基于北斗通信的海洋氣象漂流觀測儀

■ 張明 楊志勇 王亞靜 張晉

華云升達（北京）氣象科技有限責任公司研發(fā)的海洋氣象漂流觀測儀是以小型浮標球為工作平臺，搭載各種海洋氣象水文觀測以及數(shù)據(jù)通信設備，通過懸掛在水下的水帆，借助洋流的推動實現(xiàn)自主漂流觀測。通過分析在我國南海布放工作中臺風過程試驗數(shù)據(jù)，表明該觀測儀性能穩(wěn)定、續(xù)航能力強、通信系統(tǒng)性能優(yōu)良，對于我國深遠海洋氣象觀測意義重大。

海洋氣象漂流觀測儀是一種以小型浮標為載體，隨表層海流漂移，可用于海洋水文要素觀測和海表面氣象要素觀測，利用衛(wèi)星系統(tǒng)定位和數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮Ｑ髿庀笥^測儀器，具有活動范圍大、成本低、環(huán)境適應性強等特點。深遠海的氣象水文觀測主要是基于漂流浮標、船舶氣象觀測站以及衛(wèi)星、雷達等觀測方式，尤其是海氣界面的觀測更是以漂流浮標為主。近年來，美國、法國、英國、日本、加拿大等國，每年在海洋和氣象業(yè)務使用的漂流浮標達上千個，主要用于海洋氣象、水文要素以及颶風觀測等，而我國在此方面幾乎空白，沒有國產(chǎn)的海洋氣象漂流觀測儀是主要原因之一。

華云升達（北京）氣象科技有限責任公司研發(fā)的海洋氣象漂流觀測儀填補了該項空白。該海洋氣象漂流觀測儀基于我國北斗導航通信衛(wèi)星，能夠完成海洋氣象要素（氣溫、氣壓、風速、風向）和海洋水文要素（海水溫度、海水鹽度）的觀測，對實現(xiàn)我國遠、近海全方位的海洋氣象觀測具有重要意義，并可為進一步提高天氣預報準確率和積累海洋氣象數(shù)據(jù)提供技術保障。

1 海洋氣象漂流觀測儀的系統(tǒng)組成

華云升達（北京）氣象科技有限責任公司研發(fā)的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的海洋氣象漂流觀測儀是以小型浮標球為工作平臺，搭載各種海洋氣象水文觀測以及數(shù)據(jù)通信設備，通過懸掛在水下的水帆，借助洋流的推動實現(xiàn)自主漂流觀測。觀測儀上搭載的各種傳感器的觀測數(shù)據(jù)，通過北斗衛(wèi)星或其他通信設備實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的通信。

該海洋氣象漂流觀測儀主要包括數(shù)據(jù)采集測量系統(tǒng)和浮標結(jié)構(gòu)系統(tǒng)兩部分，系統(tǒng)主要構(gòu)成部分如圖1所示。

圖1 海洋氣象漂流觀測儀的組成

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個海洋氣象漂流觀測儀數(shù)據(jù)處理的核心組成部分。數(shù)據(jù)測量采集系統(tǒng)以低功耗、多功能的微處理器為核心構(gòu)成主控制器；通過配置氣象（風向、風速、空氣溫度和大氣壓力）和海洋水文（表層海水溫度和鹽度）傳感器構(gòu)建數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)；觀測儀的姿態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)使用九軸姿態(tài)和GPS傳感器，實時監(jiān)控觀測儀的定位和姿態(tài)信息，同時為觀測數(shù)據(jù)的訂正提供校準參數(shù)；觀測儀以北斗衛(wèi)星通信為主數(shù)據(jù)通信手段，同時預留Argos衛(wèi)星通信方式；供電系統(tǒng)為整個海洋氣象漂流觀測儀提供電源，以儀器本身自帶鋰電池為主要供電方式，為了提高觀測儀的運行壽命，配置了太陽能光伏單元作為有益補充；為了最大限度地降低功耗，為所有主要部件和器件配置了獨立的電源控制。狀態(tài)檢測系統(tǒng)主要檢測包括采集器的主板溫度、電源系統(tǒng)的電壓、觀測儀浸沒狀態(tài)等。

數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，決定了儀器設備是否能夠達到“皮實耐用”的要求。其主要功能包括：

1）對觀測要素的數(shù)據(jù)采樣，包括空氣溫度、海面氣壓、表層海水溫度、表層海水鹽度、風速、風向。

2）對觀測要素的數(shù)據(jù)測量處理。

3）對采集系統(tǒng)電氣狀態(tài)檢測，包括采集器的主板溫度、電源系統(tǒng)的電壓等。

4）對觀測儀姿態(tài)的監(jiān)測，包括觀測儀浸沒狀態(tài)、觀測儀的九軸姿態(tài)和觀測儀的經(jīng)緯度地理信息等。

5）提供系統(tǒng)實時時鐘，并通過GPS校時。

6）對觀測數(shù)據(jù)進行存儲處理，并提供查詢處理功能。

7）自動存儲程序運行狀態(tài)日志記錄，并提供查詢處理功能。

8）自動發(fā)送觀測數(shù)據(jù)處理。

9）提供命令交互處理功能。

10）為了節(jié)省系統(tǒng)功耗，對所有部件進行電源管理。

11）為了系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，配有外部硬件看門狗管理單元；

12）系統(tǒng)運行時序管理。

2 北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

海洋氣象漂流觀測儀主要用來探測深遠海的數(shù)據(jù)，一般通信方式難以實現(xiàn)，或者成本較高。以往浮標站大都采用國外的Argos衛(wèi)星通信技術，不僅通信受時限，而且數(shù)據(jù)的安全性不能得到保證。該海洋氣象漂流觀測儀基于我國自主研發(fā)的北斗通信系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣不受地域影響、不受時限等特點，其通信組網(wǎng)架構(gòu)見圖2。

圖2 海洋氣象漂流觀測儀的通信架構(gòu)圖

北斗數(shù)據(jù)通信終端將主控系統(tǒng)處理后的各種數(shù)據(jù)信息以短消息的格式發(fā)送給北斗衛(wèi)星；北斗衛(wèi)星完成數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，將北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)終端發(fā)送來的數(shù)據(jù)，分別發(fā)送至北斗網(wǎng)管中心與基岸服務中心配置的北斗指揮機；北斗網(wǎng)管中心接收北斗衛(wèi)星傳來的數(shù)據(jù)并入庫保存；北斗指揮機可以實現(xiàn)配置本地衛(wèi)星通信網(wǎng)絡指揮管理控制，可以直接接收各個浮標發(fā)送回來的觀測數(shù)據(jù)，同時也可以對指定的遠程浮標實施遠程管理控制操作。海洋氣象漂流觀測儀岸基服務器，作為本地的數(shù)據(jù)接收管理控制中心，接收由指揮機送來的各站點觀測數(shù)據(jù)，并存入在本地建立的數(shù)據(jù)庫，供控制中心平臺訪問使用；觀測儀控制中心平臺，是實時處理數(shù)據(jù)的直觀顯示頁面，依托岸基服務器建立數(shù)據(jù)連接關系，通過計算機網(wǎng)路進行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)直觀顯示主要由PC機上的上位機軟件CAWSAnyWhere（圖3）完成，以實現(xiàn)客戶端的控制中心功能，主要功能：為海洋觀測人員提供各站點觀測數(shù)據(jù)的實時顯示、查詢，觀測歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析，實時監(jiān)測遠程浮標的運行狀態(tài)，并完成簡單的控制處理。

圖3 CAWSAnyWhere觀測儀監(jiān)控界面

3 海洋氣象漂流觀測儀的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

華云升達（北京）氣象科技有限責任公司研發(fā)的海洋氣象漂流觀測儀的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，包括浮標系統(tǒng)、水帆系統(tǒng)、纜繩三個主要部分（圖4）。

圖4 海洋氣象漂流觀測儀結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成示意

海洋氣象漂流觀測儀作為海上氣象觀測儀器，是以漂流浮標殼體為工作平臺。在漂流浮標結(jié)構(gòu)體上搭載各種相關的海洋氣象觀測傳感器、水文觀測傳感器、數(shù)據(jù)采集器以及通信設備等，實現(xiàn)海洋氣象、水文觀測以及數(shù)據(jù)的遠程傳輸。海洋氣象漂流觀測儀在殼體及上部安裝結(jié)構(gòu)設計上，既要保證浮標具有很好的隨流性，滿足拉格朗日法測流，又要獲取海表面氣壓、氣溫、風、溫鹽的數(shù)據(jù)。

水帆在海中穩(wěn)定浮標，并在水下受海流的推動作用漂移，提供漂流觀測儀隨洋流運動的動力，通過鋼纜和浮標殼體鉸接。

4 試驗分析

4.1 南海布放試驗臺風過程數(shù)據(jù)分析

海洋氣象漂流觀測儀隨搭載萬米級載人深潛器科考母船“張謇”號于2016年7月18日在南海布放，漂流觀測儀數(shù)據(jù)直接傳回北京中心站，氣象要素和海洋要素數(shù)據(jù)正常。

本次海試（圖5）為漂流觀測儀第一次在南海開展試驗，試驗過程中經(jīng)歷了2016年第4號臺風“妮妲”的考驗，并成功描述了臺風天氣過程的數(shù)據(jù)特征（圖6）。

圖5 海洋氣象漂流觀測儀南海運行軌跡圖

圖6 海洋氣象漂流觀測儀南海試驗海溫和氣溫數(shù)據(jù)以及國家海洋局相關海溫產(chǎn)品

數(shù)據(jù)顯示，氣溫數(shù)據(jù)表現(xiàn)出較明顯的日變化，圖6中紅色虛線處為臺風“妮妲”經(jīng)過時海溫和氣溫數(shù)據(jù)出現(xiàn)了明顯的降低。隨著“妮妲”向西移動，氣溫和海溫緩慢回升，其中海溫的數(shù)據(jù)變化幅度低于氣溫的變化幅度，表現(xiàn)出了較明顯的臺風變化特征，與其他觀測手段觀測的溫度數(shù)據(jù)比對表明，漂流觀測儀觀測數(shù)據(jù)結(jié)果合理。

4.2 博賀可靠性試驗數(shù)據(jù)分析

為了對海洋氣象漂流觀測儀的海洋環(huán)境適應性進行試驗測試，華云升達（北京）氣象科技有限責任公司布放了3臺海洋氣象漂流觀測儀（3臺設備編碼分別為S1031、S1034和S1040），于2017年5月在廣東博賀，進行了定點錨系試驗，錨系地點選取在博賀海洋氣象觀測平臺（圖7）附近。

選取觀測儀連續(xù)觀測段數(shù)據(jù)與博賀海洋氣象觀測平臺進行了對比分析，對比分析結(jié)果如下：

1）氣溫

從氣溫時間序列（圖8）可以看到，3套設備與海上平臺氣溫對比總體趨勢接近，8月7日和8日海上平臺氣溫明顯升高到接近40 ℃左右，分析原因可能是平臺數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題，所以剔除這兩日對比數(shù)據(jù)。

圖7 博賀海洋氣象觀測平臺

圖8 氣溫時間序列

依據(jù)觀測數(shù)據(jù)，分析3套設備與海上平臺氣溫的差值，基本上都在±2 ℃以內(nèi)，大部分在±1 ℃左右；設備與平臺、設備與設備之間的差值統(tǒng)計結(jié)果顯示：中位值在0～0.5 ℃，差值平均值在0.1～0.5 ℃。3臺漂流觀測儀設備與平臺的日變化有較好的一致性，夜間溫度低，白天由于太陽輻射開始同步升溫，升溫幅度基本一致，兩兩比較的差值基本保持在0.5 ℃左右。

2）氣壓

對比海洋氣象漂流觀測儀與海上觀測平臺的氣壓數(shù)據(jù)（圖9），可以看出試驗設備出現(xiàn)了一些波動，其余部分相互間都有較好的一致性；分別分析試驗設備與平臺數(shù)據(jù)的偏差，發(fā)現(xiàn)試驗設備與平臺氣壓都是負偏差，而且偏差絕對值基本在2～3 hPa，極少超過5 hPa。設備與平臺、設備與設備之間的差值統(tǒng)計結(jié)果顯示：中位值在-3～0.4 hPa，差值平均值在3 hPa以內(nèi)。測試過程中，氣壓傳感器隨時間推移，測量精度也表現(xiàn)出很好的一致性。

3）風向和風速

由于3套設備中只有S1034海洋氣象漂流觀測儀搭載了風向風速傳感器，選取S1034數(shù)據(jù)與平臺最底層風數(shù)據(jù)進行對比分析（圖10）。

圖9 氣壓時間序列

圖10 風向和風速時間序列

分析表明，S1034號海洋氣象漂流觀測儀風速與平臺風速數(shù)據(jù)有非常好的一致性，偏差集中在2 m/s左右。S1034號海洋氣象漂流觀測儀風向與平臺風向數(shù)據(jù)有較好的一致性，但是由于二者所處觀測環(huán)境有較大差別，比如平臺上相對固定，受浪涌等外界條件影響較?。欢Ｑ髿庀笃饔^測儀就不同，由于海洋氣象漂流觀測儀自身體積、重量較小，受到海浪等的作用力就相對就較大，從而導致海洋氣象漂流觀測儀風向的誤差較大。分析二者的偏差、相關性，浪涌等客觀原因可能是造成偏差和相關系數(shù)偏大的主要原因。

4）海溫

3套海洋氣象漂流觀測儀采用的是接觸式海溫傳感器，海洋平臺采用的是紅外式海溫傳感器，分別對表層海水溫度進行觀測，對比分析如下。

對海溫數(shù)據(jù)做簡單質(zhì)控（刪除≥40 ℃和≤10 ℃的數(shù)據(jù)）后，對比分析S1031、S1034、S1040與平臺的海溫數(shù)據(jù)（圖11），發(fā)現(xiàn)4條曲線都具有良好的日變化規(guī)律，且變化趨勢基本一致。分別對試驗設備與平臺數(shù)據(jù)做差值分析，發(fā)現(xiàn)試驗設備和平臺數(shù)據(jù)基本上都是正偏差，而且偏差基本上都在2 ℃左右。試驗設備與平臺、設備與設備之間的差值統(tǒng)計結(jié)果顯示：中位值在0～0.3 ℃，差值平均值在0～0.6 ℃。存在差值的原因很可能是傳感器測量原理的不同造成的。

圖11 海溫時間序列

5）海鹽

由于海上平臺沒有海水鹽度傳感器，本項未做對比分析。

經(jīng)過在博賀的可靠性試驗分析，剔除客觀環(huán)境造成的跑錨和人為等因素影響，證明華云升達（北京）氣象科技有限責任公司研發(fā)的海洋氣象漂流觀測儀的長期穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)可靠性是有保證的，能滿足海洋氣象觀測的需求，達到了設計目的。

5 結(jié)語

華云升達（北京）氣象科技有限責任公司研發(fā)的海洋氣象漂流觀測儀對于開展海洋氣象觀測業(yè)務，特別針對遠海區(qū)域獲取第一手直接的氣象觀測數(shù)據(jù)是非常實用和重要的觀測設備之一，可以滿足海洋觀測業(yè)務的應用需求，能夠為海洋氣象觀測應用提供布放操作方便、使用和維護成本相對低廉的適用設備，對于促進我國海洋氣象觀測和海洋氣象災害預警技術的進步和設備研發(fā)的進程有重要的意義。

深入閱讀

國家海洋局, 2007. GB/T 12763.2-2007. 海洋調(diào)查規(guī)范第2部分 海洋水文觀測. 北京: 中國標準出版社.

國家海洋局, 2007. GB/T 12763.3-2007. 海洋調(diào)查規(guī)范第3部分 海洋氣象觀測. 北京: 中國標準出版社.

譚鑒榮, 呂雪芹, 郎東梅, 等, 2013. 基于衛(wèi)星通信的海洋氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計. 氣象科技, 41(1): 51-56.

張勇, 陳蘇婷, 張燕, 2014. 基于北斗衛(wèi)星的自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸管理系統(tǒng). 電子技術應用, 40(5): 21-23.