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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)海洋波浪定點(diǎn)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(diǎn)、全天候長期觀測的特點(diǎn)，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(yàn)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(shí)運(yùn)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(yùn)行現(xiàn)場自動測波儀器，我國海洋站中約87.5%的站點(diǎn)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(jì)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(shí)時(shí)傳輸和緊湊的外形得以組成“實(shí)時(shí)海洋傳感器陣列”，實(shí)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(shí)時(shí)動態(tài)定位（Real Time Kinematic, RTK）技術(shù)、精密單點(diǎn)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(shí)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(shí)時(shí)在線波浪測量技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法，給出了該技術(shù)硬件環(huán)境的選型、組成，以及實(shí)時(shí)在線軟件的設(shè)計(jì)思路和工作原理，并進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)。研究的GNSS 載波相位歷元差分算法的漂流浮標(biāo)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)在線波浪測量技術(shù)，對實(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(jì)算衛(wèi)星軌道改正，由雙頻無電離層組合消除一階項(xiàng)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(jì)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(xiàng)也可以由相應(yīng)模型算出；Δεsr為其他殘余誤差項(xiàng)與噪聲；v為三維速度； Δt為相鄰歷元之間的時(shí)間間隔（劉楊等, 2020; 田力等, 2021;Liu et al, 2022）。

實(shí)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(xiàng)（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(xiàng)，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(jì)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(jì)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(diǎn)法對樣本中的不規(guī)則波進(jìn)行定義，故在上跨零點(diǎn)法定義不規(guī)則波的基礎(chǔ)上，利用統(tǒng)計(jì)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(jì)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(shí)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(gè)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(shí)時(shí)在線波浪測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)

GNSS 漂流浮標(biāo)實(shí)時(shí)在線波浪測量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要依靠實(shí)時(shí)在線解算軟件及其硬件運(yùn)行環(huán)境。實(shí)際測量時(shí)，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(bào)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(shí)時(shí)在線解算軟件作為實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位算法還可以在位置估算的同時(shí)得到天頂對流層延遲，進(jìn)一步結(jié)合浮標(biāo)實(shí)測氣溫、氣壓或者數(shù)值天氣預(yù)報(bào)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(yùn)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(jì)算資源和緩存空間，是GNSS 漂流浮標(biāo)實(shí)時(shí)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(yùn)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(shí)時(shí)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(jì)

2.1.1 主控板卡

GNSS 漂流浮標(biāo)設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)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(shí)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(diǎn)定位改正信號（涂滿紅等, 2022），可設(shè)計(jì)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(bào)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(jì)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(bào)文回傳至岸基接收設(shè)備，或者將岸基指揮處的運(yùn)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(bào)文通信為主，銥星、天通等衛(wèi)星通信為輔的設(shè)計(jì)，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(bào)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(diǎn)，逐漸成為現(xiàn)今我國海上實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾绞?，更成為許多浮標(biāo)實(shí)時(shí)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(shí)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(bào)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(fèi)用較高，可考慮作為個(gè)別補(bǔ)充手段。

不同通信系統(tǒng)具有不同等級的報(bào)文傳輸限制。最新的北斗三號系統(tǒng)區(qū)域短報(bào)文和全球短報(bào)文服務(wù)的單次報(bào)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(bào)文通信為主要通信手段，可依據(jù)最大報(bào)文長度僅為560 bit 的全球短報(bào)文服務(wù)設(shè)計(jì)報(bào)文，報(bào)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(bào)文數(shù)目來保證信息傳輸完整。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

波浪實(shí)時(shí)在線測量軟件是利用C 語言開發(fā)的。軟件占用資源少，運(yùn)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(yùn)行在無圖形桌面的主控板系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)解算的配置選項(xiàng)可通過讀入配置文件或命令行手動設(shè)置，整個(gè)程序采用多線程機(jī)制進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，整個(gè)軟件的運(yùn)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(yùn)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(shí)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(jì)的滑動窗口（例如窗口大小為30 min）進(jìn)行滑動，對位移時(shí)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(shí)，其他子線程負(fù)責(zé)協(xié)同完成信息回傳、時(shí)間同步和數(shù)據(jù)緩存等工作。

2.2.2 實(shí)時(shí)性能分析

實(shí)時(shí)處理軟件采用多線程同步運(yùn)行的方式，多線程包括數(shù)據(jù)處理線程和報(bào)文組建發(fā)送線程等，實(shí)時(shí)處理的耗時(shí)由其中耗時(shí)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(shí)間測試，結(jié)果表明，數(shù)據(jù)處理線程運(yùn)行3 000 次的單次平均運(yùn)行時(shí)間為0.08 s，小于0.2 s 的GNSS 數(shù)據(jù)采樣間隔，報(bào)文組建發(fā)送線程運(yùn)行10 次的單次平均運(yùn)行時(shí)間為0.05 s，軟件滿足實(shí)時(shí)運(yùn)行需求。實(shí)際海上試驗(yàn)表明，在浮標(biāo)硬件配置的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，在線軟件運(yùn)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(shí)時(shí)運(yùn)行需求。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為驗(yàn)證GNSS 漂流浮標(biāo)實(shí)時(shí)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(yàn)，并對測試浮標(biāo)實(shí)時(shí)回傳結(jié)果進(jìn)行比對驗(yàn)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(yàn)，稱為試驗(yàn)一。試驗(yàn)設(shè)備包括2 套內(nèi)置實(shí)時(shí)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(yàn)，稱為試驗(yàn)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(shí)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(yàn)結(jié)果與分析

對比青島近海海試（試驗(yàn)一）中1 號、2 號測試浮標(biāo)實(shí)時(shí)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(yàn)中2 套測試浮標(biāo)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(yàn)測試浮標(biāo)實(shí)時(shí)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(yàn)結(jié)果與分析

因現(xiàn)場無其他設(shè)備比測，采用實(shí)時(shí)在線回傳數(shù)據(jù)與歐洲中期天氣預(yù)報(bào)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(yàn)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(shí)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(yàn)（試驗(yàn)二）4 套測試浮標(biāo)在南海及印度洋的布放區(qū)域，時(shí)間從2 月到7 月。

2022 年遠(yuǎn)海試驗(yàn)（試驗(yàn)二）4 套測試浮標(biāo)3 號、4 號、5 號、6 號實(shí)時(shí)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(shí)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(yàn)4 套測試浮標(biāo)（3 號、4 號、5 號和6 號）實(shí)時(shí)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(yàn)4 套測試浮標(biāo)實(shí)時(shí)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?？紤]到對比數(shù)據(jù)的精度和時(shí)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(shí)測數(shù)據(jù)的比測工作。

表3 遠(yuǎn)海海試實(shí)時(shí)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(shí)間、距離和成本的制約，本文主要研究了GNSS 漂流浮標(biāo)實(shí)時(shí)在線波浪測量技術(shù)及其軟件實(shí)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(jì)和實(shí)時(shí)在線軟件的實(shí)現(xiàn)策略，并進(jìn)行了軟件實(shí)現(xiàn)和實(shí)時(shí)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(yàn)（試驗(yàn)一）和遠(yuǎn)海試驗(yàn)（試驗(yàn)二）的研究區(qū)域，對比分析了1 號、2 號（近海）測試浮標(biāo)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(yàn)證了GNSS 漂流浮標(biāo)實(shí)時(shí)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(jì)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(bào)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(shí)時(shí)在線波浪測量的任務(wù)需求。

2）實(shí)時(shí)在線波浪測量軟件采用多線程機(jī)制。主線程負(fù)責(zé)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、任務(wù)調(diào)度；各子線程同步運(yùn)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(bào)文回傳、數(shù)據(jù)緩存以及時(shí)間同步等工作。軟件實(shí)時(shí)處理速度滿足實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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?shí)時(shí)變化趨勢。相較于傳統(tǒng)高精度GNSS 方法，GNSS 漂流浮標(biāo)實(shí)時(shí)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(fèi)用。該技術(shù)只需衛(wèi)星廣播星歷，即可在保證實(shí)時(shí)性的同時(shí)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(yàn)證了GNSS 漂流浮標(biāo)實(shí)時(shí)在線波浪測量技術(shù)及其軟件實(shí)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。