何志強 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)，如美國的 GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，以及相關(guān)的增強系統(tǒng)，如美國的廣域增強系統(tǒng)（WAAS）、歐洲的地球靜止導(dǎo)航重疊服務(wù)（EGNOS）和日本的多功能運輸衛(wèi)星增強系統(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，再通過相應(yīng)的算法來獲得水位、潮汐、波浪等參數(shù)，同時可根據(jù)需要加載測流儀、水溫度、電導(dǎo)率、鹽度、風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓、氣溫、相對濕度等傳感器。

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)進行監(jiān)測。其中，表層溫鹽參數(shù)、剖面流速流向參數(shù)分別通過溫鹽傳感器和聲學(xué)多普勒海流剖面儀（ADCP）進行監(jiān)測，波浪和潮位參數(shù)通過高精度GNSS定位設(shè)備記錄的運動姿態(tài)反演和修正進行監(jiān)測。

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、安全防護系統(tǒng)提供監(jiān)測設(shè)備搭載平臺，供電系統(tǒng)為監(jiān)測設(shè)備提供電力支撐，由數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)對傳感器設(shè)備的監(jiān)測要素進行采集并發(fā)送至岸站接收系統(tǒng)進行顯示和分析。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：相比傳統(tǒng)波浪測量浮標(biāo)，成本大大較低；相比傳統(tǒng)潮位站，站點設(shè)置靈活、成本低；系統(tǒng)采用4G通信網(wǎng)絡(luò)作為GNSS移動站和固定站通信網(wǎng)絡(luò)，與衛(wèi)星轉(zhuǎn)輸相比，時效性較高，有利于提高測量精度。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

（1）利用GNSS模塊測量浮標(biāo)的垂直運動和水平運動狀態(tài)，進行波浪譜反演，再計算波浪的特征值數(shù)據(jù)，精度優(yōu)于15%或相關(guān)性系數(shù)>0.96。

（2）利用 GNSS接收機與北斗地基增強系統(tǒng)測量浮標(biāo)的實時高程數(shù)據(jù)，通過潮位修正獲取實時潮位數(shù)據(jù)，實測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 ℃； 相對濕度， 0%～100%。

3 分系統(tǒng)設(shè)計

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)計排水量1.12 t，自重1.12 t，儲備浮力約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，強度高、結(jié)構(gòu)可靠，有高浮力/重量比，便于安裝及維護，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。浮體強度高、結(jié)構(gòu)可靠、重量輕，便于安裝、維護、運輸、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)強度。標(biāo)架的作用是搭載數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、GPS、太陽能板、電子艙、避雷針、雷達反射器等，各設(shè)備安裝位置考慮了互相不干涉和維護方便性。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

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

3.2 安防系統(tǒng)

安全防護系統(tǒng)由自動報警系統(tǒng)、防雷裝置、航標(biāo)警示燈等組成，除自動報警系統(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)在位識別和防雷擊的作用；

（3）浮標(biāo)方位超出設(shè)定范圍、艙進水、監(jiān)測參數(shù)值超出預(yù)設(shè)值、電池電壓過低等狀況下，自動報警系統(tǒng)自動向手機和值班電話報警；

（4）浮標(biāo)傳感器支架裝有護欄，能夠延緩過大的海流對溫鹽傳感器的沖擊。

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)一定的時序控制主機及各類傳感器的加斷電，采集及處理各類傳感器的信號、實時數(shù)據(jù)存儲于固態(tài)存儲器中，將處理后的數(shù)據(jù)通過通信傳輸系統(tǒng)發(fā)送到用戶的接收站，原始數(shù)據(jù)保存到存儲器中，隨時響應(yīng)檢測儀的各類檢測應(yīng)答信號。

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、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），多路頻率計數(shù)口，多路 12 位模擬輸入通道，多路開關(guān)量輸出。

（3）設(shè)大容量存儲卡，可存儲 5年以上的所有觀測數(shù)據(jù)。

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

（5）觀測數(shù)據(jù)通過加密算法形成數(shù)據(jù)文件可定時自動發(fā)送到中心接收站，并同時在系統(tǒng)內(nèi)存儲。

（6）數(shù)據(jù)文件內(nèi)容包括觀測時間、站位信息、觀測數(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，可根據(jù)選配傳感器的不同分別進行參數(shù)設(shè)置。

（8）具備系統(tǒng)檢測功能，可發(fā)出各類檢測命令，顯示檢測結(jié)果，并對系統(tǒng)的故障進行分析、定位和測試。

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

（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)通過無線的方式傳送回后臺中心。DTU通過串口與數(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)進行打包、加密后，通過 DTU發(fā)送至岸站接收系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸。岸站接收系統(tǒng)可通過 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)移動站之間實時動態(tài)相對定位。

（2）觀測數(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)自動補發(fā)功能。為保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，浮?biāo)具有數(shù)據(jù)自動補發(fā)功能。如當(dāng)前點次數(shù)據(jù)傳輸失敗，則下一點次繼續(xù)發(fā)射。工作數(shù)據(jù)存儲可達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)主要由太陽能板、電池組、充電控制器和電源控制模塊組成。太陽能板集成安裝在標(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)對浮標(biāo)提供直接輸出的25 V電壓，并通過供電控制模塊提供12 V和5 V電壓值。

供電系統(tǒng)配備太陽能充電控制器和電源控制模塊，同時為不同用電需求的儀器設(shè)備供電。系統(tǒng)具備充放電過壓、過流保護和短路保護功能，某一路傳感器供電故障不會對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通過傳感器支架固定安裝在浮標(biāo)浮體的傳感器圍井中。同時，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)進行波浪和潮位測量，GNSS定位系統(tǒng)包括移動站、固定站和通信系統(tǒng)。移動站安裝在浮標(biāo)上，用于測量浮標(biāo)位置信息，固定站安裝在岸上，與移動站配合實時動態(tài)相對定位，使移動站的定位精度達到厘米級。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 移動站

移動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 CDMA模塊與固定站通訊。接收機采用雙天線，可以測量航向。

3.6.2 固定站

采用北斗高精度板卡，支持全系統(tǒng)多頻點RTK 定位和定向，可作為移動站或基站使用。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；時間精度為20 ns；速度精度，0.03 m/s。板卡與DTU連接，通過DTU與移動站進行實時通訊。

3.6.3 波浪測量算法

波浪測量是利用GNSS系統(tǒng)定位測量并記錄浮標(biāo)的運動姿態(tài)，包括水平運動姿態(tài)和垂直運動姿態(tài)，根據(jù)姿態(tài)數(shù)據(jù)反演出波浪譜，系統(tǒng)對波浪譜數(shù)據(jù)進行分析計算，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信號計算，垂向速度信號的自相關(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向。

為驗證波浪數(shù)據(jù)的準確性，浮標(biāo)內(nèi)置了一個波浪傳感器，GNSS所得波浪數(shù)據(jù)與波浪傳感器數(shù)據(jù)進行對比驗證。岸站接收系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后，先對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，處理方法為：

（1）將高度信息進行去中心化處理得到波面位移序列X1；

（2）將X1經(jīng)過高通濾波濾掉潮汐分量，保留波浪信息X2；

（3）對X2進行野點剔除：

● 對X3進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X6積分求波面位移序列功率譜的零階矩m0。

3.6.4 潮位測量算法

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

圖5 GNSS潮位測量原理

3.7 岸站接收系統(tǒng)

岸站接收處理系統(tǒng)是整個浮標(biāo)站的重要組成部分，其主要功能是實時、準確、可靠的接收和處理浮標(biāo)數(shù)據(jù)，并具有即時報警、數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計及遠程控制等功能，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)波浪和潮位的測量算法進行數(shù)據(jù)處理后入庫。接收系統(tǒng)界面圖見圖6。

圖6 岸站接收系統(tǒng)界面

4 試驗驗證

研制的GNSS綜合觀測浮標(biāo)系統(tǒng)布放于溫州洞頭海域進行試驗驗證，見圖 7。將浮標(biāo)布放在距離驗潮站100 m左右海域。高程數(shù)據(jù)按85高程基準值進行修正后，得到原始潮位數(shù)據(jù)，與驗潮站的潮位數(shù)據(jù)進行比較，如圖8所示。

圖7 GNSS浮標(biāo)

圖8 原始潮位數(shù)據(jù)與驗潮站數(shù)據(jù)對比

將高程數(shù)據(jù)經(jīng)過低通濾波器濾掉波浪成分，保留潮位信息Y1；對Y1進行平均平滑。設(shè)計FIR數(shù)字低通濾波器時，截至頻率WC和窗函數(shù)長度N是設(shè)計的關(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；對原始信號進行小波變化后的高頻部分進行閾值處理，得到干凈的信號，如圖9所示。經(jīng)過濾波處理后，潮位絕對值誤差<6 cm，相關(guān)系數(shù)r= 0.996 7。

圖9 濾波后潮位數(shù)據(jù)與驗潮站數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)束語

GNSS浮標(biāo)可以利用高精度的信息來反演潮位，有效降低潮位要素的觀測成本，可以根據(jù)需要進行大面積的觀測，彌補現(xiàn)在海洋觀測水文資料稀缺的不足，為臺風(fēng)、風(fēng)暴潮、海嘯等惡劣天氣的海洋監(jiān)測預(yù)警提供便利。在無法建設(shè)驗潮站的海域，GNSS綜合觀測浮標(biāo)是一種有效的可行的替代手段，對于軍事活動、遠洋航運、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。