GNSS 漂流浮標(biāo)實時在線波浪測量技術(shù)及其軟件實現(xiàn)

王亞彬，劉 楊,2，劉焱雄,2*，喬方利，蔣暑民，王巖峰

（1. 自然資源部 第一海洋研究所, 山東 青島 266061；2. 自然資源部 海洋測繪重點實驗室, 山東 青島 266061）

波浪是一種重要且復(fù)雜的海洋水文要素。有效、穩(wěn)定、長期地監(jiān)測波浪，對海洋水文和氣象研究、海洋資源開發(fā)利用，以及沿海農(nóng)業(yè)、漁業(yè)生產(chǎn)等具有重要意義（戴洪磊等, 2014）。目前，波浪浮標(biāo)是實現(xiàn)海洋波浪定點長期觀測的主要設(shè)備，波浪觀測技術(shù)的進(jìn)步能夠提高觀測效率和觀測精度。所以，研究和發(fā)展波浪浮標(biāo)及波浪觀測技術(shù)是提高波浪觀測質(zhì)量、組建波浪觀測網(wǎng)、豐富波浪觀測資料、促進(jìn)波浪觀測行業(yè)發(fā)展的必然需求（毛祖松, 2007）。

海洋觀測浮標(biāo)作為一種現(xiàn)代化海洋監(jiān)測設(shè)備，因其具有定點、全天候長期觀測的特點，在近些年海洋探索的進(jìn)程中蓬勃發(fā)展。發(fā)達(dá)國家在這一方面的研發(fā)起步較早，起始于20 世紀(jì)30 年代末，至今一直處于領(lǐng)先位置。目前，在波浪測量領(lǐng)域，美國、英國、加拿大、荷蘭、挪威等國家都在研發(fā)和使用波浪浮標(biāo)，并布放于各自臨海區(qū)域組建成網(wǎng)（王軍成, 1998）。國外有代表性的波浪浮標(biāo)主要有荷蘭Datawell 公司的Directional Waverider 系列和法國的TRIAXYS 系列浮標(biāo)。然而，我國海洋觀測浮標(biāo)的研制于20 世紀(jì)60 年代才起步，后續(xù)雖然已研制出各種類型的觀測浮標(biāo)及裝備，并且覆蓋了相當(dāng)一部分海域，但搭載的儀器性能、測量精度和工作穩(wěn)定性等方面，跟國外相比還有一定差距（毛祖松, 2007），這也在一定程度上阻礙了海洋觀測工作的有效開展，進(jìn)而影響到海洋資料的獲取和積累。從國內(nèi)海洋觀測浮標(biāo)研制開始，國內(nèi)多家企業(yè)、高校和科研院所等對波浪測量領(lǐng)域進(jìn)行了研究探索，并取得寶貴的經(jīng)驗和成果（王亞洲等, 2006; 唐原廣等, 2008; 劉國棟, 2011; 齊占輝, 2019; 王斌等, 2021; 張新文等, 2023）。

關(guān)于國內(nèi)波浪浮標(biāo)，比較有代表性的主要有3 種（毛潤雨, 2021）：SZF 系列波浪浮標(biāo)、SBF3 系列測波浮標(biāo)和OSB 系列浮標(biāo)。其中，SBF3 系列測波浮標(biāo)還可利用橡膠彈性材料的錨系繩纜來進(jìn)一步接近波浪的真實運動軌跡（孫金偉等, 2012）進(jìn)而提高觀測質(zhì)量。截至2016 年底，測波浮標(biāo)仍為國內(nèi)主要的業(yè)務(wù)化運行現(xiàn)場自動測波儀器，我國海洋站中約87.5%的站點使用小型測波浮標(biāo)進(jìn)行波浪測量（常怡婷等, 2021）。

基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System, GNSS）的測波浮標(biāo)取消了加速度傳感器等元件，浮標(biāo)位置與波浪要素依靠同一定位模塊獲得，以使浮標(biāo)成本更低且更為小巧輕便易于布放。由于GNSS 模塊逐歷元定位，不存在系統(tǒng)誤差的累積，不需要定期調(diào)校，所以，GNSS 測波浮標(biāo)特別適合無人值守的長期監(jiān)測。de Vries 等（2003）證明基于全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System, GPS）多普勒測速原理的Datawell DWR-G 型號波浪浮標(biāo)的測量精度與傳統(tǒng)加速度計式波浪浮標(biāo)相當(dāng)，且能更好地用于研究遠(yuǎn)洋涌浪、港口或航道共振等形成的長周期波。同樣，基于GPS 技術(shù)的漂流式波浪浮標(biāo)Spotter，以其低成本、易操作、實時傳輸和緊湊的外形得以組成“實時海洋傳感器陣列”，實現(xiàn)了在全球范圍內(nèi)布放（Raghukumar et al, 2019; Pierik et al, 2020）。但傳統(tǒng)的基于動態(tài)后處理（Post Processed Kinematic, PPK）技術(shù)、實時動態(tài)定位（Real Time Kinematic, RTK）技術(shù)、精密單點定位（Precise Point Positioning, PPP）技術(shù)及多普勒測速技術(shù)的GNSS 波浪測量技術(shù)和波浪浮標(biāo)，總會受到基站距離、通信成本、時效性及結(jié)果精度等方面的限制。本文研究了基于GNSS 載波相位歷元差分算法的GNSS 漂流浮標(biāo)實時在線波浪測量技術(shù)及其實現(xiàn)方法，給出了該技術(shù)硬件環(huán)境的選型、組成，以及實時在線軟件的設(shè)計思路和工作原理，并進(jìn)行軟件實現(xiàn)。研究的GNSS 載波相位歷元差分算法的漂流浮標(biāo)實時在線波浪測量技術(shù)及其軟件，能夠在基于廣播星歷、無需基站及高額改正服務(wù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行高精度實時波浪測量。并且，結(jié)合我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，研究與北斗技術(shù)相結(jié)合的漂流浮標(biāo)實時在線波浪測量技術(shù)，對實現(xiàn)波浪浮標(biāo)國產(chǎn)化、打破國外設(shè)備壟斷局面具有重要意義。

1 GNSS 實時波浪測量方法

1.1 GNSS 測速方法

基于載波相位歷元差分原理的GNSS 實時波浪要素測量技術(shù)，僅使用廣播星歷即可得到高精度速度（單瑞, 2010; 劉會等, 2020; 劉楊等, 2020; Liu et al, 2022），差分后的方程為：

式中： λ為載波波長；ΔΦsr和esr分別為衛(wèi)星s到接收機(jī)r 的相鄰歷元載波相位觀測值差和單位矢量；Δξr為接收機(jī)相鄰歷元間的位置變化量； c為光速；Δδtr、Δδts分別為相鄰歷元間的接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差；Δpsr為相鄰歷元間包括衛(wèi)星軌道、電離層延遲、對流層延遲、相位中心變化、相位纏繞、地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)和相對論效應(yīng)等在內(nèi)的綜合誤差，其中由廣播星歷計算衛(wèi)星軌道改正，由雙頻無電離層組合消除一階項進(jìn)行電離層改正，由氣象數(shù)據(jù)及投影函數(shù)進(jìn)行對流層改正，由天線模型計算相位中心變化，相位纏繞、相對論效應(yīng)、地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)等誤差改正項也可以由相應(yīng)模型算出；Δεsr為其他殘余誤差項與噪聲；v為三維速度； Δt為相鄰歷元之間的時間間隔（劉楊等, 2020; 田力等, 2021;Liu et al, 2022）。

實際上，當(dāng)求得解算速度并剔除粗差后，受海況、浮標(biāo)位置、信號誤差和其他噪聲的影響，速度積分的位移結(jié)果存在趨勢項（文圣常, 1984; 俞聿修, 2011; Herbers et al, 2012），因此，在剔除速度粗差并得到速度一次積分的位移結(jié)果后，還要去除線性趨勢項，進(jìn)而得到波浪位移信息，在此過程中考慮到波浪周期的范圍（主要位于1～30 s），也可利用高通濾波來消除0.03 Hz 以下的低頻噪聲（Liu et al, 2022）。

1.2 波浪要素反演

在波浪要素反演過程中，須計算3 種主要的波浪要素，分別為波高、波周期和波向。

1.2.1 波高和波周期

海浪可視為各態(tài)歷經(jīng)的隨機(jī)過程（俞聿修, 2011），因此可利用統(tǒng)計手段取樣本中足夠長的一段數(shù)據(jù)來分析總體數(shù)據(jù)的特性。通常利用上跨零點法對樣本中的不規(guī)則波進(jìn)行定義，故在上跨零點法定義不規(guī)則波的基礎(chǔ)上，利用統(tǒng)計手段求取波高、波周期的步驟如下。

首先，將波浪高度序列Hi按照波高值由大到小依次排列：H1,H2,···,HN-1,HN；同理，波周期序列Ti排列為：T1,T2,···,TN-1,TN。然后，以前1/3 大波波高作為有效波高Hs，波列中所有波浪的波周期平均值作為平均周期Tm，則Hs和Tm定義（文圣常, 1984; 俞聿修, 2011）為：

1.2.2 波向

波向可利用方向譜提取。利用傅里葉變換法求解方向譜，計算速度快、不易發(fā)散且算法穩(wěn)定，求解的主要步驟如下（Benoit, 1992; 毛潤雨, 2021）。

首先，可由波浪特性觀測值的傅里葉變換內(nèi)積求得時間T內(nèi)的交叉譜Smn(f)：

式中：f為頻率；Fm(f)為波浪特性m的傅里葉變換的共軛；Fn(f)為波浪特性n的傅里葉變換；Cmn(f)和Qmn(f) 分別為同向譜和正交譜。

然后，海浪的二維方向譜可以表示為有限階數(shù)的傅里葉級數(shù)展開：

式中： θ為傳播方向；A0、A1、A2、B1和B2為海浪二維方向譜的前五系數(shù)，可分別由6 個交叉譜求得，如：

最后，二維海浪譜S(f,θ)又為一維海浪譜S(f)與方向分布函數(shù)D(θ,f)的乘積，即：

一維海浪譜S(f)可由二維方向譜S(f,θ)在角度 θ上積分得到，因此得知二維方向譜和一維海浪譜后，便可以得出方向分布函數(shù)D(θ,f)，進(jìn)而得出成分波方向。

2 GNSS 漂流浮標(biāo)實時在線波浪測量技術(shù)實現(xiàn)

GNSS 漂流浮標(biāo)實時在線波浪測量技術(shù)的實現(xiàn)主要依靠實時在線解算軟件及其硬件運行環(huán)境。實際測量時，海上測波浮標(biāo)搭載的傳感器等采集模塊將測量得到的信號轉(zhuǎn)換成觀測值后，發(fā)送至浮標(biāo)系統(tǒng)的主控模塊進(jìn)行所需參數(shù)的解算和緩存，解算完成后組成特定格式的交換報文由通信模塊發(fā)送至岸基設(shè)備，完成一次觀測任務(wù)。

實時在線解算軟件作為實時在線波浪測量技術(shù)的關(guān)鍵，負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度及協(xié)調(diào)各模塊工作，能夠基于GNSS 載波相位歷元差分算法獲得的高精度三維載體速度和位置進(jìn)行波浪要素的反演（劉楊等,2020; Liu et al, 2022）。此外，基于GNSS 實時精密單點定位算法還可以在位置估算的同時得到天頂對流層延遲，進(jìn)一步結(jié)合浮標(biāo)實測氣溫、氣壓或者數(shù)值天氣預(yù)報模型來反演得到大氣水汽含量（劉楊等, 2022）。因此，浮標(biāo)所采集物理量主要包括浮標(biāo)三維位置、波高、波周期和波向，根據(jù)GNSS 算法及傳感器的不同還可獲得天頂對流層延遲，以及海水溫鹽和大氣溫壓等其他海氣環(huán)境參數(shù)。

硬件環(huán)境作為軟件運行的載體，負(fù)責(zé)保證高效的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，提供充足的計算資源和緩存空間，是GNSS 漂流浮標(biāo)實時在線波浪測量技術(shù)的外在支撐。在滿足技術(shù)要求的前提下，硬件環(huán)境的合理選配有助于降低設(shè)備功耗，提高運行壽命。浮標(biāo)部分硬件環(huán)境的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。岸基部分主要負(fù)責(zé)接收、分析、存儲浮標(biāo)回傳數(shù)據(jù)以及向浮標(biāo)發(fā)送指令，由普通主機(jī)設(shè)備搭配信息接收模塊和數(shù)據(jù)管理軟件即可完成消息的接收與管理。

圖1 GNSS 漂流浮標(biāo)實時在線波浪測量技術(shù)硬件環(huán)境結(jié)構(gòu)Fig. 1 Hardware environment structure of the real-time online wave measurement technology of GNSS drifting buoy

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 主控板卡

GNSS 漂流浮標(biāo)設(shè)計采用商業(yè)級低功耗主控板，板卡內(nèi)核基于ARM Cortex-A7 架構(gòu)，采用2 組優(yōu)質(zhì)80 Pin 板對板連接器加強(qiáng)對外擴(kuò)展，支持8 路UART、2 路以太網(wǎng)以及2 路CAN 等工業(yè)級總線接口，支持外接TF（Trans Flash）卡。板載處理器能夠滿足實時采集和處理的任務(wù)需求，多樣的多路通信接口符合與多傳感器的外部通信及后續(xù)的擴(kuò)展需要，可擴(kuò)展存儲空間則保證了系統(tǒng)、軟件以及長時間數(shù)據(jù)的緩存及存儲。

2.1.2 GNSS 板卡

GNSS 板卡在GNSS 觀測中起到關(guān)鍵作用。綜合考慮觀測質(zhì)量、成本、國產(chǎn)化以及北斗PPPB2b 精密單點定位改正信號（涂滿紅等, 2022），可設(shè)計采用國產(chǎn)全系統(tǒng)全頻GNSS 板卡。該板卡支持BDS-3 全球信號，以及BDS-2、GPS、GLONASS、Galileo、IRNSS、QZSS 和SBAS 等衛(wèi)星信號，支持L-Band 星際增強(qiáng)，且支持抗干擾；標(biāo)稱測量準(zhǔn)確度可達(dá)偽距≤10 cm，載波相位精度≤0.005c（c為載波波長，單位為m）；采樣頻率最高支持20 Hz，支持RTCM3、RTCM2 以及NMEA-0183 等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式的輸出。

板卡設(shè)置輸出通用二進(jìn)制RTCM3 格式信息，通過串口向核心板輸入GNSS 觀測數(shù)據(jù)與星歷，數(shù)據(jù)流內(nèi)部配置的輸出報文如表1 所示。

表1 GNSS 板卡所配置的RTCM3 消息類型和內(nèi)容Table 1 RTCM3 message type and contents configured for GNSS board

2.1.3 通信模塊

通信部分主要包括浮標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)部通信及浮標(biāo)與岸基的通信。板卡級別的內(nèi)部通信設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)通信串口進(jìn)行異步通信，將主控板分別與各類數(shù)據(jù)的采集模塊及對外通信模塊鏈接。對外通信模塊主要負(fù)責(zé)將主控板處理和解算完成后組建的消息報文回傳至岸基接收設(shè)備，或者將岸基指揮處的運行指令下達(dá)至浮標(biāo)?？紤]到遠(yuǎn)海使用場景，排除目前近岸短距離波浪浮標(biāo)的2 種通信方式：海上無線短波通信和岸基移動通信（黨超群等, 2016），可采用以北斗短報文通信為主，銥星、天通等衛(wèi)星通信為輔的設(shè)計，通過衛(wèi)星通信方式來保證全球范圍內(nèi)的消息回傳。

2020 年，我國第三代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)完成。北斗系統(tǒng)別具特色的短報文通信服務(wù)具備低成本、廣覆蓋、高可靠和隨遇接入等特點，逐漸成為現(xiàn)今我國海上實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾绞?，更成為許多浮標(biāo)實時通信的選擇（楊軍平等, 2019; 姬生月等, 2021），可作為浮標(biāo)的主要通信手段。天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)同樣是我國自主研發(fā)的系統(tǒng)，與北斗系統(tǒng)共同為我國打破國外技術(shù)封鎖，實現(xiàn)自主可控、國產(chǎn)化、低成本海洋設(shè)備提供了技術(shù)基礎(chǔ)（李聽聽等,2021），保證了通信的國產(chǎn)化及信息安全性，可作為北斗短報文通信的補(bǔ)充。發(fā)展較早的國外銥星衛(wèi)星通信系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：其由66 顆環(huán)繞地球的低軌衛(wèi)星組網(wǎng)，采用極地軌道和星際鏈路技術(shù)提高了通信的信號強(qiáng)度和可靠性（鐘健瑜, 2008），能夠在特殊地區(qū)或特殊環(huán)境下開展有效通信，但是通信費用較高，可考慮作為個別補(bǔ)充手段。

不同通信系統(tǒng)具有不同等級的報文傳輸限制。最新的北斗三號系統(tǒng)區(qū)域短報文和全球短報文服務(wù)的單次報文最大長度分別為14 000 bit 及和560 bit，分別約1 000 漢字和40 漢字。若采用北斗三號系統(tǒng)短報文通信為主要通信手段，可依據(jù)最大報文長度僅為560 bit 的全球短報文服務(wù)設(shè)計報文，報文回傳GPS 周、GPS 周內(nèi)秒、經(jīng)度、緯度、高度、波浪高度、波浪周期、波浪方向以及其他環(huán)境參數(shù)等，對于更多的信息回傳需求，還可通過壓縮現(xiàn)有參數(shù)字節(jié)長度或增加消息包內(nèi)報文數(shù)目來保證信息傳輸完整。

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 軟件架構(gòu)設(shè)計

波浪實時在線測量軟件是利用C 語言開發(fā)的。軟件占用資源少，運行速度快，適于低級硬件平臺的移植開發(fā)工作。軟件采用命令行用戶交互（Command User Interface, CUI）方式，運行在無圖形桌面的主控板系統(tǒng)中，實時解算的配置選項可通過讀入配置文件或命令行手動設(shè)置，整個程序采用多線程機(jī)制進(jìn)行實時處理，整個軟件的運行流程如圖2 所示。

圖2 軟件流程示意圖Fig. 2 A schematic diagram of the software flow

程序開始運行后，首先進(jìn)入主線程做參數(shù)配置，并開啟各子線程進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。當(dāng)主控板得到GNSS 板卡的輸入數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)解碼和預(yù)處理，待一次采集完成后，由廣播星歷和觀測值求取當(dāng)前時刻載體速度，并將速度做一次積分，進(jìn)而得到位移。之后，以設(shè)計的滑動窗口（例如窗口大小為30 min）進(jìn)行滑動，對位移時間序列做去趨勢或高通濾波處理，進(jìn)而求取波浪要素的結(jié)果。在求取波浪要素的同時，其他子線程負(fù)責(zé)協(xié)同完成信息回傳、時間同步和數(shù)據(jù)緩存等工作。

2.2.2 實時性能分析

實時處理軟件采用多線程同步運行的方式，多線程包括數(shù)據(jù)處理線程和報文組建發(fā)送線程等，實時處理的耗時由其中耗時最長的線程決定。在單核CPU 主頻1.8 GHz，內(nèi)存512 MB 的虛擬機(jī)環(huán)境下進(jìn)行處理時間測試，結(jié)果表明，數(shù)據(jù)處理線程運行3 000 次的單次平均運行時間為0.08 s，小于0.2 s 的GNSS 數(shù)據(jù)采樣間隔，報文組建發(fā)送線程運行10 次的單次平均運行時間為0.05 s，軟件滿足實時運行需求。實際海上試驗表明，在浮標(biāo)硬件配置的實際運行環(huán)境中，在線軟件運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)處理速度與獲取速度不匹配和延遲的情況，軟件滿足實時運行需求。

3 試驗數(shù)據(jù)

為驗證GNSS 漂流浮標(biāo)實時在線波浪測量技術(shù)及其軟件的可行性和精確性，分別在近海和遠(yuǎn)海開展1 次海試試驗，并對測試浮標(biāo)實時回傳結(jié)果進(jìn)行比對驗證。

2022 年11 月7 日至10 日，在青島近岸海域（120°44′E, 36°14′N）進(jìn)行近海海試試驗，稱為試驗一。試驗設(shè)備包括2 套內(nèi)置實時在線軟件的測試浮標(biāo)（編號分別為1 號和2 號）以及1 套Datawell 公司的Directional Waverider 波浪浮標(biāo)（型號為DWR-G4）。3 套浮標(biāo)直徑均為40～50 cm，布放現(xiàn)場如圖3 所示。海試比測波浪參數(shù)包括有效波高Hs、平均周期Tm以及主波向D。

圖3 2022 年青島近海2 套測試浮標(biāo)（1 號、2 號）與1 套波浪浮標(biāo)（DWR-G4）布放現(xiàn)場Fig. 3 Site for the testing of 2 GNSS buoys (No.1 and No.2) and 1 wave buoy (DWR-G4)in the offshore area of Qingdao in 2022

2022 年2 月，選擇南海及印度洋相關(guān)海域進(jìn)行遠(yuǎn)海試驗，稱為試驗二。在自然資源部第一海洋研究所遠(yuǎn)海航次中，于南海及印度洋相關(guān)海域布放4 套測試浮標(biāo)，編號分別為3 號、4 號、5 號和6 號，測試浮標(biāo)布放海域及軌跡如圖4 所示。其中3 號、4 號和5 號浮標(biāo)設(shè)置為連續(xù)采集工作模式，6 號浮標(biāo)設(shè)置為間隔采集工作模式，即每間隔6 h 采集1 次，每次采集時間為1 h。

圖4 2022 年4 套遠(yuǎn)海測試浮標(biāo)（3 號、4 號、5 號和6 號）的軌跡Fig. 4 Tracks of 4 sets of the test buoys (No.3, No.4, No.5 and No.6) in the open sea in 2022

4 結(jié)果與分析

4.1 近海試驗結(jié)果與分析

對比青島近海海試（試驗一）中1 號、2 號測試浮標(biāo)實時回傳結(jié)果與Datawell DWR-G4 浮標(biāo)事后導(dǎo)出結(jié)果（圖5）可知，總體而言，3 套浮標(biāo)的有效波高、平均周期及主波向變化趨勢基本一致。2套測試浮標(biāo)與DWR-G4 波浪要素差值的絕對值最大值、差值的均方根結(jié)果（表2）顯示：在3 d 左右的數(shù)據(jù)對比中，1 號測試浮標(biāo)與DWR-G4 有效波高差值的絕對值的最大值為0.23 m，差值均方根為0.06 m；2 號測試浮標(biāo)與DWR-G4 有效波高差值的絕對值最大值為0.18 m，差值均方根為0.04 m；1 號、2 號測試浮標(biāo)與DWR-G4 平均周期差值的絕對值最大值分別為1.43 s 和1.12 s，均方根分別為0.48 s 和0.49 s。對比分析近海試驗中2 套測試浮標(biāo)實時回傳結(jié)果與DWR-G4 事后導(dǎo)出結(jié)果表明，2套測試浮標(biāo)要素反演性能良好，其中波高測量準(zhǔn)確度符合主流波浪浮標(biāo)技術(shù)指標(biāo)，即0.1 m+5%H，H為波高（常怡婷等, 2021）。

表2 近海海試實時回傳有效波高與平均周期反演結(jié)果Table 2 The retrieved results of the significant wave height and mean wave period that returned real-time in the offshore test

圖5 2022 年青島近海試驗測試浮標(biāo)實時回傳結(jié)果與DWR-G4 對比Fig. 5 Comparison between the results returned real-time by the GNSS test buoys and those by the DWR-G4 buoy in the offshore test in Qingdao in 2022

4.2 遠(yuǎn)海試驗結(jié)果與分析

因現(xiàn)場無其他設(shè)備比測，采用實時在線回傳數(shù)據(jù)與歐洲中期天氣預(yù)報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF）再分析波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。ECMWF 再分析對比數(shù)據(jù)是1950 年1 月至今全球氣候的第五代大氣再分析數(shù)據(jù)集（https://cds.climate.copernicus.eu），本次試驗選取數(shù)據(jù)集中風(fēng)浪、涌浪共同作用下的有效波高作為本文有效波高Hs的參考值，平均周期作為本文平均周期Tm的參考值，數(shù)據(jù)空間分辨率為0.25°，時間分辨率為1 h，區(qū)域范圍（25°～124°E,66°S～30°N）基本覆蓋遠(yuǎn)海試驗（試驗二）4 套測試浮標(biāo)在南海及印度洋的布放區(qū)域，時間從2 月到7 月。

2022 年遠(yuǎn)海試驗（試驗二）4 套測試浮標(biāo)3 號、4 號、5 號、6 號實時回傳結(jié)果與ECMWF 再分析數(shù)據(jù)的對比結(jié)果（圖6）顯示，測試浮標(biāo)與再分析數(shù)據(jù)的有效波高Hs（圖6a～圖6d）和平均周期Tm（圖6e～圖6h）的變化趨勢基本一致，說明測試浮標(biāo)能夠在遠(yuǎn)海海域?qū)崟r回傳波浪要素結(jié)果反映當(dāng)?shù)睾＠俗兓厔荨?/p>

圖6 2022 年遠(yuǎn)海試驗4 套測試浮標(biāo)（3 號、4 號、5 號和6 號）實時回傳結(jié)果與ECMWF 產(chǎn)品的比較Fig. 6 Comparison between the results returned real-time by 4 sets of the test GNSS buoys (No.3, No.4, No.5 and No.6)and those by the ECMWF products in the open sea test in 2022

2022 年遠(yuǎn)海試驗4 套測試浮標(biāo)實時回傳數(shù)據(jù)與ECMWF 再分析數(shù)據(jù)波浪要素之間差值的絕對值最大值、差值的平均值、差值的均方根結(jié)果（表3）顯示，4 套測試浮標(biāo)與對比數(shù)據(jù)的有效波高Hs差值的均方根最小為0.21 m，最大為0.47 m，平均周期差值的均方根最小為1.1 s，最大為3.4 s。平均周期Tm差值的平均值均為負(fù)值，結(jié)合平均周期（圖6e～圖6h）變化趨勢，發(fā)現(xiàn)測試浮標(biāo)反演的平均周期多數(shù)小于對比數(shù)據(jù)的平均周期。考慮到對比數(shù)據(jù)的精度和時空窗口限制，不能精確評估測試浮標(biāo)的結(jié)果精度。后續(xù)需要進(jìn)一步開展與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的比測工作。

表3 遠(yuǎn)海海試實時回傳結(jié)果Table 3 Results returned real-time in the open sea tests

5 結(jié) 語

傳統(tǒng)高精度GNSS 方法受時間、距離和成本的制約，本文主要研究了GNSS 漂流浮標(biāo)實時在線波浪測量技術(shù)及其軟件實現(xiàn)方法。結(jié)合載波相位歷元差分測速模型及波浪要素反演方法，給出該技術(shù)硬件環(huán)境的選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計和實時在線軟件的實現(xiàn)策略，并進(jìn)行了軟件實現(xiàn)和實時處理速度測試。選擇青島近海（120°44′E, 36°14′N）、南海及印度洋（25°～124°E, 66°S～30°N）分別作為近海試驗（試驗一）和遠(yuǎn)海試驗（試驗二）的研究區(qū)域，對比分析了1 號、2 號（近海）測試浮標(biāo)實時回傳結(jié)果與DWR-G4 事后導(dǎo)出結(jié)果，以及3 號、4 號、5 號、6 號（遠(yuǎn)海）測試浮標(biāo)實時回傳結(jié)果與ECMWF再分析產(chǎn)品的開源數(shù)據(jù)結(jié)果，從而驗證了GNSS 漂流浮標(biāo)實時在線波浪測量技術(shù)及軟件的可行性和精確性。本文主要結(jié)論如下。

1）硬件環(huán)境設(shè)計以主控板為核心，通過標(biāo)準(zhǔn)串口鏈接GNSS 板卡、通信模塊及其他傳感器，主控板讀取GNSS 板卡及各傳感器的觀測數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)解算完畢后組成特定報文，通過衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)送至岸基接收設(shè)備。該硬件環(huán)境的組成和結(jié)構(gòu)能夠滿足GNSS 漂流浮標(biāo)實時在線波浪測量的任務(wù)需求。

2）實時在線波浪測量軟件采用多線程機(jī)制。主線程負(fù)責(zé)運行參數(shù)設(shè)置、任務(wù)調(diào)度；各子線程同步運行，協(xié)調(diào)完成高精度位置和速度的解算、波浪要素的解算、報文回傳、數(shù)據(jù)緩存以及時間同步等工作。軟件實時處理速度滿足實時采集和解算的任務(wù)需要。

3）近海1 號和2 號測試浮標(biāo)實時回傳結(jié)果與Datawell DWR-G4 事后導(dǎo)出結(jié)果表明，有效波高差值的均方根分別為0.06 m 和0.04 m，波高測量誤差優(yōu)于主流測波浮標(biāo)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)（0.1 m+5%H，H為波高）。周期和方向的量值及變化趨勢與對比的浮標(biāo)結(jié)果基本一致，技術(shù)指標(biāo)與國際主流產(chǎn)品相當(dāng)。

4）遠(yuǎn)海4 套測試浮標(biāo)（3～6 號）的實時回傳結(jié)果與ECMWF 再分析產(chǎn)品比較結(jié)果顯示，二者有效波高和平均周期變化趨勢吻合良好，能夠反映當(dāng)?shù)睾＠藢崟r變化趨勢。相較于傳統(tǒng)高精度GNSS 方法，GNSS 漂流浮標(biāo)實時在線波浪測量技術(shù)及其軟件無需基站配合，能夠克服測量范圍限制和避免差分改正服務(wù)費用。該技術(shù)只需衛(wèi)星廣播星歷，即可在保證實時性的同時獲取較高的測速精度，進(jìn)行準(zhǔn)確的波浪要素反演。

多次近海及遠(yuǎn)海測試結(jié)果驗證了GNSS 漂流浮標(biāo)實時在線波浪測量技術(shù)及其軟件實現(xiàn)的可行性和精確性。但是，目前GNSS 漂流浮標(biāo)測波仍有很多改進(jìn)空間，如減少軟件資源的占用以降低硬件配置需求，改進(jìn)算法精度以提高反演結(jié)果的可靠性等。