基于GPS的高度計(jì)海面高度定標(biāo)浮標(biāo)設(shè)計(jì)

陳春濤，閆龍浩，張曉旭，張 倩，翟萬林，朱建華

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

基于GPS的高度計(jì)海面高度定標(biāo)浮標(biāo)設(shè)計(jì)

陳春濤，閆龍浩，張曉旭，張 倩，翟萬林，朱建華

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

全球定位系統(tǒng)(GPS)浮標(biāo)是高度計(jì)海面高度定標(biāo)的重要儀器。本文介紹了GPS浮標(biāo)的組成和工作原理，分別對GPS浮標(biāo)的外型設(shè)計(jì)、艙體設(shè)計(jì)、密封性設(shè)計(jì)、供電設(shè)計(jì)做了詳細(xì)介紹，最后利用數(shù)值模擬的方式，對設(shè)計(jì)的GPS浮標(biāo)在3級海況下的搖擺和升沉響應(yīng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。結(jié)果表明自主設(shè)計(jì)的GPS浮標(biāo)能夠滿足海上高度計(jì)海面高度定標(biāo)的需求。

衛(wèi)星高度計(jì)；定標(biāo)；GPS浮標(biāo)；數(shù)值模擬

1 前言

全球定位系統(tǒng)（GPS）憑借在獲得精確時間和定位信息方面的技術(shù)優(yōu)勢，已經(jīng)在衛(wèi)星定位、海洋勘測、地形測繪等領(lǐng)域發(fā)揮了重大的作用[1，2]。國際已經(jīng)將GPS應(yīng)用到高度計(jì)海面高度定標(biāo)研究中，研制出可用于高度計(jì)海面高度定標(biāo)的GPS浮標(biāo)，并應(yīng)用于業(yè)務(wù)化運(yùn)行的衛(wèi)星高度計(jì)的定標(biāo)工作中。高度計(jì)業(yè)務(wù)化的廣泛應(yīng)用與高度計(jì)發(fā)射后的定標(biāo)是密不可分的。

衛(wèi)星高度計(jì)海面高度定標(biāo)主要采用驗(yàn)潮儀和GPS浮標(biāo)。其中，GPS浮標(biāo)法具有直接在星下點(diǎn)對高度計(jì)進(jìn)行定標(biāo)，不受潮汐模型和大地水準(zhǔn)面影響的優(yōu)點(diǎn)，在高度計(jì)定標(biāo)研究中廣泛使用。Exertier P等[3]于1998年在Corsica采用自行設(shè)計(jì)的GPS浮標(biāo)，對TOPEX/Poseidon(T/P)衛(wèi)星高度計(jì)進(jìn)行了定標(biāo)，并與驗(yàn)潮儀數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，兩者差異在1 cm范圍內(nèi)。Cheng K等[4]于1999年在伊利湖利用自制的GPS浮標(biāo)對T/P衛(wèi)星高度計(jì)進(jìn)行了絕對定標(biāo)，其定標(biāo)結(jié)果與驗(yàn)潮儀得到的結(jié)果相符。Schueler Torben等[5]利用自制的桶狀GPS浮標(biāo)，在Menorca東部對Envisat衛(wèi)星高度計(jì)進(jìn)行了定標(biāo)，利用單頻GPS浮標(biāo)得到的海平面高度的偏差達(dá)到了5 cm。Watson等[6]在澳大利亞的Bass海峽定標(biāo)場，采用自制GPS浮標(biāo)結(jié)合驗(yàn)潮儀進(jìn)行定標(biāo)工作，并采用GPS浮標(biāo)測量數(shù)據(jù)對驗(yàn)潮儀定標(biāo)法進(jìn)行校正。

我國衛(wèi)星高度計(jì)發(fā)展起步較晚，但經(jīng)過不斷努力，近年來也取得了一定成果。2002年12月發(fā)射的神舟四號（SZ-4）飛船搭載有高度計(jì)，獲得了初步成功，反演了各項(xiàng)海洋參數(shù)，取得了良好的效果。2011年8月，第一個海洋動力環(huán)境衛(wèi)星海洋二號（HY-2）衛(wèi)星發(fā)射成功，高度計(jì)是其中重要的載荷之一。但是高度計(jì)海面高度絕對定標(biāo)工作一直沒有開展起來，因此急切需要開展自主的高度計(jì)海面高度定標(biāo)工作。

本文針對目前國內(nèi)高度計(jì)海面高度定標(biāo)的需求，在高度計(jì)海面高度定標(biāo)方面開展高精度GPS浮標(biāo)設(shè)計(jì)工作，并通過數(shù)值模擬的方法保證設(shè)計(jì)浮標(biāo)的穩(wěn)定性和隨波性，為進(jìn)一步的浮標(biāo)研制和高度計(jì)海面高度GPS定標(biāo)打下基礎(chǔ)，進(jìn)而為業(yè)務(wù)化高度計(jì)定標(biāo)提供技術(shù)和積累經(jīng)驗(yàn)。

2 GPS浮標(biāo)組成及工作原理

2.1 浮標(biāo)組成

基于GPS的測高浮標(biāo)由安裝浮球的三角架、艙體、GPS接收機(jī)、電池、密封蓋板、扼流圈天線和天線罩組成。GPS接收機(jī)和電池放置在艙體內(nèi)，設(shè)有電池組安裝架，接收機(jī)安裝在電池組的上部，用可拆卸的卡扣固定。采用的GPS接收機(jī)的精度為5 mm+1 ppm(1 ppm=10-6)，滿足高度計(jì)海面高度定標(biāo)精度要求。

2.2 浮標(biāo)工作原理

浮標(biāo)安裝正常工作后，GPS接收機(jī)通過扼流圈天線接收天上GPS衛(wèi)星實(shí)時數(shù)據(jù)，并將GPS原始觀測數(shù)據(jù)保存在存儲器中，用于與地面GPS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行事后差分處理，得到GPS浮標(biāo)高精度的定位信息，通過計(jì)算GPS浮標(biāo)瞬時位移，解算出GPS浮標(biāo)所在位置的瞬時海面高度值。

3 GPS浮標(biāo)設(shè)計(jì)

3.1 GPS浮標(biāo)需求分析

GPS浮標(biāo)的設(shè)計(jì)應(yīng)以服務(wù)海上海面高度測量為目的，因此浮標(biāo)性能要求包括測高精度需求、外形設(shè)計(jì)需求、GPS天線設(shè)計(jì)需求、連續(xù)供電需求、配重需求、材料需求、密封需求、安全需求以及海上布放便利需求9項(xiàng)需求?？偟男枨罂梢钥偨Y(jié)如下。

1）浮標(biāo)大小和形狀設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：動態(tài)穩(wěn)定、足夠的艙體內(nèi)置設(shè)備空間以及易于部署和回收；GPS天線相位中心相對海平面高度差易于測量。

2）GPS浮標(biāo)天線采用標(biāo)配有天線罩的扼流圈天線（抑制多路徑效應(yīng)）。

3）浮標(biāo)艙體足夠大，可以安裝電池和接收機(jī)，電池具備持續(xù)供電5天以上的能力。

4）浮標(biāo)艙體密封良好，保證GPS正常工作。

5）浮標(biāo)上需加入安全警示燈，保證晚上儀器布放安全。

6）配重固定在浮標(biāo)底部中央位置，可調(diào)節(jié)質(zhì)量，方便不同海況下使用。

7）浮標(biāo)在側(cè)面和底部同時有系纜點(diǎn)，方便不同的浮標(biāo)布放形式。

8）浮標(biāo)材料應(yīng)堅(jiān)固耐撞擊，能夠適應(yīng)海上惡劣工作環(huán)境。

3.2 GPS浮標(biāo)外型設(shè)計(jì)

根據(jù)GPS浮標(biāo)需求分析，GPS浮標(biāo)依靠浮標(biāo)上固定的GPS接收機(jī)對海面高度計(jì)進(jìn)行測量，要求具有良好的穩(wěn)定性和隨波性。浮體結(jié)構(gòu)參考Watson等在澳大利亞Bass海峽高度計(jì)定標(biāo)場中采用的MKⅡ浮標(biāo)樣式結(jié)構(gòu)（見圖1）。浮標(biāo)分為三角架泡沫浮球和儀器艙兩部分，儀器艙內(nèi)固定蓄電池和GPS數(shù)據(jù)采集器，GPS天線通過螺紋連接固定于儀器艙蓋上。

圖1 MKⅡ浮標(biāo)樣式[6]Fig.1 MKⅡbuoy style[6]

主要技術(shù)參數(shù)：浮球中心徑為1200 mm，浮球直徑為366 mm，總高度為600 mm；浮標(biāo)體排水量≤72 kg；橫搖角≤15°。

三點(diǎn)浮球型浮標(biāo)有良好的隨波性，在海洋環(huán)境中可靠性高，不易傾覆。浮體儀器艙采用不銹鋼殼體，結(jié)構(gòu)件外表面噴涂防銹漆。

3.3 GPS浮標(biāo)艙體設(shè)計(jì)

儀器艙為直徑350 mm、深300 mm的不銹鋼圓筒結(jié)構(gòu)。儀器艙艙蓋即GPS天線的安裝板，主要用于固定GPS天線和數(shù)據(jù)線進(jìn)艙，采用端面密封。儀器艙內(nèi)部設(shè)有電池固定裝置，用來放置蓄電池組，同時充當(dāng)配重，降低浮標(biāo)重心；電池組上安裝GPS數(shù)據(jù)采集器，GPS數(shù)據(jù)采集器通過卡扣固定，方便拆裝以便對數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行檢測和設(shè)置等工作；儀器艙底部設(shè)有配重固定孔和錨系系留點(diǎn)，可以根據(jù)需要增加配重或配置錨系系統(tǒng)；儀器艙與浮球支架通過筒體上沿的連接孔利用螺桿組件連接固定。

3.4 GPS浮標(biāo)密封性設(shè)計(jì)

GPS浮標(biāo)主要用于海洋環(huán)境，浮標(biāo)儀器艙蓋上部連接GPS天線，艙內(nèi)安裝蓄電池組和數(shù)據(jù)采集器，密封性能是關(guān)鍵問題。

GPS扼流圈天線通過螺紋固定于艙蓋，并用密封圈密封。儀器艙蓋預(yù)留天線數(shù)據(jù)線進(jìn)線孔，設(shè)有硫化螺栓，預(yù)先將天線數(shù)據(jù)線置于硫化槽內(nèi)進(jìn)行硫化，同時設(shè)有螺紋引導(dǎo)數(shù)據(jù)線進(jìn)艙固定，硫化螺栓上有密封槽結(jié)構(gòu)，解決了密封問題。儀器艙蓋與艙體的密封采用O型密封圈端面密封，并通過螺栓組件緊固，保證蓄電池供電和GPS數(shù)據(jù)采集器正常運(yùn)行。

3.5 GPS浮標(biāo)供電設(shè)計(jì)

浮標(biāo)供電采用內(nèi)置蓄電池的方法，既解決了供電問題，又增加了配重，提高了浮標(biāo)的穩(wěn)定性。根據(jù)GPS接收機(jī)的供電要求選用兩塊12 V、24 A·h、重7.9 kg的蓄電池。電池直接與GPS接收機(jī)連接，并密封在艙體中，保證連接的安全性和穩(wěn)定性。

4 數(shù)值模擬試驗(yàn)

作為浮標(biāo)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，浮標(biāo)運(yùn)動特性分析不可忽略，而波浪作用力中流體粘性的影響相對較小，因此采用不考慮粘性的勢流理論解決問題，提高計(jì)算效率。這種方法在海洋工程數(shù)值計(jì)算中有著廣泛應(yīng)用，并為試驗(yàn)結(jié)果所驗(yàn)證。

浮標(biāo)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，依據(jù)此表建立浮標(biāo)水動力數(shù)值仿真模型。建模時，為保證網(wǎng)格質(zhì)量，去掉了不必要的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，如圖2所示。

表1 浮標(biāo)模擬計(jì)算參數(shù)Table 1 Simulation parameters of buoy

圖2 浮標(biāo)水動力數(shù)值仿真模型Fig.2 Buoy model for hydrodynamic numerical simulation

浮標(biāo)的數(shù)值仿真計(jì)算采用右手坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)位于靜水平面的浮標(biāo)中心處，OXY平面與靜水平面重合，水流沿X軸，Z軸垂直向上為正。計(jì)算時，波浪入射方向選取對浮標(biāo)橫搖影響最大的X軸方向，海況在3級及其以下，波浪周期的范圍取1～15 s。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 浮標(biāo)橫搖及升沉響應(yīng)Fig.3 The roll angle and heave rate of buoy with the wave periods

浮標(biāo)的橫搖和升沉是在恢復(fù)力的作用下做簡諧運(yùn)動而產(chǎn)生。當(dāng)入射波的頻率和浮標(biāo)的固有頻率相同時，浮標(biāo)運(yùn)動與波浪運(yùn)動產(chǎn)生共振，從而在這個頻率處橫搖的運(yùn)動幅值會達(dá)到一個極值；當(dāng)入射波頻率與浮標(biāo)的固有頻率不同時，共振也會隨之消失。由圖3a可見，浮標(biāo)的橫搖響應(yīng)峰值對應(yīng)1.36 s的波周期，我國沿海海域波浪周期一般在3～25 s，因此該浮標(biāo)可避開共振周期。對于浮標(biāo)的隨波性，由圖3b可見，當(dāng)波浪周期大于5 s時，響應(yīng)值接近1，這說明浮標(biāo)在波浪中的升沉值與波高值接近相等，浮標(biāo)能更好地隨波運(yùn)動。

通過模擬計(jì)算，設(shè)計(jì)的測高浮標(biāo)在主要的波浪周期5 s的最大橫搖角度約為10°，升沉響應(yīng)約為1，滿足浮標(biāo)橫搖角≤15°的設(shè)計(jì)要求；浮標(biāo)的升沉值與波高值接近相等，表明浮標(biāo)有很好的隨波性。

5 結(jié)語

GPS浮標(biāo)是衛(wèi)星高度計(jì)海面高度定標(biāo)的主要測量儀器。本文詳細(xì)介紹了GPS浮標(biāo)的外型設(shè)計(jì)、艙體設(shè)計(jì)、密封性設(shè)計(jì)和供電設(shè)計(jì)，并采用數(shù)值模擬的形式對設(shè)計(jì)的GPS浮標(biāo)進(jìn)行隨波性和橫搖升沉響應(yīng)計(jì)算。模擬計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的GPS浮標(biāo)可以滿足海上定標(biāo)試驗(yàn)的要求，其隨波性和橫搖角滿足高度計(jì)海面高度定標(biāo)的需要。可以根據(jù)本文的設(shè)計(jì)方案，開展可用于高度計(jì)海面高度定標(biāo)的GPS浮標(biāo)的研制工作。

[1]徐允鶴.基于GPS和北斗導(dǎo)航技術(shù)的靶船遙測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

[2]陳日高，徐益群，白清波，等.基于連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)系統(tǒng)完備性監(jiān)控設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].海洋測繪，2011，31(4)：53-55.

[3]Exertier P，Bonnefond P，Laurain O，et al.Absolute altimeter calibration in Corsica[J/OL].AVISO Newsletter，2000，7.http：//www.aviso.oceanobs.com/en/newsstand/newsletter/newsletter07/absolute-altimeter-calibration-in-corsica/index.html.

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[5]Schueler Torben，Hein Guenter W.ENVISAT radar altimeter calibration with high-sea GPS buoys[C]//Proceedings of the 2004 Envisat&ERS Symposium.Salzburg，Austria，2005.

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Design of buoy for the calibration of altimeter sea surface height based on GPS

Chen Chuntao，Yan Longhao，Zhang Xiaoxu，Zhang Qian，Zhai Wanlin，Zhu Jianhua

（National Ocean Technology Center，Tianjin 300112，China）

GPS buoy is an important instrument for the calibration of altimeter sea surface height.This paper introduced the composition and operating principle of GPS buoy，and described in detail the design of shape，cabin，leak-proofness and current supply.Finally，using the numerical simulation，the waver and undulation of GPS buoy were experimented in the 3rd class sea state.The result showed that the GPS buoy designed can meet the challenge of the calibration of altimeter sea surface height on the sea experiment condition.

satellite altimeter；calibration；GPS buoy；numerical simulation

P715.2

A

1009-1742(2014)06-0109-04

2014-04-10

中科院合作項(xiàng)目“海洋高度計(jì)定標(biāo)方法研究”（Y2BZZ6AJ50）；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201305032-3）

陳春濤，1980年出生，男，山東煙臺市人，博士，工程師，主要從事高度計(jì)定標(biāo)檢驗(yàn)及應(yīng)用研究；E-mail：kuroshiocct@163.com