為主，潮汐的基本特征為漲落潮不對稱：漲潮歷時長于落潮歷時。選取觀測期間9月14日16：00～15日04：30時段的一個漲落潮循環(huán)過程，對各瓶體的運動路徑進行了分析。發(fā)現(xiàn)各瓶體的運動軌跡基本為往復型；漲落潮不對稱性集中體現(xiàn)在落潮期間的瓶體運動距離要大于漲潮期間的（見圖7）。

結合B2站水位及表層流速的周日變化可知，漲潮階段的潮流并非勻速增加，而是在低潮時停留3h左右（漲潮流小于0.2m／s），此后迅速漲急并在2h內達到高潮（圖8）。對比而言，落潮流速變化則較為均勻，因此盡管落潮歷時短、漲潮歷時長，但漂流瓶體卻是在落潮期間隨水運動距離更遠些。

此外，將同組漂流瓶體的運動軌跡進行對比可發(fā)現(xiàn)，在進入鐵港淺水區(qū)之后（B1站附近），隨著非線性作用加強，高于潮頻的小尺度運動愈加頻繁，瓶體運動的

隨機性也加大（見圖9）。在狹灣中段的062、068號及099、100號2組瓶體，運動軌跡幾乎是重合的，而鐵港內同一組漂流瓶（009、010號）的軌跡僅在漲潮初期差別較小，到落潮階段軌跡差別較大，甚至出現(xiàn)了反向運動。

在近海環(huán)流研究中，濾掉周期性潮流之后的低頻運動是關注的重點，流體微團經過一個或多個潮周期的凈位移等價于表示環(huán)流的拉格朗日余速度。此次現(xiàn)場應用結果顯示，由B1站釋放的瓶體歷經一個M2周期后的凈位移大概1.5～2.4km，B2站釋放瓶體的凈位移則介于4.3～4.6km之間，方向指向灣口。這為同期開展的象山港環(huán)流數(shù)值模型工作提供了寶貴的定量化觀測資料，有助于模擬結果的校驗及模型的調校改進。值得一提的是盡管漂流瓶體的定位誤差約40m，但相較于環(huán)流研究的凈位移尺度（此次在象山港的觀測結果為數(shù)km）來說，該誤差為小量，可忽略。

5 結語

本文系統(tǒng)、全面地介紹了一種適于近海使用的基于GPS－GPRS技術的漂流軌跡觀測系統(tǒng)，其主要部分為一表層漂流瓶體，能實時GPS定位并通過GPRS上傳數(shù)據(jù)至服務器，瓶體輕便、性能穩(wěn)定且能夠回收并再次使用，性價比高。前期實驗室內測試顯示漂流瓶體具有良好的隨水性；多樣本統(tǒng)計其定位誤差約為42m。在象山港海域進行的現(xiàn)場釋放試驗中，有2／3以上的瓶體可正常工作，其運動軌跡符合人們對象山港潮流的一般認識。同時，漂流瓶體在半日潮周期內運動的凈位移結果為象山港環(huán)流研究積累了量化資料，提高其環(huán)流復雜性的認識。該近海GPS－GPRS漂流軌跡觀測系統(tǒng)可切實起到輔助環(huán)流研究的作用，具有一定科學價值及應用前景。

致謝：感謝中國海洋大學呂紅民教授在實驗室內漂流瓶隨水性測試的大力協(xié)助。感謝馮建龍、全祺、楊偉、張晶等在漂流瓶定位精度測量及象山港現(xiàn)場應用過程中的配合與努力。

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