GPS技術(shù)下測(cè)高浮標(biāo)的設(shè)計(jì)、研制及測(cè)試

白建華

【摘?要】文中詳細(xì)介紹了GPS浮標(biāo)的研制工作，分別對(duì)可用于高度計(jì)海面高度定標(biāo)使用的GPS浮標(biāo)的性能要求、設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬計(jì)算做了詳細(xì)研究，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)研制后浮標(biāo)的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，數(shù)值模擬結(jié)果表明研制的浮標(biāo)可以滿足海上試驗(yàn)的要求。最后結(jié)合GPS浮標(biāo)測(cè)高驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)研制的GPS浮標(biāo)的測(cè)高精度進(jìn)行了驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】GPS浮標(biāo);衛(wèi)星高度計(jì);高度計(jì)定標(biāo);數(shù)值模擬

引言

星載高度計(jì)是一種星載微波雷達(dá)，為人類提供了高精度、周期性測(cè)量全球范圍海面高度的手段，廣泛應(yīng)用于全球海平面變化、大中尺度的海洋變化、大洋環(huán)流、大地水準(zhǔn)面、全球重力場(chǎng)等方面的研究。利用海面真值測(cè)量進(jìn)行的絕對(duì)定標(biāo)是監(jiān)視衛(wèi)星高度計(jì)整體工作性能、提高遙感信息置信度的重要手段。為了滿足高度計(jì)海面高度現(xiàn)場(chǎng)定標(biāo)的需求，并確定定標(biāo)的精度，通過測(cè)高獲取水位數(shù)據(jù)，需要對(duì)全球定位系統(tǒng)（GPS）浮標(biāo)海面高度測(cè)量精度及影響因素進(jìn)行研究。（本項(xiàng)目由國家海洋局南海分局海洋科學(xué)技術(shù)局長(zhǎng)基金資助）

一、GPS浮標(biāo)設(shè)計(jì)

（一）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(cè)量為目的，浮標(biāo)需要滿足以下要求：（1）浮標(biāo)靜水條件下測(cè)高精度小于2cm;（2）浮標(biāo)外形應(yīng)滿足：動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、設(shè)備空間要求以及易于部署和回收;GPS天線相位中心相對(duì)海平面高度差易于測(cè)量;（3）GPS浮標(biāo)天線配有扼流圈天線（抑制多路徑效應(yīng)）;（4）浮標(biāo)內(nèi)可安裝電池和接收機(jī)，電池具備持續(xù)供電5d以上能力，標(biāo)體外部安裝太陽能板用以給蓄電池充電;（5）浮標(biāo)倉體密封良好，保證GPS正常工作;（6）浮標(biāo)上需加入安全警示燈，保證晚上儀器布放安全;（7）配重固定在浮標(biāo)底部中央位置，可調(diào)節(jié)重量，方便不同海況下使用;（8）浮標(biāo)在側(cè)面和底部同時(shí)有系纜點(diǎn)，方便不同的浮標(biāo)布放形式;（9）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。

（二）GPS浮標(biāo)對(duì)高度計(jì)定標(biāo)的原理

衛(wèi)星高度計(jì)的定標(biāo)原理可以做如下解釋：使用GPS浮標(biāo)在衛(wèi)星星下點(diǎn)處、衛(wèi)星過境時(shí)刻測(cè)量海面絕對(duì)高度值，與衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量的海面高度進(jìn)行對(duì)比，二者對(duì)比的結(jié)果即為高度計(jì)的偏差或偏移：BiasAlt=SSHAlt-SSHGPSbouy其中：SSHAlt是由衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量得到的瞬時(shí)海面高度，SSHGPSbouy是由GPS浮標(biāo)測(cè)量得到的海面高度。最終得到的BiasAlt正值表示高度計(jì)測(cè)量的海面高度比實(shí)際海面高度要高，負(fù)值相反。使用GPS浮標(biāo)法的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量精度高，僅考慮垂直基準(zhǔn)的精度和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理的精度，大地水準(zhǔn)面和潮位差的影響較小，可忽略不計(jì)。

二、GPS浮標(biāo)研制

（一）GPS浮標(biāo)密封性

為保證浮標(biāo)的密封性，采用密封槽和密封圈的方法，用艙蓋將艙體進(jìn)行密封，為滿足浮標(biāo)艙體的抗撞擊性能要求，采用了加厚的鋼板制作儀器艙。

（二）浮標(biāo)供電

浮標(biāo)供電采用內(nèi)置蓄電池外加太陽能板充電的方法，既解決了供電問題，又增加配重，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2塊12V，24Ah，重7.9kg的蓄電池。制作完成后的GPS浮標(biāo)見圖1，浮桶半徑750mm，總重量為92kg。

三、GPS浮標(biāo)測(cè)高精度影響因素

（一）溫鹽對(duì)GPS浮標(biāo)精度的影響

通過阿基米德定律對(duì)浮標(biāo)在不同溫度、鹽度下的天線高進(jìn)行分析，得到了不同溫度、鹽度與天線高誤差的關(guān)系，從而可以在高度計(jì)定標(biāo)試驗(yàn)中消除此項(xiàng)誤差。GPS浮標(biāo)天線高增加的情況，可根據(jù)不同海區(qū)、季節(jié)的情況選擇合適的改正。

（二）天線相位中心對(duì)GPS浮標(biāo)精度的影響

高度計(jì)定標(biāo)過程中GPS浮標(biāo)與基準(zhǔn)站之間的基線長(zhǎng)度一般在40km以內(nèi)，而GPS衛(wèi)星軌道平均高度約為20200km[12]，通過計(jì)算三角函數(shù)關(guān)系，GPS衛(wèi)星高度角和方位角差異小于0.11°。因此在解算GPS基站與GPS浮標(biāo)基線時(shí)可以不考慮對(duì)天線相位中心的變化進(jìn)行改正，而僅考慮天線相位中心偏差的影響。

四、GPS浮標(biāo)測(cè)高精度驗(yàn)證

GPS浮標(biāo)設(shè)計(jì)和研制完成后，采用驗(yàn)潮儀對(duì)GPS浮標(biāo)的測(cè)高精度進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)潮儀采用加拿大RBRTGR-1050HT驗(yàn)潮儀，10m精度為1cm，滿量程的0.1%，采樣周期設(shè)為1min。試驗(yàn)共進(jìn)行4次，得到4d浮標(biāo)和驗(yàn)潮儀的同步測(cè)量結(jié)果。浮標(biāo)布放在驗(yàn)潮儀20m附近，基站距離浮標(biāo)約50m。采用水準(zhǔn)測(cè)量的方法將基站基準(zhǔn)點(diǎn)處的高度推算到驗(yàn)潮儀傳感器位置處。通過這種方法，將驗(yàn)潮儀測(cè)量的水面高度與浮標(biāo)測(cè)量的水面高度統(tǒng)一到相同的坐標(biāo)框架下。

利用GAMIT中帶有的TRACK軟件，建立track.cmd控制文件，以靜態(tài)站作為基準(zhǔn)站，GPS浮標(biāo)時(shí)間間隔為1s，使用精密星歷文件對(duì)GPS浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理過程中，計(jì)算浮標(biāo)GPS天線相位中心到水平面的距離121.25mm。由于驗(yàn)潮儀的數(shù)據(jù)采集周期為1min，而GPS浮標(biāo)的數(shù)據(jù)采集周期為1s，因此我們將每60個(gè)GPS浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，使其與GPS浮標(biāo)的數(shù)據(jù)相匹配，并采用濾波的方法將GPS浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。試驗(yàn)共進(jìn)行4次，得到4d浮標(biāo)和驗(yàn)潮儀的同步測(cè)量結(jié)果。為了更好地表現(xiàn)出GPS浮標(biāo)測(cè)量結(jié)果與驗(yàn)潮儀結(jié)果的趨勢(shì)和一致性，將出4次試驗(yàn)GPS浮標(biāo)和驗(yàn)潮儀有較好的一致性和變化趨勢(shì)，GPS浮標(biāo)與驗(yàn)潮儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量比對(duì)在0km基站解算下兩者的偏差是7.40cm，均方根誤差為0.55cm，精度較高。4次試驗(yàn)的偏差的變化為標(biāo)準(zhǔn)偏差1.58cm，偏差較大可能是由于驗(yàn)潮儀大氣壓和GPS浮標(biāo)天線高等誤差引起的，具體原因需要進(jìn)一步研究。

結(jié)語

我國在2002年12月發(fā)射的神舟四號(hào)（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(gè)海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星HY-2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(duì)定標(biāo)工作一直沒有開展起來，急切需要開展自主的高度計(jì)海面高度定標(biāo)工作。在高度計(jì)GPS浮標(biāo)定標(biāo)法方面開展高精度GPS浮標(biāo)設(shè)計(jì)、研制工作，并通過4次試驗(yàn)對(duì)浮標(biāo)測(cè)高精度進(jìn)行測(cè)試，為進(jìn)一步的高度計(jì)海面高度GPS定標(biāo)及水位測(cè)量提供現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x器。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：國家海洋局汕尾海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站）