韓秀田，王收軍，陳漢寶

（1.天津理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.交通部水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300457）

0 引言

目前，波浪浮標(biāo)因不受水深的限制使其成為海上測(cè)波的常用測(cè)量?jī)x器，同時(shí)是從事現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)是最主要也是最直接的方法之一。通過波浪浮標(biāo)的三維運(yùn)動(dòng)，計(jì)算獲得波浪的波高、周期等水文信息[1,2]。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)覆蓋范圍已擴(kuò)大到亞太地區(qū)，可全天候應(yīng)用于導(dǎo)航、測(cè)量等領(lǐng)域提供高精度三維位置、三維速度及時(shí)間信息[3]。近年來，RTK技術(shù)定位和測(cè)速憑借其高精度、實(shí)時(shí)性、廉價(jià)及數(shù)據(jù)安全保密等特點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用[4,5]。

傳統(tǒng)海上波浪測(cè)量?jī)x搭載著傾角計(jì)量?jī)x與加速度計(jì)測(cè)水粒子的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)浮標(biāo)體隨波浪上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)量?jī)x搭載的加速度計(jì)與傾角儀測(cè)得之垂直加速度及東西及南北向傾度可以推求出波浪參數(shù)與波譜；但是傳統(tǒng)安裝在浮標(biāo)內(nèi)量測(cè)水粒子運(yùn)動(dòng)所使用的加速度計(jì)與傾角計(jì)雖然解析精度高，但價(jià)格昂貴，不便于大范圍內(nèi)波浪監(jiān)測(cè)，與科技的普及與快速發(fā)展不相適應(yīng)[6,7]。本文主要通過利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和RTK差分定位技術(shù)，開發(fā)適用于近海的水位和波浪觀測(cè)新型設(shè)備，實(shí)現(xiàn)近岸區(qū)域水位、波浪的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過試驗(yàn)室物理模型現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)該設(shè)備的測(cè)量可行性、適用性以及準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 RTK技術(shù)波浪浮標(biāo)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

基于RTK技術(shù)北斗衛(wèi)星定位的波浪浮標(biāo)測(cè)波系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)站和流動(dòng)站兩部分組成?；鶞?zhǔn)站與流動(dòng)站主要由硬件電路板、P307定位板卡和電臺(tái)通信三部分模塊組成。其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中硬件電路板由電源和控制系統(tǒng)組成。

圖1 基于RTK技術(shù)的BDS波浪浮標(biāo)系統(tǒng)

基準(zhǔn)站主要包括單片機(jī)控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電臺(tái)遠(yuǎn)程通信鏈路模塊、數(shù)據(jù)采集與分析處理模塊。移動(dòng)站主要包括單片機(jī)控制模塊、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信鏈路與處理模塊。相對(duì)獨(dú)立的基準(zhǔn)站和移動(dòng)站通過電臺(tái)使之?dāng)?shù)據(jù)互通工作，硬件電路按照預(yù)定的采樣時(shí)間間隔通過電源控制接口打開基準(zhǔn)站和移動(dòng)站電源?；静杉降妮d波信息和觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)至SD卡并實(shí)時(shí)傳輸給移動(dòng)站，移動(dòng)站將本站采集的載波信號(hào)和觀測(cè)數(shù)據(jù)與基站傳輸?shù)妮d波信號(hào)和數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理進(jìn)而實(shí)時(shí)得到移動(dòng)站高精度定位坐標(biāo)并存儲(chǔ)至SD卡；移動(dòng)站再將實(shí)時(shí)獲得移動(dòng)站高精度垂直位移通過電臺(tái)模塊以消息的形式發(fā)送至岸站接收系統(tǒng)。

1.2 硬件電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)波浪浮標(biāo)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信號(hào)穩(wěn)定傳輸及各相連模塊有效正常工作，該硬件電路由系統(tǒng)復(fù)位、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)SD卡、外部時(shí)鐘、RS232串行通信、電源控制、RTK定位板卡外圍電路和電臺(tái)鏈路等模塊電路組成，設(shè)計(jì)框如圖2所示。

圖2 硬件電路設(shè)計(jì)圖

MSP430單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其控制著整個(gè)系統(tǒng)模塊的正常運(yùn)行，系統(tǒng)電源為單片機(jī)控制器、外部RTK定位板卡及電臺(tái)通信模塊提供電源；SD卡用來存儲(chǔ)浮標(biāo)原始三維定位數(shù)據(jù)；外部時(shí)鐘為單片機(jī)MSP430控制器提供RTC和系統(tǒng)時(shí)鐘；系統(tǒng)復(fù)位用于系統(tǒng)工作異常時(shí)系統(tǒng)強(qiáng)制產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)；RS232串口電平轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)MSP430控制器與設(shè)備的外圍設(shè)備的正常通信。

硬件外圍電路元件及電路板的核心控制芯片均采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)可在溫度-10℃～45℃范圍內(nèi)正常工作運(yùn)行。

1.3 RTK差分技術(shù)浮標(biāo)測(cè)量原理

RTK差分定位也稱相對(duì)定位，采用多個(gè)接收機(jī)，其中一個(gè)接收機(jī)的三維位置已知（基準(zhǔn)站），其他的一臺(tái)或多臺(tái)接收機(jī)為待測(cè)點(diǎn)（移動(dòng)站），測(cè)量原理如圖3所示；移動(dòng)站與基準(zhǔn)站工作時(shí)必須同步接收至少4顆以上同組衛(wèi)星，同時(shí)采集北斗衛(wèi)星定位（BDS）觀測(cè)數(shù)據(jù)；基準(zhǔn)站為其他的待測(cè)站提供差分改正數(shù)據(jù)，移動(dòng)站利用基準(zhǔn)站的差分改正數(shù)據(jù)和本站觀測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，可實(shí)時(shí)得出待測(cè)站移動(dòng)站的三維定位坐標(biāo)、高程值及實(shí)測(cè)精度[8]。

圖3 RTK技術(shù)浮標(biāo)測(cè)量原理圖

系統(tǒng)利用RTK 差分技術(shù)精確測(cè)量波浪浮標(biāo)隨水質(zhì)瞬時(shí)垂直位移的變化，利用垂直位移瞬時(shí)的變化值提取出波浪的信息；因波浪浮標(biāo)應(yīng)用于海上測(cè)波，因此測(cè)得的瞬時(shí)高程數(shù)據(jù)包含潮汐與波高數(shù)據(jù)；所測(cè)得的潮汐與波浪的周期相差甚遠(yuǎn)，海面高程數(shù)據(jù)可通過低通濾波和帶通濾波得到波浪的信息；該系統(tǒng)初期在小比尺波浪水槽中進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)測(cè)波的精度及工作的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，可乎略潮汐的影響。

1.4 數(shù)據(jù)采集流程

本系統(tǒng)要求基準(zhǔn)站與移動(dòng)站分別進(jìn)行定位數(shù)據(jù)采集，同時(shí)基準(zhǔn)站與移動(dòng)站通過電臺(tái)完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)互通；因此保證基準(zhǔn)站與移動(dòng)站數(shù)據(jù)采集的時(shí)間相一致?；鶞?zhǔn)站與移動(dòng)站合為一體化。雖然基準(zhǔn)站與移動(dòng)站的程序存在差異，但兩者的程序作為一個(gè)整體相互影響且同時(shí)進(jìn)行。

通過串口中斷程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集程序的運(yùn)行，通過分鐘中斷程序內(nèi)到達(dá)規(guī)定的時(shí)間節(jié)點(diǎn)相應(yīng)嵌套的串口中斷程序?；鶞?zhǔn)站與移動(dòng)站每次上電之前必須進(jìn)行統(tǒng)一矯正時(shí)鐘，上電后按照程序還要進(jìn)行初始化。系統(tǒng)工作過程如圖4所示；系統(tǒng)上電之后基站與移動(dòng)站須各自進(jìn)行初始化，然后P307定位板卡進(jìn)行上電搜星，間隔3min后電臺(tái)上電，電臺(tái)上電之后經(jīng)過3min基站與移動(dòng)站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；基站監(jiān)測(cè)定位數(shù)據(jù)后，設(shè)置2秒一次通過基站的電臺(tái)傳輸給移動(dòng)站基線向量數(shù)據(jù)，同時(shí)移動(dòng)站監(jiān)測(cè)到有效數(shù)據(jù)并命令其電臺(tái)接收基站發(fā)送的基線向量數(shù)據(jù)；移動(dòng)站RTK板卡內(nèi)進(jìn)行基線向量解算得到高精度差分?jǐn)?shù)據(jù)，移動(dòng)站將差分?jǐn)?shù)據(jù)通過電臺(tái)每4秒一次向基站電臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)，基站收到數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，然后全部下電。

圖4 數(shù)據(jù)采集流程圖

2 波浪浮標(biāo)的波高與周期統(tǒng)計(jì)方法

假設(shè)海浪的水面波動(dòng)是平穩(wěn)正態(tài)過程并且具有各態(tài)歷經(jīng)性，那么時(shí)間和空間統(tǒng)計(jì)性質(zhì)是相一致的[9]。海浪的波面η可由無限多個(gè)不同頻率、振幅、相位及入射波向的余弦波疊加而成，如式：

式(1)中；η(x,y,t)為波形函數(shù)；函數(shù)與時(shí)間及位置相關(guān)；ωi為成份波源頻率；θj為入射波的波向，κi為對(duì)應(yīng)于ωi的波數(shù)；aij與ωij分別對(duì)應(yīng)于波向的振幅及相位。

假如浮標(biāo)完全跟隨水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，則浮標(biāo)所觀測(cè)得到的垂直波面位移為：

BDS RTK波浪測(cè)量可直接獲取水面浮標(biāo)體瞬時(shí)高程值，由式(2)可得出水質(zhì)點(diǎn)的波面垂直位移。

上跨零點(diǎn)法是波浪統(tǒng)計(jì)的一般方法，利用其可計(jì)算求得波浪的波高和周期。式(3)為最大波高及周期，式(4)為平均波高和平均周期，式(5)為三分之一大波波高和周期，式(6)為十分之一大波波高和周期。

通過上式可以計(jì)算出海浪的高度、周期等各要素。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與數(shù)據(jù)分析

在交通部水運(yùn)工程科學(xué)研究所小比尺波浪水槽中進(jìn)行浮標(biāo)測(cè)波實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采樣數(shù)據(jù)的頻率為20Hz，驗(yàn)證RTK技術(shù)波浪浮標(biāo)測(cè)波的準(zhǔn)確性及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，特選取BG-1型號(hào)電阻式波高傳感器做校準(zhǔn)，電阻式傳感器的測(cè)量分辨率大小主要受電路A/D轉(zhuǎn)換器的影響，該電阻傳感器理論上測(cè)量精度為1毫米。

通過RTK差分技術(shù)測(cè)得波浪浮標(biāo)隨時(shí)間變化的垂直位移序列，該測(cè)得的波面位移信號(hào)序列主要包含波浪信號(hào)及觀測(cè)噪聲信號(hào)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用平滑濾波處理，因平滑濾波計(jì)算量小，處理數(shù)據(jù)運(yùn)算快，能夠最大限度的的保留浮標(biāo)在波浪的波動(dòng)物理過程。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定系和測(cè)波精確度，波浪浮標(biāo)對(duì)小比尺波浪水槽造出多組規(guī)則波與不規(guī)則波進(jìn)行測(cè)波，然后將得到的波浪浮標(biāo)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用上跨零點(diǎn)法處理計(jì)算。RTK差分技術(shù)波浪浮標(biāo)不規(guī)則波高如圖5所示；RTK差分技術(shù)波浪浮標(biāo)規(guī)則波波高圖如圖6所示，電阻式傳感器和波浪浮標(biāo)關(guān)于不規(guī)則波高對(duì)比結(jié)果如圖7所示；電阻式傳感器和波浪浮標(biāo)方式關(guān)于規(guī)則波高對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

圖5 RTK波浪浮標(biāo)不規(guī)則波波高圖

圖6 RTK波浪浮標(biāo)歸規(guī)則波波高圖

圖7 電阻傳感器與RTK浮標(biāo)不規(guī)則波測(cè)波對(duì)比

圖8 電阻傳感器與RTK浮標(biāo)歸則波測(cè)波對(duì)比

將浮標(biāo)得到的波面一系列的垂直位移數(shù)據(jù)采用上跨零點(diǎn)法估計(jì)波浪浮標(biāo)的波高、周期與電阻式波高傳感器波高、周期結(jié)果對(duì)比，傳感器和波浪浮標(biāo)不規(guī)則波對(duì)比結(jié)果如表1所示，電阻式傳感器和波浪浮標(biāo)規(guī)則波對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表1 電阻傳感器和浮標(biāo)不規(guī)則波數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 電阻傳感器和浮標(biāo)規(guī)則波數(shù)據(jù)對(duì)比

通過曲線和表格數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比表明，RTK浮標(biāo)測(cè)波的數(shù)據(jù)與電阻式波高傳感器測(cè)得有效波高數(shù)據(jù)存在一定的偏差，但整體顯示RTK浮標(biāo)測(cè)波的數(shù)據(jù)與電阻式波高傳感器有效波高數(shù)據(jù)兩者相關(guān)系數(shù)約為0.96；RTK浮標(biāo)測(cè)得有效波周期稍微比電阻式傳感器偏大，但兩者相關(guān)系數(shù)仍約達(dá)為0.92，從而驗(yàn)證RTK浮標(biāo)測(cè)波系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

本文對(duì)波浪浮標(biāo)的整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)和波浪的波高、周期統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行了研究。首先，介紹了波浪浮標(biāo)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，其包括浮標(biāo)硬件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、基站與移動(dòng)站硬件的電路設(shè)計(jì)、差分RTK技術(shù)浮標(biāo)測(cè)波的原理和數(shù)據(jù)采集流程。其次介紹了波浪浮標(biāo)測(cè)波的統(tǒng)計(jì)方法，包括波高、波周期等要素。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了RTK技術(shù)浮標(biāo)測(cè)波系統(tǒng)測(cè)波的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，為下一步海上測(cè)波提供了理論和數(shù)據(jù)支持。