衛(wèi)星測波浮標的海上現(xiàn)場校準方法與試驗研究

于建清，秦鑫培

（國家海洋標準計量中心，天津 300112）

波浪是海洋水文觀測的基本要素之一。波浪觀測資料的準確與否，對海洋工程、海上交通、海洋漁業(yè)、海洋研究及海洋軍事活動等都有重大影響[1]。波浪浮標是目前對波浪進行長期、定時、定點觀測的主要設(shè)備之一，它系泊漂浮于海面，跟蹤波浪的軌跡運動，測量海浪的波高、波周期，有的還可測量波向。對波浪浮標的測量結(jié)果進行校準，保證測量值的準確可靠，是保障波浪觀測有效性的重要措施。

目前，國內(nèi)外應(yīng)用最多的波浪浮標有兩種不同原理，一是基于加速度計的測波浮標，浮標殼體內(nèi)安裝加速度計，加速度計隨波面升降測量垂直加速度電壓信號，該信號經(jīng)二次積分電路處理后得到波面起伏的電壓信號，將該信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和計算處理后就可以得到波高的各種特征值，同時，兩相鄰波峰間的時間間隔為波周期；二是近些年來逐步發(fā)展和增多的基于衛(wèi)星定位技術(shù)的測波浮標，浮標體內(nèi)安裝全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）接收機，利用接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號解算得到波浪信息。經(jīng)過實踐應(yīng)用和測量結(jié)果比對，可以證明衛(wèi)星測波浮標與重力加速度式測波浮標具有相同的測量準確度[2-4]。

衛(wèi)星測波浮標既可錨定測波，也可隨波逐流測波，具有較高的時間和空間分辨率，增加了海洋觀測手段的多樣性，彌補了局部觀測手段的不足。目前國內(nèi)如國家海洋技術(shù)中心等單位，已經(jīng)研制了衛(wèi)星測波浮標并實現(xiàn)定型，并應(yīng)用于業(yè)務(wù)化觀測和科研[5-6]。為了保證該類儀器的量值統(tǒng)一，需要對其進行校準[7]。但受限于實驗室內(nèi)衛(wèi)星信號不足，同時海上環(huán)境不可復(fù)現(xiàn)，因此需發(fā)展衛(wèi)星測波浮標的現(xiàn)場校準技術(shù)。

針對衛(wèi)星測波浮標，本文發(fā)展了從實驗室到海上的鏈條式現(xiàn)場校準方法，研制了量值可溯源至國際單位制（長度與時間）的衛(wèi)星測波浮標現(xiàn)場校準裝置，包括波浪校準架與波浪特征值校準單元；同時，以帶“校準接口”、能接受現(xiàn)場校準命令和回送校準階段所有測量原始數(shù)據(jù)與結(jié)果的衛(wèi)星測波浮標為校準對象，開展了近海的現(xiàn)場校準試驗研究。

1 衛(wèi)星測波浮標現(xiàn)場校準流程設(shè)計

1.1 衛(wèi)星測波浮標測量原理

衛(wèi)星測波浮標內(nèi)裝有一個衛(wèi)星信號接收機，浮標在海上隨波浪一起上下起伏、左右搖擺，浮標與衛(wèi)星之間存在相對運動，衛(wèi)星發(fā)射的信號頻率與浮標體內(nèi)的衛(wèi)星信號接收機接收到的衛(wèi)星信號頻率是不同的，兩者之間存在著頻率偏移，即多普勒頻移。多普勒頻移的大小與浮標體的運動狀態(tài)、運動姿態(tài)和運動速度均有關(guān)系。

式中，fr為浮標體內(nèi)衛(wèi)星信號接收機接收信號頻率；fs為衛(wèi)星信號頻率；c 為電磁波在空氣中的傳播速度；vs為衛(wèi)星運動速度；vr為衛(wèi)星信號接收機的運動速度[5-6]。當vs與vr遠遠小于c 時，多普勒頻移fd見式（2）。

浮標體內(nèi)衛(wèi)星信號接收機的運動速度見式（3）。

衛(wèi)星信號接收機的運動位移Δd 見式（4）。

式中，Δt 為采樣時間間隔。

衛(wèi)星測波浮標在海上現(xiàn)場觀測時，利用衛(wèi)星信號的多普勒頻移解算出浮標體的三維運動速度[8-9]。然后利用經(jīng)典的海浪理論，解算出測量時段內(nèi)的波浪特征值，即波高、波周期和波向[10]。

1.2 衛(wèi)星測波浮標現(xiàn)場校準的流程設(shè)計

對衛(wèi)星測波浮標的波高與波周期測量值進行校準，首先是校準浮標硬件核心（衛(wèi)星信號接收機），其次是校準驗證浮標根據(jù)運動信息解算波浪特征值的能力和性能。根據(jù)衛(wèi)星信號接收機在中國計量科學(xué)研究院的量值溯源結(jié)果，其測速的準確度非常高，對波浪測量結(jié)果的影響可忽略不計。因此，在保證衛(wèi)星信號接收機性能的基礎(chǔ)上，衛(wèi)星測波浮標測量結(jié)果準確程度的關(guān)鍵，在于利用衛(wèi)星信號接收機接收到的衛(wèi)星速度等原始信號和對波浪特征值進行解算的算法。

目前國內(nèi)外產(chǎn)品化的衛(wèi)星測波浮標包括荷蘭Datawell 公司的DWR-G9 型、DWR-G7 型和DWRG4 型，以及國家海洋技術(shù)中心的SBF7-1A 型。波高測量范圍最大20 m，分辨力為0.01 m；波周期測量范圍最大100 s，分辨力為0.1 s。根據(jù)GB/T 14914.2—2019《海洋觀測規(guī)范第2 部分：海濱觀測》和GB/T 12763.3—2007《海洋調(diào)查規(guī)范 第2 部分：海洋水文觀測》的要求，波高觀測的準確度等級分為兩級：一級最大允許誤差為觀測值的±10%，二級為±15%；波周期的最大允許誤差為±0.5 s。結(jié)合衛(wèi)星測波浮標的產(chǎn)品技術(shù)指標和國家標準對波浪觀測的要求，明確現(xiàn)場校準的要素為波高與波周期；考慮海上現(xiàn)場建立量值溯源傳遞鏈條的難度大，以及近海波浪特點，確定現(xiàn)場校準的波高測量范圍為0～2.0 m，波周期為2～25 s。

本文研制衛(wèi)星測波浮標的現(xiàn)場校準裝置，以帶有“校準接口”具備校準功能的衛(wèi)星測波浮標為校準對象，建立從實驗室到海上的鏈條式現(xiàn)場校準方法。現(xiàn)場校準裝置由波浪校準架和波浪特征值校準單元（以下簡稱波浪校準單元）組成。當海上現(xiàn)場的浮標進入校準流程后，將校準時段（30 min）內(nèi)的多普勒頻移或速度數(shù)據(jù)、波浪測量值，通過數(shù)傳電臺全部傳輸至岸上或通訊距離范圍內(nèi)船舶上的波浪校準單元。該單元具有解算衛(wèi)星信號至波浪特征值的能力，經(jīng)陸上波浪校準架校準后，其在海上現(xiàn)場測量結(jié)果為波浪標準值。浮標測量結(jié)果與波浪校準單元解算結(jié)果相減，得到波高與波周期的示值誤差。波浪校準單元由陸地實驗室的波浪校準架校準，波浪校準架實現(xiàn)垂直升降式正弦模擬波浪起伏，可以模擬實海況下波浪振幅和周期的隨機性，其波高和波周期直接溯源至國際單位制的長度和時間。衛(wèi)星測波浮標的現(xiàn)場校準流程圖如圖1 所示。

圖1 衛(wèi)星測波浮標現(xiàn)場校準的流程圖

2 衛(wèi)星測波浮標現(xiàn)場校準裝置

2.1 波浪校準架

波浪校準架計量檢定波浪校準單元的波高和波周期測量性能。波浪校準架采用對稱式雙側(cè)驅(qū)動豎直升降模式，復(fù)現(xiàn)給定波形的波浪，既可模擬輸出豎直方向上的標準的、規(guī)則正弦波，也可模擬輸出給定的、不規(guī)則正弦波。對于在負載設(shè)計范圍內(nèi)的被校對象，整個波浪模擬過程中均不需調(diào)整配重，且校準對象可時刻保持豎直向上姿態(tài)。波高測量范圍為0～2.0 m，波周期測量范圍為2～25 s；經(jīng)中國計量科學(xué)研究院等第三方計量機構(gòu)的檢測，波高示值誤差不超過±1.1 mm，波周期示值誤差不超過±0.07 s。波浪校準架檢測結(jié)果見表1 和表2。

表1 波浪校準架的波高計量檢測結(jié)果

表2 波浪校準架的波周期計量檢測結(jié)果

2.2 波浪特征值校準單元

波浪特征值校準單元是現(xiàn)場校準的關(guān)鍵。首先，它具有測量功能，內(nèi)置衛(wèi)星信號接收機，測量原理與衛(wèi)星測波浮標海上測量一致。在陸上實驗室的空曠地帶，利用波浪校準架進行校準。波浪校準架輸出給定的波高與波周期，該校準單元隨波浪校準架起伏運動，利用采集的衛(wèi)星信號（運動速度）計算輸出測量值。根據(jù)波浪校準架的標準值，給出校準系數(shù)。置入校準系數(shù)的校準單元，測量準確度提高。其次，該校準單元具有發(fā)送命令和接收測波浮標海上原始數(shù)據(jù)的功能，并且可將這些數(shù)據(jù)解算為波浪特征值，作為現(xiàn)場校準的標準值。校準單元如圖2 所示。

圖2 波浪特征值校準單元

3 現(xiàn)場校準程序

3.1 陸上校準波浪特征值校準單元

（1）波浪校準架在空曠、無遮擋的室外工作。

（2）波高校準點為2.0 m，波周期校準點為3.8 s、5.0 s、6.3 s、8.4 s、11.1 s、12.4 s 和25.0 s。

（3）按照波高校準點將校準單元安裝在波浪校準架上，確保其安全穩(wěn)固，并且校準單元隨波浪校準架運動時始終保持豎直狀態(tài)，無傾翻或失衡的可能。

（4）將波高校準點、波周期校準點、運行時間等參數(shù)依次置入波浪校準架的控制系統(tǒng)，啟動運行。

（5）波浪校準架穩(wěn)定運行后，啟動校準單元，在采集時段結(jié)束后，給出該時段內(nèi)波浪測量值。

（6）在每個波周期校準點測量一次，計算波高與波周期的測量誤差。

（7）按式（5）計算各個波周期校準點下的波高校準系數(shù)。

（8）將校準系數(shù)植入校準單元，以獲得更準確的測量值。

式中，a 為波高校準系數(shù)；H1/3i為校準單元在第i 個校準點測得的有效波高；H0i為現(xiàn)場校準架在第i個校準點所模擬的標準有效波高。

3.2 海上現(xiàn)場校準衛(wèi)星測波浮標

（1）將校準單元帶到海上現(xiàn)場。

（2）如果陸地距離被校衛(wèi)星測波浮標在校準接口的有效通訊距離內(nèi)，可在陸地進行接下來的海上現(xiàn)場校準。如果超出有效通訊距離，則將校準單元帶至小船使用，小船距離被校衛(wèi)星測波浮標在校準接口的有效通訊距離內(nèi)。

（3）與衛(wèi)星測波浮標的校準接口通訊，進行發(fā)送數(shù)據(jù)的測試，并與校準單元進行通訊測試。

（4）衛(wèi)星測波浮標進入校準模式。完成1 次測量后，把衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫蕟卧?，由校準單元解算出波浪參?shù)，視為標準值。

（5）重復(fù)完成5 次測量，得到5 組被測值和5組標準值。

（6）采用極差法計算標準實驗偏差，作為測量重復(fù)性，引入測量不確定度的評定。

（7）分別計算被測值和標準值的算術(shù)平均值，計算示值誤差。

（8）參照式（5）計算出校準系數(shù)。

4 現(xiàn)場校準實例

4.1 陸上校準波浪特征值校準單元

校準單元的陸上校準結(jié)果如表3 所示。校準前波高示值誤差最大為0.28 m，波周期為0.16 s；置入校準系數(shù)0.94 后，波高示值誤差最大為0.14 m。綜合考慮校準單元作為標準設(shè)備及測量重復(fù)性引入的標準不確定度分量，現(xiàn)場校準裝置的波高測量擴展不確定度為0.09 m，滿足（0.05+3%測量值） m的要求。

表3 校準單元的校準結(jié)果

4.2 海上現(xiàn)場校準結(jié)果

2020 年11 月24 日和25 日，衛(wèi)星測波浮標的現(xiàn)場校準在威海褚島附近海域和國家淺海綜合試驗場“國海試1 號”進行了兩次試驗驗證。試驗期間海況在三級以內(nèi)，海域水深大于10 m。

首先，在威海褚島近岸開放水域，布放1 套衛(wèi)星測波浮標；校準單元在褚島山頂工作，與測波浮標直線實測距離約1.9 km。按照現(xiàn)場校準程序完成了5 次測量。標準值來自校準單元，被測值來自測波浮標。然后，將衛(wèi)星測波浮標布放在距離“國海試1 號”2 km 處，校準單元在“國海試1 號”甲板上工作，根據(jù)校準結(jié)果置入校準系數(shù)0.93，完成7次測量?，F(xiàn)場校準結(jié)果見表4。

表4 海上現(xiàn)場校準結(jié)果

4.3 結(jié)果分析

（1）校準期間有效波高不大于0.6 m，波周期在4.0 s 左右。校準前，測波浮標的波高示值誤差最大為0.04 m；校準后，波高示值誤差最大為0.01 m，測量準確度提高，其海上計量性能得以確認。衛(wèi)星測波浮標現(xiàn)場校準裝置與測波浮標的聯(lián)合計量試驗，建立了明確的量值溯源和傳遞鏈條，驗證了從實驗室延伸到海上的鏈條式現(xiàn)場校準模式。經(jīng)過校準的衛(wèi)星測波浮標在近岸布放觀測時，兼具機動靈活和時空分辨率較高的特點，獲取數(shù)據(jù)的可靠性也大為提高，增加了海洋觀測手段的多樣性和有效性，具有很好的業(yè)務(wù)化觀測應(yīng)用前景。

（2）影響現(xiàn)場校準結(jié)果的測量不確定度的因素主要有：校準單元陸上校準的測量重復(fù)性、海上原始信號傳輸效率、校準時海浪實際波高的測量重復(fù)性等。陸上校準時衛(wèi)星信號的測量獲取會受到周圍建筑物的部分遮擋，引起測量重復(fù)性較大，因此集中密集連續(xù)的測量校準是必要的。為保證海上現(xiàn)場校準的安全有效，校準一般選取海況較好時進行，此時海上浮標返回原始衛(wèi)星信號強，校準過程順暢；實?，F(xiàn)場校準的波高范圍受限于現(xiàn)場海況，波高相應(yīng)較小。今后在現(xiàn)場校準技術(shù)方法的業(yè)務(wù)應(yīng)用時，應(yīng)進行更多海況的數(shù)據(jù)積累。

（3）目前有明確的量值溯源傳遞鏈條和經(jīng)過實踐的校準測量范圍，波高最大為2.0 m，滿足測量近岸海浪的衛(wèi)星測波浮標的現(xiàn)場校準需求。對于大浪測量海況時的校準，校準單元與加速度計式波浪浮標（可經(jīng)實驗室內(nèi)校準，波高測量范圍最大到6.0 m）比測后，其計量性能得以確認，進而作為波高標準器提供實際波高測量值。今后還需結(jié)合現(xiàn)場校準的業(yè)務(wù)化應(yīng)用，開展大波高、惡劣海況下校準的探索研究。

5 結(jié) 論

海洋動力環(huán)境復(fù)雜多變，與實驗室內(nèi)的標準環(huán)境迥然不同，其對海洋儀器的計量性能影響不可預(yù)估。對海洋水文動力參數(shù)觀測儀器建立海上現(xiàn)場校準的技術(shù)和方法，一直是海洋觀測技術(shù)和計量技術(shù)的重要課題。本文研制的衛(wèi)星測波浮標現(xiàn)場校準裝置和校準方法，可實現(xiàn)從實驗室到海上的鏈條式現(xiàn)場校準，在國內(nèi)外尚屬首次。

校準結(jié)果表明，現(xiàn)場校準的波高測量范圍為0～2.0 m，擴展不確定度優(yōu)于（0.05+3%測量值）m，校準流程和方法的可行性得到驗證，滿足準確度等級為一級（測量誤差不超過±10%測量值）及一級以下的衛(wèi)星測波浮標在近岸觀測時的校準需求，可為其進入全國海洋觀測網(wǎng)業(yè)務(wù)服役提供計量技術(shù)支撐。