北斗浮標(biāo)現(xiàn)場原位計(jì)量比對(duì)研究

賈偉廣， 常 雙， 程紹華， 沈飛飛

(國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心，天津 300112)

波浪是指海水受海風(fēng)、氣壓和地球自轉(zhuǎn)等影響，水質(zhì)點(diǎn)離開原來的平衡位置，而發(fā)生水面起伏現(xiàn)象。波浪是一種海水周期性的天然運(yùn)動(dòng)形態(tài)，屬于海洋水文核心參數(shù)之一，是海洋水動(dòng)力科學(xué)重要研究內(nèi)容之一[1]，波浪三要素是波高、波周期和波向。

海洋學(xué)家研制浮標(biāo)測量波浪，測量原理分為重力加速度式、海床基壓力式和岸站雷達(dá)式等[2]，其中重力加速度式浮標(biāo)發(fā)展最成熟，精度高。國外代表產(chǎn)品有荷蘭Datawell公司的波浪騎士浮標(biāo)(Waverider)[3]、加拿大AXYS公司的TRIAXYS浮標(biāo)，國內(nèi)有山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所SBF1-1型浮標(biāo)、中國海洋大學(xué)SZF型浮標(biāo)[4]。

依據(jù)國家技術(shù)規(guī)范(檢定規(guī)程)JJG1144-2017《重力加速度式波浪浮標(biāo)》規(guī)定，浮標(biāo)每年需要檢定/校準(zhǔn)一次[5]，以確保監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信。

目前，浮標(biāo)多是在布放以前在陸地實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)一次，布放以后幾乎不再校準(zhǔn)，導(dǎo)致沿海布放浮標(biāo)多數(shù)處于脫檢狀態(tài)[6]，存在數(shù)據(jù)質(zhì)量下降的隱患。

尋找科學(xué)合理的波浪浮標(biāo)現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)[7]，確保波浪浮標(biāo)測量得到的海面波浪場數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信是當(dāng)前研究的方向之一。

目前進(jìn)行浮標(biāo)現(xiàn)場校準(zhǔn)研究，國內(nèi)外多采用現(xiàn)場比對(duì)方式[8]。選擇一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)浮標(biāo)，將其與被校準(zhǔn)浮標(biāo)布放在同一海域，設(shè)置起始和終止時(shí)間，用標(biāo)準(zhǔn)浮標(biāo)評(píng)價(jià)被校準(zhǔn)浮標(biāo)的參數(shù)性能和技術(shù)指標(biāo)[9]。由于荷蘭Waverider浮標(biāo)技術(shù)成熟、可靠性高、投入市場較久，已被世界波浪研究機(jī)構(gòu)公認(rèn)為波浪標(biāo)準(zhǔn)浮標(biāo)[10]，目前大多機(jī)構(gòu)選擇Waverider與被校準(zhǔn)浮標(biāo)開展現(xiàn)場計(jì)量比對(duì)工作。

為打破國外技術(shù)壟斷，建立我國波浪現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)，研究人員另辟蹊徑，依托日益成熟的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，基于衛(wèi)星高精度定位原理，運(yùn)用高精度的載波相位差分技術(shù)RTK(Real-Time Kinematic)，設(shè)計(jì)電子、軟控和機(jī)械部件，研發(fā)完成北斗定位信號(hào)新型浮標(biāo)(北斗浮標(biāo))。

將北斗浮標(biāo)與Waverider進(jìn)行計(jì)量比對(duì)，結(jié)果顯示兩臺(tái)浮標(biāo)數(shù)據(jù)基本一致，技術(shù)性能相似。北斗浮標(biāo)可替代Waverider，可作為一種新校準(zhǔn)手段，為波浪參數(shù)量值傳遞提供了一種新的有效途徑。

1 海試計(jì)量比對(duì)浮標(biāo)和比對(duì)過程

研究人員將Waverider和北斗浮標(biāo)布放在同一開闊海域，對(duì)兩套浮標(biāo)復(fù)現(xiàn)海浪量值進(jìn)行比較，由于兩臺(tái)浮標(biāo)具有完全相同的海況變化條件，所以符合計(jì)量比對(duì)要求。海試比對(duì)浮標(biāo)及計(jì)量比對(duì)海試過程如下。

1.1 Waverider浮標(biāo)

1968年，荷蘭Datawell公司推出第一代Waverider浮標(biāo)，只能測量波高、波周期，不能測量波向[11]。1988年，Waverider浮標(biāo)增加波向測量功能，實(shí)現(xiàn)全參數(shù)測量[12]。經(jīng)過多年技術(shù)改進(jìn)，該浮標(biāo)目前已成為世界上最成熟、占有市場份額最高的浮標(biāo)產(chǎn)品[13]。Waverider內(nèi)部裝有Wave unit(測波單元)，Wave unit核心傳感器是Hippy40，由置于水平平臺(tái)的重力加速度傳感器組成[14]，浮標(biāo)整機(jī)和內(nèi)部模塊如圖1所示。

圖1 Waverider浮標(biāo)整體外形和核心模塊

經(jīng)過近50年的持續(xù)改進(jìn)，Waverider浮標(biāo)性能穩(wěn)定，準(zhǔn)確性較高[15]，在觀測海域若有多種廠家浮標(biāo)同時(shí)工作時(shí)，科研人員公認(rèn)Waverider浮標(biāo)測量數(shù)據(jù)是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值[16]，Waverider浮標(biāo)可測量波高范圍為-20～20 m，最大允許誤差(Maximum Permissible Error，MPE)是測量值×0.5%，波周期測量范圍1.6～30 s，MPE為0.2 s，波向測量范圍為0～360°，MPE為0.5°。技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 Waverider浮標(biāo)技術(shù)參數(shù)

1.2 北斗浮標(biāo)

北斗浮標(biāo)含兩個(gè)模塊：海面測量模塊和陸地控制模塊。其中，海面測量模塊包括衛(wèi)星天線、高頻雙工電臺(tái)、衛(wèi)星信號(hào)運(yùn)算電路等器件；陸地控制模塊包括衛(wèi)星天線、雙工電臺(tái)和上位機(jī)等器件。實(shí)際工作時(shí)，這兩個(gè)模塊協(xié)同工作，陸地控制模塊中的衛(wèi)星天線位置靜止不變，首先將精密星歷和坐標(biāo)修正信息轉(zhuǎn)換成RTK信號(hào)，通過電臺(tái)傳給海面測量模塊，海面測量模塊接收RTK信號(hào)，融合姿態(tài)變化信號(hào)，經(jīng)過解析運(yùn)算可得到實(shí)時(shí)高精度波浪數(shù)據(jù)，然后再通過無線電臺(tái)傳給陸地控制模塊，最終可得到高精度波浪數(shù)值。北斗浮標(biāo)原理如圖2所示，整機(jī)模塊如圖3所示。

圖2 北斗浮標(biāo)測量波浪原理圖

圖3 北斗浮標(biāo)整機(jī)模塊組成和裝配示意圖

研究人員先后完成數(shù)學(xué)建模、硬件選配、軟件調(diào)試、量值溯源工作，完成北斗浮標(biāo)樣機(jī)研制，然后通過波浪三要素準(zhǔn)確性、天線遮擋、姿態(tài)補(bǔ)償和頻譜匹配等陸地測試，結(jié)果顯示該浮標(biāo)技術(shù)性能較好，波高、波周期和波向示值誤差分別為0.03 m，0.1 s，2.0°，滿足國家計(jì)量檢定規(guī)程要求。

1.3 性能指標(biāo)比對(duì)分析

北斗浮標(biāo)核心模塊是衛(wèi)星板卡，可以輸出高精度豎直位移數(shù)據(jù)，通過解算可得波高數(shù)值。通過深入研究，在數(shù)據(jù)更新率、波高精度(20 m時(shí))和功耗方面，北斗浮標(biāo)均優(yōu)于Waverider浮標(biāo)，技術(shù)參數(shù)對(duì)比如表2所示。

表2 北斗浮標(biāo)與Waverider浮標(biāo)技術(shù)參數(shù)對(duì)比

考慮到惡劣海況下，衛(wèi)星板卡可能會(huì)丟失部分衛(wèi)星信號(hào)，此時(shí)容易導(dǎo)致錯(cuò)誤數(shù)據(jù)輸出，為解決此問題，北斗浮標(biāo)配備姿態(tài)傳感器，輸出加速度和角速度數(shù)據(jù)，用于補(bǔ)償衛(wèi)星信號(hào)丟失的波高位移數(shù)據(jù)。北斗浮標(biāo)配置技術(shù)水平較高的加速度和角速度測量儀，可有效解決衛(wèi)星信號(hào)丟失的技術(shù)難題，兩套浮標(biāo)的加速度和角速度對(duì)比如表3所示。

表3 北斗浮標(biāo)與Waverider浮標(biāo)加/角速度對(duì)比

可見，通過對(duì)比兩套浮標(biāo)的硬件精度、主機(jī)性能等技術(shù)指標(biāo)，可知北斗浮標(biāo)比Waverider浮標(biāo)具有一定的技術(shù)優(yōu)勢。

1.4 計(jì)量比對(duì)過程

為驗(yàn)證北斗浮標(biāo)在海面實(shí)際性能指標(biāo)(可靠性、準(zhǔn)確性和適應(yīng)性)，在青島小麥島和威海褚島分別進(jìn)行現(xiàn)場海試各一次。將兩次北斗浮標(biāo)測量結(jié)果與同海況下Waverider浮標(biāo)觀測結(jié)果進(jìn)行比較，分析波浪數(shù)據(jù)變化趨勢一致程度，評(píng)判北斗浮標(biāo)是否滿足現(xiàn)場校準(zhǔn)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具的需求。

2018年12月07日—21日，在小麥島海洋臺(tái)站附近海域(N36.02°、E120.25°)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)海況計(jì)量比對(duì)試驗(yàn)。布放位置位于小麥島海洋站南向海域，距離海洋站約3 km、水深20 m，附近已有1臺(tái)正常工作的Waverider浮標(biāo)，北斗浮標(biāo)距離Waverider浮標(biāo)約400 m遠(yuǎn)，兩臺(tái)儀器經(jīng)歷波浪場相同，聯(lián)合觀測數(shù)據(jù)結(jié)果可信度高。

2019年11月19日—2020年1月10日，將北斗浮標(biāo)和Waverider浮標(biāo)布放在威海海上綜合試驗(yàn)場海域(N37.36°、E122.54°)，水深25 m，兩套浮標(biāo)相距300 m，再次進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)海況比對(duì)試驗(yàn)。

兩次海試歷時(shí)共66天，取得測試數(shù)據(jù)24.32 GB，期間多次經(jīng)歷寒潮大風(fēng)、風(fēng)浪較大等較差海況。

2 現(xiàn)場計(jì)量比對(duì)海試結(jié)果

海試完成后，整理北斗浮標(biāo)與Waverider浮標(biāo)聯(lián)合觀測數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。試驗(yàn)結(jié)果顯示北斗浮標(biāo)與Waverider浮標(biāo)測量數(shù)據(jù)的一致性較好，兩臺(tái)儀器示值誤差滿足國家技術(shù)規(guī)范要求。北斗浮標(biāo)可替代Waverider浮標(biāo)，作為現(xiàn)場原位校準(zhǔn)測試的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具，解決了我國波浪現(xiàn)場原位校準(zhǔn)時(shí)國產(chǎn)計(jì)量器具缺失的技術(shù)難題。

波高、波周期和波向計(jì)量比對(duì)結(jié)果分析如下。

2.1 波高計(jì)量比對(duì)結(jié)果

為提高北斗浮標(biāo)測波數(shù)據(jù)解算速度和精度，首先從北斗系統(tǒng)5顆GEO(Geostationary Earth Orbits,地球靜止軌道)衛(wèi)星中選取2012年發(fā)射、位于E110.6°的第16顆星作為基準(zhǔn)星，全程參與三維精度定位計(jì)算；同時(shí)選取且只選取處于差分定位測波狀態(tài)的數(shù)據(jù)組，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)屬于固定解，而非浮點(diǎn)解，此時(shí)精度最高；最后，要求差分定位測波數(shù)據(jù)的HDOP(Horizontal Dilution of Precision,水平精度因子)值不大于1.5。

經(jīng)過連續(xù)多天不間斷試驗(yàn)，期間接收定位信號(hào)的衛(wèi)星總顆數(shù)不低于14顆；期間遭遇多次寒潮大風(fēng)天氣，北斗浮標(biāo)工作性能基本穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)連續(xù)性較好。

Waverider波高測量范圍為0.17～0.47 m，北斗浮標(biāo)對(duì)應(yīng)波高范圍為0.15～0.45 m，比對(duì)結(jié)果表明最大示值誤差絕對(duì)值為0.04 m，滿足JJG1144-2017《重力加速度式波浪浮標(biāo)檢定規(guī)程》中波高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具不大于±0.05 m的要求。部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示，數(shù)據(jù)截圖如圖4所示。

表4 波高試驗(yàn)數(shù)據(jù)(部分)

圖4 波高計(jì)量比對(duì)(部分)數(shù)據(jù)變化圖

2.2 波周期計(jì)量比對(duì)結(jié)果

波周期是跟波高參數(shù)不可分割的一組參量，對(duì)預(yù)測波動(dòng)發(fā)展趨勢、評(píng)價(jià)海浪蘊(yùn)含能量意義重大。

海試中，Waverider浮標(biāo)測量波周期范圍為2.71～5.97 s，北斗浮標(biāo)對(duì)應(yīng)波周期范圍為2.80～5.95 s，校準(zhǔn)結(jié)果顯示最大示值誤差絕對(duì)值為0.10 s，滿足JJG1144-2017《重力加速度式波浪浮標(biāo)檢定規(guī)程》中波周期計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具不大于±0.2 s要求，部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示，數(shù)據(jù)截圖如圖5所示。

表5 波周期試驗(yàn)數(shù)據(jù)(部分)

圖5 波周期計(jì)量比對(duì)(部分)數(shù)據(jù)變化圖

2.3 波向計(jì)量比對(duì)結(jié)果

波向是指垂直于波峰線的波浪行進(jìn)方向。目前國內(nèi)法定計(jì)量機(jī)構(gòu)已建立波浪計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，可在陸地實(shí)驗(yàn)室內(nèi)提供波高和波周期計(jì)量校準(zhǔn)服務(wù)。但是尚無單位建立波向計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，波向參數(shù)量值溯源仍然是一項(xiàng)技術(shù)空白，更無法滿足現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)需求。

目前包括Waverider浮標(biāo)在內(nèi)的錨系浮標(biāo)，均內(nèi)置磁羅經(jīng)。測量波向時(shí)，首先確定地磁北向并將其設(shè)定為0°向，然后測量波向數(shù)值。由于地磁北向位置會(huì)隨時(shí)間改變，很難找到規(guī)律，此種波向測量方式需實(shí)時(shí)確定地磁北向精確位置，存在一定技術(shù)缺陷，亟需研究一種新的波向測量技術(shù)。

北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)采用地心坐標(biāo)系CGCS(China Geodetic Coordinate System)2000，基于北斗系統(tǒng)的北斗浮標(biāo)測量波向時(shí)，首先將地球真北向設(shè)為0°向，然后測量波向數(shù)值，此方式可完全脫離地磁變化的影響。由于地球真北向是固定唯一的、不隨時(shí)間變化而改變的，所以北斗浮標(biāo)可大幅提升波向測量精度。

在進(jìn)行波向參數(shù)海試時(shí)，首先分析地球磁北向(Waverider測得)和地球真北向(北斗浮標(biāo)測得)之間固有差異，綜合考慮兩個(gè)北向之間角度變化量，然后進(jìn)行波向觀測數(shù)據(jù)處理，消除此誤差。

海試結(jié)果顯示，兩臺(tái)儀器波向最大示值誤差絕對(duì)值為3.4°，滿足現(xiàn)行有效的《GB/T14914-2006海濱觀測規(guī)范》中波向技術(shù)指標(biāo)不大于±5°的要求，部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示，數(shù)據(jù)截圖如圖6所示。

表6 波向試驗(yàn)數(shù)據(jù)(部分)

圖6 波向計(jì)量比對(duì)(部分)數(shù)據(jù)變化圖

3 小結(jié)和展望

北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航是我國自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是國之重器，目前已完成北斗三號(hào)衛(wèi)星全球組網(wǎng)?；诒倍废到y(tǒng)的各種應(yīng)用研究正如火如荼地進(jìn)行，北斗浮標(biāo)屬于海洋波浪測量技術(shù)、北斗高精度定位技術(shù)的融合創(chuàng)新之一。

筆者提出了一種浮標(biāo)現(xiàn)場測量技術(shù)，并形成了一套較高精度的標(biāo)準(zhǔn)器具。改變現(xiàn)場校準(zhǔn)只能依托國外儀器作為標(biāo)準(zhǔn)器具的舊模式。計(jì)量比對(duì)結(jié)果顯示這兩套儀器技術(shù)性能基本相同，北斗浮標(biāo)滿足現(xiàn)行有效的JJG1144-2017《重力加速度式波浪浮標(biāo)檢定規(guī)程》和GB/T14914-2006《海濱觀測規(guī)范》中波高、波周期和波向的技術(shù)指標(biāo)要求。今后在現(xiàn)場校準(zhǔn)評(píng)價(jià)其他浮標(biāo)時(shí)，北斗浮標(biāo)可取代Waverider，實(shí)現(xiàn)波浪原位量值傳遞源頭國產(chǎn)化；同時(shí)，北斗浮標(biāo)也可定期與Waverider開展現(xiàn)場計(jì)量比對(duì)測試，判斷Waverider工作是否正常、測量數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確可信。

波向校準(zhǔn)對(duì)電磁環(huán)境有極高要求，目前國內(nèi)外計(jì)量機(jī)構(gòu)均未建立室內(nèi)波向計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，更無法對(duì)波向參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)工作。北斗浮標(biāo)可規(guī)避基于磁羅經(jīng)測波向的零值誤差，剔除波向數(shù)值固有誤差，為波向現(xiàn)場校準(zhǔn)提供了一種新手段。

下一步工作展望：

① 增大試驗(yàn)強(qiáng)度，增加現(xiàn)場海試次數(shù)，爭取在不同季節(jié)、不同海況下進(jìn)行計(jì)量比對(duì)試驗(yàn)，獲取更多數(shù)據(jù)，提高技術(shù)成熟度；

② 北斗浮標(biāo)電臺(tái)模塊耗電量較大，影響工作時(shí)長，需優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)、降低能耗、延長工作時(shí)長；

③ 進(jìn)行現(xiàn)場海試、選擇試驗(yàn)場時(shí)，要求試驗(yàn)海域遠(yuǎn)離高壓輸電線、海上風(fēng)力發(fā)電廠等產(chǎn)生干擾磁場的區(qū)域，盡量降低電磁干擾對(duì)波向測量結(jié)果的影響，增加相關(guān)研究內(nèi)容，提升海試結(jié)果可靠可信度。