北斗浮标现场原位计量比对研究

贾伟广， 常 双， 程绍华， 沈飞飞

(国家海洋标准计量中心，天津 300112)

波浪是指海水受海风、气压和地球自转等影响，水质点离开原来的平衡位置，而发生水面起伏现象。波浪是一种海水周期性的天然运动形态，属于海洋水文核心参数之一，是海洋水动力科学重要研究内容之一[1]，波浪三要素是波高、波周期和波向。

海洋学家研制浮标测量波浪，测量原理分为重力加速度式、海床基压力式和岸站雷达式等[2]，其中重力加速度式浮标发展最成熟，精度高。国外代表产品有荷兰Datawell公司的波浪骑士浮标(Waverider)[3]、加拿大AXYS公司的TRIAXYS浮标，国内有山东省科学院海洋仪器仪表研究所SBF1-1型浮标、中国海洋大学SZF型浮标[4]。

依据国家技术规范(检定规程)JJG1144-2017《重力加速度式波浪浮标》规定，浮标每年需要检定/校准一次[5]，以确保监测数据准确可信。

目前，浮标多是在布放以前在陆地实验室校准一次，布放以后几乎不再校准，导致沿海布放浮标多数处于脱检状态[6]，存在数据质量下降的隐患。

寻找科学合理的波浪浮标现场校准技术[7]，确保波浪浮标测量得到的海面波浪场数据准确可信是当前研究的方向之一。

目前进行浮标现场校准研究，国内外多采用现场比对方式[8]。选择一台标准浮标，将其与被校准浮标布放在同一海域，设置起始和终止时间，用标准浮标评价被校准浮标的参数性能和技术指标[9]。由于荷兰Waverider浮标技术成熟、可靠性高、投入市场较久，已被世界波浪研究机构公认为波浪标准浮标[10]，目前大多机构选择Waverider与被校准浮标开展现场计量比对工作。

为打破国外技术垄断，建立我国波浪现场校准技术，研究人员另辟蹊径，依托日益成熟的北斗卫星系统，基于卫星高精度定位原理，运用高精度的载波相位差分技术RTK(Real-Time Kinematic)，设计电子、软控和机械部件，研发完成北斗定位信号新型浮标(北斗浮标)。

将北斗浮标与Waverider进行计量比对，结果显示两台浮标数据基本一致，技术性能相似。北斗浮标可替代Waverider，可作为一种新校准手段，为波浪参数量值传递提供了一种新的有效途径。

1 海试计量比对浮标和比对过程

研究人员将Waverider和北斗浮标布放在同一开阔海域，对两套浮标复现海浪量值进行比较，由于两台浮标具有完全相同的海况变化条件，所以符合计量比对要求。海试比对浮标及计量比对海试过程如下。

1.1 Waverider浮标

1968年，荷兰Datawell公司推出第一代Waverider浮标，只能测量波高、波周期，不能测量波向[11]。1988年，Waverider浮标增加波向测量功能，实现全参数测量[12]。经过多年技术改进，该浮标目前已成为世界上最成熟、占有市场份额最高的浮标产品[13]。Waverider内部装有Wave unit(测波单元)，Wave unit核心传感器是Hippy40，由置于水平平台的重力加速度传感器组成[14]，浮标整机和内部模块如图1所示。

图1 Waverider浮标整体外形和核心模块

经过近50年的持续改进，Waverider浮标性能稳定，准确性较高[15]，在观测海域若有多种厂家浮标同时工作时，科研人员公认Waverider浮标测量数据是标准数值[16]，Waverider浮标可测量波高范围为-20～20 m，最大允许误差(Maximum Permissible Error，MPE)是测量值×0.5%，波周期测量范围1.6～30 s，MPE为0.2 s，波向测量范围为0～360°，MPE为0.5°。技术参数如表1所示。

表1 Waverider浮标技术参数

1.2 北斗浮标

北斗浮标含两个模块：海面测量模块和陆地控制模块。其中，海面测量模块包括卫星天线、高频双工电台、卫星信号运算电路等器件；陆地控制模块包括卫星天线、双工电台和上位机等器件。实际工作时，这两个模块协同工作，陆地控制模块中的卫星天线位置静止不变，首先将精密星历和坐标修正信息转换成RTK信号，通过电台传给海面测量模块，海面测量模块接收RTK信号，融合姿态变化信号，经过解析运算可得到实时高精度波浪数据，然后再通过无线电台传给陆地控制模块，最终可得到高精度波浪数值。北斗浮标原理如图2所示，整机模块如图3所示。

图2 北斗浮标测量波浪原理图

图3 北斗浮标整机模块组成和装配示意图

研究人员先后完成数学建模、硬件选配、软件调试、量值溯源工作，完成北斗浮标样机研制，然后通过波浪三要素准确性、天线遮挡、姿态补偿和频谱匹配等陆地测试，结果显示该浮标技术性能较好，波高、波周期和波向示值误差分别为0.03 m，0.1 s，2.0°，满足国家计量检定规程要求。

1.3 性能指标比对分析

北斗浮标核心模块是卫星板卡，可以输出高精度竖直位移数据，通过解算可得波高数值。通过深入研究，在数据更新率、波高精度(20 m时)和功耗方面，北斗浮标均优于Waverider浮标，技术参数对比如表2所示。

表2 北斗浮标与Waverider浮标技术参数对比

考虑到恶劣海况下，卫星板卡可能会丢失部分卫星信号，此时容易导致错误数据输出，为解决此问题，北斗浮标配备姿态传感器，输出加速度和角速度数据，用于补偿卫星信号丢失的波高位移数据。北斗浮标配置技术水平较高的加速度和角速度测量仪，可有效解决卫星信号丢失的技术难题，两套浮标的加速度和角速度对比如表3所示。

表3 北斗浮标与Waverider浮标加/角速度对比

可见，通过对比两套浮标的硬件精度、主机性能等技术指标，可知北斗浮标比Waverider浮标具有一定的技术优势。

1.4 计量比对过程

为验证北斗浮标在海面实际性能指标(可靠性、准确性和适应性)，在青岛小麦岛和威海褚岛分别进行现场海试各一次。将两次北斗浮标测量结果与同海况下Waverider浮标观测结果进行比较，分析波浪数据变化趋势一致程度，评判北斗浮标是否满足现场校准计量标准器具的需求。

2018年12月07日—21日，在小麦岛海洋台站附近海域(N36.02°、E120.25°)进行现场实海况计量比对试验。布放位置位于小麦岛海洋站南向海域，距离海洋站约3 km、水深20 m，附近已有1台正常工作的Waverider浮标，北斗浮标距离Waverider浮标约400 m远，两台仪器经历波浪场相同，联合观测数据结果可信度高。

2019年11月19日—2020年1月10日，将北斗浮标和Waverider浮标布放在威海海上综合试验场海域(N37.36°、E122.54°)，水深25 m，两套浮标相距300 m，再次进行现场实海况比对试验。

两次海试历时共66天，取得测试数据24.32 GB，期间多次经历寒潮大风、风浪较大等较差海况。

2 现场计量比对海试结果

海试完成后，整理北斗浮标与Waverider浮标联合观测数据，对试验数据进行分析处理。试验结果显示北斗浮标与Waverider浮标测量数据的一致性较好，两台仪器示值误差满足国家技术规范要求。北斗浮标可替代Waverider浮标，作为现场原位校准测试的标准计量器具，解决了我国波浪现场原位校准时国产计量器具缺失的技术难题。

波高、波周期和波向计量比对结果分析如下。

2.1 波高计量比对结果

为提高北斗浮标测波数据解算速度和精度，首先从北斗系统5颗GEO(Geostationary Earth Orbits,地球静止轨道)卫星中选取2012年发射、位于E110.6°的第16颗星作为基准星，全程参与三维精度定位计算；同时选取且只选取处于差分定位测波状态的数据组，对应的数据属于固定解，而非浮点解，此时精度最高；最后，要求差分定位测波数据的HDOP(Horizontal Dilution of Precision,水平精度因子)值不大于1.5。

经过连续多天不间断试验，期间接收定位信号的卫星总颗数不低于14颗；期间遭遇多次寒潮大风天气，北斗浮标工作性能基本稳定，测量数据连续性较好。

Waverider波高测量范围为0.17～0.47 m，北斗浮标对应波高范围为0.15～0.45 m，比对结果表明最大示值误差绝对值为0.04 m，满足JJG1144-2017《重力加速度式波浪浮标检定规程》中波高计量标准器具不大于±0.05 m的要求。部分试验数据如表4所示，数据截图如图4所示。

表4 波高试验数据(部分)

图4 波高计量比对(部分)数据变化图

2.2 波周期计量比对结果

波周期是跟波高参数不可分割的一组参量，对预测波动发展趋势、评价海浪蕴含能量意义重大。

海试中，Waverider浮标测量波周期范围为2.71～5.97 s，北斗浮标对应波周期范围为2.80～5.95 s，校准结果显示最大示值误差绝对值为0.10 s，满足JJG1144-2017《重力加速度式波浪浮标检定规程》中波周期计量标准器具不大于±0.2 s要求，部分试验数据如表5所示，数据截图如图5所示。

表5 波周期试验数据(部分)

图5 波周期计量比对(部分)数据变化图

2.3 波向计量比对结果

波向是指垂直于波峰线的波浪行进方向。目前国内法定计量机构已建立波浪计量标准，可在陆地实验室内提供波高和波周期计量校准服务。但是尚无单位建立波向计量标准，波向参数量值溯源仍然是一项技术空白，更无法满足现场校准技术需求。

目前包括Waverider浮标在内的锚系浮标，均内置磁罗经。测量波向时，首先确定地磁北向并将其设定为0°向，然后测量波向数值。由于地磁北向位置会随时间改变，很难找到规律，此种波向测量方式需实时确定地磁北向精确位置，存在一定技术缺陷，亟需研究一种新的波向测量技术。

北斗导航定位系统采用地心坐标系CGCS(China Geodetic Coordinate System)2000，基于北斗系统的北斗浮标测量波向时，首先将地球真北向设为0°向，然后测量波向数值，此方式可完全脱离地磁变化的影响。由于地球真北向是固定唯一的、不随时间变化而改变的，所以北斗浮标可大幅提升波向测量精度。

在进行波向参数海试时，首先分析地球磁北向(Waverider测得)和地球真北向(北斗浮标测得)之间固有差异，综合考虑两个北向之间角度变化量，然后进行波向观测数据处理，消除此误差。

海试结果显示，两台仪器波向最大示值误差绝对值为3.4°，满足现行有效的《GB/T14914-2006海滨观测规范》中波向技术指标不大于±5°的要求，部分试验数据如表6所示，数据截图如图6所示。

表6 波向试验数据(部分)

图6 波向计量比对(部分)数据变化图

3 小结和展望

北斗卫星定位导航是我国自主建设、独立运行的卫星导航系统，是国之重器，目前已完成北斗三号卫星全球组网。基于北斗系统的各种应用研究正如火如荼地进行，北斗浮标属于海洋波浪测量技术、北斗高精度定位技术的融合创新之一。

笔者提出了一种浮标现场测量技术，并形成了一套较高精度的标准器具。改变现场校准只能依托国外仪器作为标准器具的旧模式。计量比对结果显示这两套仪器技术性能基本相同，北斗浮标满足现行有效的JJG1144-2017《重力加速度式波浪浮标检定规程》和GB/T14914-2006《海滨观测规范》中波高、波周期和波向的技术指标要求。今后在现场校准评价其他浮标时，北斗浮标可取代Waverider，实现波浪原位量值传递源头国产化；同时，北斗浮标也可定期与Waverider开展现场计量比对测试，判断Waverider工作是否正常、测量数据是否准确可信。

波向校准对电磁环境有极高要求，目前国内外计量机构均未建立室内波向计量标准，更无法对波向参数进行现场校准工作。北斗浮标可规避基于磁罗经测波向的零值误差，剔除波向数值固有误差，为波向现场校准提供了一种新手段。

下一步工作展望：

① 增大试验强度，增加现场海试次数，争取在不同季节、不同海况下进行计量比对试验，获取更多数据，提高技术成熟度；

② 北斗浮标电台模块耗电量较大，影响工作时长，需优化硬件设计、降低能耗、延长工作时长；

③ 进行现场海试、选择试验场时，要求试验海域远离高压输电线、海上风力发电厂等产生干扰磁场的区域，尽量降低电磁干扰对波向测量结果的影响，增加相关研究内容，提升海试结果可靠可信度。