何志強(qiáng) 王文浩 郭冉

（第七一五研究所，杭州，310023）

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）是泛指所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括全球的和區(qū)域的系統(tǒng)，如美國(guó)的 GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，以及相關(guān)的增強(qiáng)系統(tǒng)，如美國(guó)的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）、歐洲的地球靜止導(dǎo)航重疊服務(wù)（EGNOS）和日本的多功能運(yùn)輸衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)（MSAS）等，還涵蓋在建和以后要建設(shè)的其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)?；贕NSS的綜合觀測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)是以浮標(biāo)為載體，在浮標(biāo)上集成GNSS模塊，利用GNSS衛(wèi)星獲取高精度位置信息，再通過(guò)相應(yīng)的算法來(lái)獲得水位、潮汐、波浪等參數(shù)，同時(shí)可根據(jù)需要加載測(cè)流儀、水溫度、電導(dǎo)率、鹽度、風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓、氣溫、相對(duì)濕度等傳感器。

1 系統(tǒng)概述

GNSS浮標(biāo)系統(tǒng)采用錨定式浮標(biāo)的方式對(duì)海洋表層溫鹽參數(shù)、剖面流速流向參數(shù)和波浪潮位參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中，表層溫鹽參數(shù)、剖面流速流向參數(shù)分別通過(guò)溫鹽傳感器和聲學(xué)多普勒海流剖面儀（ADCP）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，波浪和潮位參數(shù)通過(guò)高精度GNSS定位設(shè)備記錄的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)反演和修正進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

GNSS浮標(biāo)系統(tǒng)由浮標(biāo)體及錨系、安防系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、GNSS定位系統(tǒng)和岸站數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。浮標(biāo)體及錨系、安全防護(hù)系統(tǒng)提供監(jiān)測(cè)設(shè)備搭載平臺(tái)，供電系統(tǒng)為監(jiān)測(cè)設(shè)備提供電力支撐，由數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)對(duì)傳感器設(shè)備的監(jiān)測(cè)要素進(jìn)行采集并發(fā)送至岸站接收系統(tǒng)進(jìn)行顯示和分析。GNSS浮標(biāo)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 GNSS浮標(biāo)系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：相比傳統(tǒng)波浪測(cè)量浮標(biāo)，成本大大較低；相比傳統(tǒng)潮位站，站點(diǎn)設(shè)置靈活、成本低；系統(tǒng)采用4G通信網(wǎng)絡(luò)作為GNSS移動(dòng)站和固定站通信網(wǎng)絡(luò)，與衛(wèi)星轉(zhuǎn)輸相比，時(shí)效性較高，有利于提高測(cè)量精度。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

（1）利用GNSS模塊測(cè)量浮標(biāo)的垂直運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行波浪譜反演，再計(jì)算波浪的特征值數(shù)據(jù)，精度優(yōu)于15%或相關(guān)性系數(shù)>0.96。

（2）利用 GNSS接收機(jī)與北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)測(cè)量浮標(biāo)的實(shí)時(shí)高程數(shù)據(jù)，通過(guò)潮位修正獲取實(shí)時(shí)潮位數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)潮位與天文潮潮位誤差優(yōu)于10 cm或相關(guān)性系數(shù)>0.96。

（3）GNSS浮標(biāo)系統(tǒng)在以下工作環(huán)境中使用：工作水深，2～200 m； 風(fēng)速，0～50 m/s；波高，0～20 m；表層流速，0～3.5 m/s； 環(huán)境溫度，-20～60 ℃； 相對(duì)濕度， 0%～100%。

3 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 浮標(biāo)體及錨系

3.1.1 浮標(biāo)體

浮標(biāo)體主要由浮體、標(biāo)架、電池艙、電子艙和底座組成。電池艙集成安裝在浮體中心，電子艙集成安裝在標(biāo)架內(nèi)。浮標(biāo)外觀如圖2。

圖2 浮標(biāo)外觀圖

浮標(biāo)體主要技術(shù)規(guī)格：（1）浮體直徑2.0 m，型深1.2 m（含底座），設(shè)計(jì)干舷0.3 m，靜止?fàn)顟B(tài)吃水0.9 m（含底座）；（2）浮標(biāo)設(shè)計(jì)排水量1.12 t，自重1.12 t，儲(chǔ)備浮力約0.92 t；（3）浮標(biāo)自搖周期≤3 s；（4）浮標(biāo)體為黃色；（5）4個(gè)水下傳感器圍井。

3.1.2 浮體

浮體為圓盤形結(jié)構(gòu)，主要由聚脲外殼、泡沫注心、螺桿、螺母、壓板、防滑墊等組成，為浮標(biāo)提供浮力和穩(wěn)性，搭載水下傳感器（溫鹽傳感器、ADCP）、標(biāo)架、電池艙等。

浮體內(nèi)部為高分子泡沫注心，選用超低吸水率、耐腐蝕的彈性泡沫材料，外表面噴涂聚脲彈性材料，使浮體具有良好的抗擠壓和抗撞擊能力，強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)可靠，有高浮力/重量比，便于安裝及維護(hù)，壽命不小于 15年。浮標(biāo)體材料本體著色，浮體表面是聚脲彈性材料層，整個(gè)浮標(biāo)外表面層耐海水及大氣腐蝕、耐高溫、耐日光照射，顏色保留持久，光澤度高。浮體強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)可靠、重量輕，便于安裝、維護(hù)、運(yùn)輸、布放。

3.1.3 標(biāo)架

浮標(biāo)標(biāo)架由316L材料的型材和板材焊接而成，表面噴涂黃色防腐蝕漆，具有良好的耐腐蝕性和足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。標(biāo)架的作用是搭載數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、GPS、太陽(yáng)能板、電子艙、避雷針、雷達(dá)反射器等，各設(shè)備安裝位置考慮了互相不干涉和維護(hù)方便性。標(biāo)架頂部帶有起吊環(huán)，用于浮標(biāo)整體的起吊。標(biāo)架外形結(jié)構(gòu)和頂部設(shè)備安裝布置如圖3。

圖3 標(biāo)架外形結(jié)構(gòu)和安裝設(shè)備圖

3.1.4 浮標(biāo)錨系

采用單點(diǎn)水平懸鏈?zhǔn)藉^系，主要由浮筒、錨鏈、錨等組成。水平錨系可以減小錨系對(duì)浮標(biāo)隨波性的影響，提高測(cè)波精度。整個(gè)錨鏈系統(tǒng)穩(wěn)固可靠，錨系的布放便于浮標(biāo)的拖曳和維護(hù)，且在災(zāi)害性天氣及惡劣海況時(shí)可確保不丟標(biāo)。

3.2 安防系統(tǒng)

安全防護(hù)系統(tǒng)由自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、防雷裝置、航標(biāo)警示燈等組成，除自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)集成在岸站接收系統(tǒng)上外，其余集成在標(biāo)架上。

（1）航標(biāo)燈可視距離>3 km，黃色光，可設(shè)置發(fā)光周期和莫爾斯碼；

（2）雷達(dá)反射器和避雷針安裝集成在浮標(biāo)標(biāo)架上方，起到浮標(biāo)在位識(shí)別和防雷擊的作用；

（3）浮標(biāo)方位超出設(shè)定范圍、艙進(jìn)水、監(jiān)測(cè)參數(shù)值超出預(yù)設(shè)值、電池電壓過(guò)低等狀況下，自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)自動(dòng)向手機(jī)和值班電話報(bào)警；

（4）浮標(biāo)傳感器支架裝有護(hù)欄，能夠延緩過(guò)大的海流對(duì)溫鹽傳感器的沖擊。

3.3 數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)

包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集加密板、存儲(chǔ)器及其他元器件和結(jié)構(gòu)件組成。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由 DTU無(wú)線通信設(shè)備和GNSS衛(wèi)星通信設(shè)備組成。

3.3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)一定的時(shí)序控制主機(jī)及各類傳感器的加斷電，采集及處理各類傳感器的信號(hào)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于固態(tài)存儲(chǔ)器中，將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)通信傳輸系統(tǒng)發(fā)送到用戶的接收站，原始數(shù)據(jù)保存到存儲(chǔ)器中，隨時(shí)響應(yīng)檢測(cè)儀的各類檢測(cè)應(yīng)答信號(hào)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備以下功能：

（1）具有數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、質(zhì)量控制、狀態(tài)監(jiān)控、傳輸、電源控制、故障判斷、遙控功能。

（2）單套采集器配置多路數(shù)字口（RS-232 、RS-485接口），多路頻率計(jì)數(shù)口，多路 12 位模擬輸入通道，多路開(kāi)關(guān)量輸出。

（3）設(shè)大容量存儲(chǔ)卡，可存儲(chǔ) 5年以上的所有觀測(cè)數(shù)據(jù)。

（4）按規(guī)范文件要求定時(shí)采集各個(gè)傳感器的電信號(hào)并計(jì)算處理成各氣象和海洋水文要素觀測(cè)值，完成數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

（5）觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)加密算法形成數(shù)據(jù)文件可定時(shí)自動(dòng)發(fā)送到中心接收站，并同時(shí)在系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)。

（6）數(shù)據(jù)文件內(nèi)容包括觀測(cè)時(shí)間、站位信息、觀測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和浮標(biāo)狀態(tài)數(shù)據(jù)。

（7）采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)選配傳感器的不同分別進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

（8）具備系統(tǒng)檢測(cè)功能，可發(fā)出各類檢測(cè)命令，顯示檢測(cè)結(jié)果，并對(duì)系統(tǒng)的故障進(jìn)行分析、定位和測(cè)試。

（9）浮標(biāo)時(shí)鐘采用北京時(shí)，可根據(jù)用戶需要采用格林威治時(shí)。

（10）系統(tǒng)采集間隔可選擇10 min、30 min、1 h、2 h、4 h工作模式，也可根據(jù)要求定制。

3.3.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

GPRS/CDMA通訊模塊（Data Transfer Unit，DTU）的主要功能是把浮標(biāo)上的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線的方式傳送回后臺(tái)中心。DTU通過(guò)串口與數(shù)據(jù)采集模塊連接，數(shù)據(jù)采集模塊將采集的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行打包、加密后，通過(guò) DTU發(fā)送至岸站接收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。岸站接收系統(tǒng)可通過(guò) DTU向浮標(biāo)發(fā)送控制命令，控制浮標(biāo)系統(tǒng)改變工作周期和電源模塊通斷電等。

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具備以下功能：

（1）通訊系統(tǒng)采用 CDMA（或 GPRS）傳輸方式，可進(jìn)行雙向通訊，CDMA（或 GPRS）傳輸至固定IP地址服務(wù)器。CDMA（或 GPRS）傳輸方式用于將傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和GNSS信息數(shù)據(jù)傳送至岸站接收系統(tǒng)，GNSS傳輸方式用于岸基固定站和浮標(biāo)移動(dòng)站之間實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位。

（2）觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送間隔可設(shè)為 10 min、30 min、1 h、2 h、4 h工作模式，也可根據(jù)用戶需求設(shè)置傳輸周期。

（3）數(shù)據(jù)自動(dòng)補(bǔ)發(fā)功能。為保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，浮?biāo)具有數(shù)據(jù)自動(dòng)補(bǔ)發(fā)功能。如當(dāng)前點(diǎn)次數(shù)據(jù)傳輸失敗，則下一點(diǎn)次繼續(xù)發(fā)射。工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可達(dá)5年。數(shù)據(jù)接收率大于 95%（正常情況下）。

（4）加密傳輸。CDMA（或 GPRS）采用RC4加密算法加密傳輸。

3.4 供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能板、電池組、充電控制器和電源控制模塊組成。太陽(yáng)能板集成安裝在標(biāo)架上，電池組、充電控制器集成安裝在電池艙內(nèi)，電源控制模塊集成安裝在電子艙內(nèi)。供電系統(tǒng)采用太陽(yáng)能電池板和蓄電池組合供電的方式為浮標(biāo)供電。系統(tǒng)對(duì)浮標(biāo)提供直接輸出的25 V電壓，并通過(guò)供電控制模塊提供12 V和5 V電壓值。

供電系統(tǒng)配備太陽(yáng)能充電控制器和電源控制模塊，同時(shí)為不同用電需求的儀器設(shè)備供電。系統(tǒng)具備充放電過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)功能，某一路傳感器供電故障不會(huì)對(duì)其他傳感器正常使用造成影響。

3.5 傳感器系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)主要包括溫鹽傳感器和ADCP。溫鹽傳感器和ADCP通過(guò)傳感器支架固定安裝在浮標(biāo)浮體的傳感器圍井中。同時(shí)，可根據(jù)需要加裝其它傳感器。

3.6 GNSS定位系統(tǒng)

GNSS浮標(biāo)系統(tǒng)利用GNSS定位系統(tǒng)進(jìn)行波浪和潮位測(cè)量，GNSS定位系統(tǒng)包括移動(dòng)站、固定站和通信系統(tǒng)。移動(dòng)站安裝在浮標(biāo)上，用于測(cè)量浮標(biāo)位置信息，固定站安裝在岸上，與移動(dòng)站配合實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位，使移動(dòng)站的定位精度達(dá)到厘米級(jí)。GNSS定位系統(tǒng)通信流程圖如圖4所示。

圖4 GNSS定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

3.6.1 移動(dòng)站

移動(dòng)站采用北斗高精度導(dǎo)航定位模塊，能輸出高精度的定位信息，通過(guò) CDMA模塊與固定站通訊。接收機(jī)采用雙天線，可以測(cè)量航向。

3.6.2 固定站

采用北斗高精度板卡，支持全系統(tǒng)多頻點(diǎn)RTK 定位和定向，可作為移動(dòng)站或基站使用。其主要技術(shù)參數(shù)為：RTK平面10 mm，高程15 mm；數(shù)據(jù)更新率，20 Hz；時(shí)間精度為20 ns；速度精度，0.03 m/s。板卡與DTU連接，通過(guò)DTU與移動(dòng)站進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。

3.6.3 波浪測(cè)量算法

波浪測(cè)量是利用GNSS系統(tǒng)定位測(cè)量并記錄浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，包括水平運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和垂直運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，根據(jù)姿態(tài)數(shù)據(jù)反演出波浪譜，系統(tǒng)對(duì)波浪譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得出波浪特征值數(shù)據(jù)，包括波高、波周期、波向等[1-2]。

由GNSS信號(hào)計(jì)算，垂向速度信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)為

式中，m0和m2為位移譜S(f)的零階矩和二階矩，根據(jù)海洋波浪頻段截取頻率范圍。

由GNSS浮標(biāo)觀測(cè)波面的垂直、東西及南北方向的速度數(shù)據(jù)的交叉譜可以求得方向波譜。首先定義互相關(guān)函數(shù)：

當(dāng)已知方向波譜S( f,)θ和一維波譜 S( f)后，方向分布函數(shù) D(θ,f) 就可以求得，即可以解得成分波來(lái)向。

為驗(yàn)證波浪數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，浮標(biāo)內(nèi)置了一個(gè)波浪傳感器，GNSS所得波浪數(shù)據(jù)與波浪傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。岸站接收系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，處理方法為：

（1）將高度信息進(jìn)行去中心化處理得到波面位移序列X1；

（2）將X1經(jīng)過(guò)高通濾波濾掉潮汐分量，保留波浪信息X2；

（3）對(duì)X2進(jìn)行野點(diǎn)剔除：

● 對(duì)X3進(jìn)行平滑平均處理得到X4；

● 求X4的自相關(guān)函數(shù)X5；

● 尋找自相關(guān)函數(shù)X5中心區(qū)域極大值，根據(jù)極大值位置差估算周期均值T；

● 求X5的頻譜X6；

● 對(duì)X6積分求波面位移序列功率譜的零階矩m0。

3.6.4 潮位測(cè)量算法

潮位測(cè)量則是采用GNSS移動(dòng)站與岸基固定站測(cè)得浮標(biāo)的高程值，根據(jù)所在海域的基準(zhǔn)潮位值（85高程）對(duì)所測(cè)得高程進(jìn)行校準(zhǔn)，得出浮標(biāo)所在海域的潮位值[3]。潮位測(cè)量原理如圖5所示。

圖5 GNSS潮位測(cè)量原理

3.7 岸站接收系統(tǒng)

岸站接收處理系統(tǒng)是整個(gè)浮標(biāo)站的重要組成部分，其主要功能是實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的接收和處理浮標(biāo)數(shù)據(jù)，并具有即時(shí)報(bào)警、數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)及遠(yuǎn)程控制等功能，給用戶研究使用提供方便。岸站接收系統(tǒng)接收到浮標(biāo)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，根據(jù)波浪和潮位的測(cè)量算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后入庫(kù)。接收系統(tǒng)界面圖見(jiàn)圖6。

圖6 岸站接收系統(tǒng)界面

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

研制的GNSS綜合觀測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)布放于溫州洞頭海域進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，見(jiàn)圖 7。將浮標(biāo)布放在距離驗(yàn)潮站100 m左右海域。高程數(shù)據(jù)按85高程基準(zhǔn)值進(jìn)行修正后，得到原始潮位數(shù)據(jù)，與驗(yàn)潮站的潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖8所示。

圖7 GNSS浮標(biāo)

圖8 原始潮位數(shù)據(jù)與驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)對(duì)比

將高程數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)低通濾波器濾掉波浪成分，保留潮位信息Y1；對(duì)Y1進(jìn)行平均平滑。設(shè)計(jì)FIR數(shù)字低通濾波器時(shí)，截至頻率WC和窗函數(shù)長(zhǎng)度N是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，可以選擇的窗函數(shù)類型有矩形窗、三角窗、漢寧窗、海明窗和布萊克曼窗；對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行小波變化后的高頻部分進(jìn)行閾值處理，得到干凈的信號(hào)，如圖9所示。經(jīng)過(guò)濾波處理后，潮位絕對(duì)值誤差<6 cm，相關(guān)系數(shù)r= 0.996 7。

圖9 濾波后潮位數(shù)據(jù)與驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

GNSS浮標(biāo)可以利用高精度的信息來(lái)反演潮位，有效降低潮位要素的觀測(cè)成本，可以根據(jù)需要進(jìn)行大面積的觀測(cè)，彌補(bǔ)現(xiàn)在海洋觀測(cè)水文資料稀缺的不足，為臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮、海嘯等惡劣天氣的海洋監(jiān)測(cè)預(yù)警提供便利。在無(wú)法建設(shè)驗(yàn)潮站的海域，GNSS綜合觀測(cè)浮標(biāo)是一種有效的可行的替代手段，對(duì)于軍事活動(dòng)、遠(yuǎn)洋航運(yùn)、海上捕撈、氣象、潮位、波浪分析等均具有重要的研究意義和應(yīng)用前景。