卫星测波浮标的海上现场校准方法与试验研究

于建清，秦鑫培

（国家海洋标准计量中心，天津 300112）

波浪是海洋水文观测的基本要素之一。波浪观测资料的准确与否，对海洋工程、海上交通、海洋渔业、海洋研究及海洋军事活动等都有重大影响[1]。波浪浮标是目前对波浪进行长期、定时、定点观测的主要设备之一，它系泊漂浮于海面，跟踪波浪的轨迹运动，测量海浪的波高、波周期，有的还可测量波向。对波浪浮标的测量结果进行校准，保证测量值的准确可靠，是保障波浪观测有效性的重要措施。

目前，国内外应用最多的波浪浮标有两种不同原理，一是基于加速度计的测波浮标，浮标壳体内安装加速度计，加速度计随波面升降测量垂直加速度电压信号，该信号经二次积分电路处理后得到波面起伏的电压信号，将该信号进行模数转换和计算处理后就可以得到波高的各种特征值，同时，两相邻波峰间的时间间隔为波周期；二是近些年来逐步发展和增多的基于卫星定位技术的测波浮标，浮标体内安装全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）接收机，利用接收到的卫星导航信号解算得到波浪信息。经过实践应用和测量结果比对，可以证明卫星测波浮标与重力加速度式测波浮标具有相同的测量准确度[2-4]。

卫星测波浮标既可锚定测波，也可随波逐流测波，具有较高的时间和空间分辨率，增加了海洋观测手段的多样性，弥补了局部观测手段的不足。目前国内如国家海洋技术中心等单位，已经研制了卫星测波浮标并实现定型，并应用于业务化观测和科研[5-6]。为了保证该类仪器的量值统一，需要对其进行校准[7]。但受限于实验室内卫星信号不足，同时海上环境不可复现，因此需发展卫星测波浮标的现场校准技术。

针对卫星测波浮标，本文发展了从实验室到海上的链条式现场校准方法，研制了量值可溯源至国际单位制（长度与时间）的卫星测波浮标现场校准装置，包括波浪校准架与波浪特征值校准单元；同时，以带“校准接口”、能接受现场校准命令和回送校准阶段所有测量原始数据与结果的卫星测波浮标为校准对象，开展了近海的现场校准试验研究。

1 卫星测波浮标现场校准流程设计

1.1 卫星测波浮标测量原理

卫星测波浮标内装有一个卫星信号接收机，浮标在海上随波浪一起上下起伏、左右摇摆，浮标与卫星之间存在相对运动，卫星发射的信号频率与浮标体内的卫星信号接收机接收到的卫星信号频率是不同的，两者之间存在着频率偏移，即多普勒频移。多普勒频移的大小与浮标体的运动状态、运动姿态和运动速度均有关系。

式中，fr为浮标体内卫星信号接收机接收信号频率；fs为卫星信号频率；c 为电磁波在空气中的传播速度；vs为卫星运动速度；vr为卫星信号接收机的运动速度[5-6]。当vs与vr远远小于c 时，多普勒频移fd见式（2）。

浮标体内卫星信号接收机的运动速度见式（3）。

卫星信号接收机的运动位移Δd 见式（4）。

式中，Δt 为采样时间间隔。

卫星测波浮标在海上现场观测时，利用卫星信号的多普勒频移解算出浮标体的三维运动速度[8-9]。然后利用经典的海浪理论，解算出测量时段内的波浪特征值，即波高、波周期和波向[10]。

1.2 卫星测波浮标现场校准的流程设计

对卫星测波浮标的波高与波周期测量值进行校准，首先是校准浮标硬件核心（卫星信号接收机），其次是校准验证浮标根据运动信息解算波浪特征值的能力和性能。根据卫星信号接收机在中国计量科学研究院的量值溯源结果，其测速的准确度非常高，对波浪测量结果的影响可忽略不计。因此，在保证卫星信号接收机性能的基础上，卫星测波浮标测量结果准确程度的关键，在于利用卫星信号接收机接收到的卫星速度等原始信号和对波浪特征值进行解算的算法。

目前国内外产品化的卫星测波浮标包括荷兰Datawell 公司的DWR-G9 型、DWR-G7 型和DWRG4 型，以及国家海洋技术中心的SBF7-1A 型。波高测量范围最大20 m，分辨力为0.01 m；波周期测量范围最大100 s，分辨力为0.1 s。根据GB/T 14914.2—2019《海洋观测规范第2 部分：海滨观测》和GB/T 12763.3—2007《海洋调查规范 第2 部分：海洋水文观测》的要求，波高观测的准确度等级分为两级：一级最大允许误差为观测值的±10%，二级为±15%；波周期的最大允许误差为±0.5 s。结合卫星测波浮标的产品技术指标和国家标准对波浪观测的要求，明确现场校准的要素为波高与波周期；考虑海上现场建立量值溯源传递链条的难度大，以及近海波浪特点，确定现场校准的波高测量范围为0～2.0 m，波周期为2～25 s。

本文研制卫星测波浮标的现场校准装置，以带有“校准接口”具备校准功能的卫星测波浮标为校准对象，建立从实验室到海上的链条式现场校准方法。现场校准装置由波浪校准架和波浪特征值校准单元（以下简称波浪校准单元）组成。当海上现场的浮标进入校准流程后，将校准时段（30 min）内的多普勒频移或速度数据、波浪测量值，通过数传电台全部传输至岸上或通讯距离范围内船舶上的波浪校准单元。该单元具有解算卫星信号至波浪特征值的能力，经陆上波浪校准架校准后，其在海上现场测量结果为波浪标准值。浮标测量结果与波浪校准单元解算结果相减，得到波高与波周期的示值误差。波浪校准单元由陆地实验室的波浪校准架校准，波浪校准架实现垂直升降式正弦模拟波浪起伏，可以模拟实海况下波浪振幅和周期的随机性，其波高和波周期直接溯源至国际单位制的长度和时间。卫星测波浮标的现场校准流程图如图1 所示。

图1 卫星测波浮标现场校准的流程图

2 卫星测波浮标现场校准装置

2.1 波浪校准架

波浪校准架计量检定波浪校准单元的波高和波周期测量性能。波浪校准架采用对称式双侧驱动竖直升降模式，复现给定波形的波浪，既可模拟输出竖直方向上的标准的、规则正弦波，也可模拟输出给定的、不规则正弦波。对于在负载设计范围内的被校对象，整个波浪模拟过程中均不需调整配重，且校准对象可时刻保持竖直向上姿态。波高测量范围为0～2.0 m，波周期测量范围为2～25 s；经中国计量科学研究院等第三方计量机构的检测，波高示值误差不超过±1.1 mm，波周期示值误差不超过±0.07 s。波浪校准架检测结果见表1 和表2。

表1 波浪校准架的波高计量检测结果

表2 波浪校准架的波周期计量检测结果

2.2 波浪特征值校准单元

波浪特征值校准单元是现场校准的关键。首先，它具有测量功能，内置卫星信号接收机，测量原理与卫星测波浮标海上测量一致。在陆上实验室的空旷地带，利用波浪校准架进行校准。波浪校准架输出给定的波高与波周期，该校准单元随波浪校准架起伏运动，利用采集的卫星信号（运动速度）计算输出测量值。根据波浪校准架的标准值，给出校准系数。置入校准系数的校准单元，测量准确度提高。其次，该校准单元具有发送命令和接收测波浮标海上原始数据的功能，并且可将这些数据解算为波浪特征值，作为现场校准的标准值。校准单元如图2 所示。

图2 波浪特征值校准单元

3 现场校准程序

3.1 陆上校准波浪特征值校准单元

（1）波浪校准架在空旷、无遮挡的室外工作。

（2）波高校准点为2.0 m，波周期校准点为3.8 s、5.0 s、6.3 s、8.4 s、11.1 s、12.4 s 和25.0 s。

（3）按照波高校准点将校准单元安装在波浪校准架上，确保其安全稳固，并且校准单元随波浪校准架运动时始终保持竖直状态，无倾翻或失衡的可能。

（4）将波高校准点、波周期校准点、运行时间等参数依次置入波浪校准架的控制系统，启动运行。

（5）波浪校准架稳定运行后，启动校准单元，在采集时段结束后，给出该时段内波浪测量值。

（6）在每个波周期校准点测量一次，计算波高与波周期的测量误差。

（7）按式（5）计算各个波周期校准点下的波高校准系数。

（8）将校准系数植入校准单元，以获得更准确的测量值。

式中，a 为波高校准系数；H1/3i为校准单元在第i 个校准点测得的有效波高；H0i为现场校准架在第i个校准点所模拟的标准有效波高。

3.2 海上现场校准卫星测波浮标

（1）将校准单元带到海上现场。

（2）如果陆地距离被校卫星测波浮标在校准接口的有效通讯距离内，可在陆地进行接下来的海上现场校准。如果超出有效通讯距离，则将校准单元带至小船使用，小船距离被校卫星测波浮标在校准接口的有效通讯距离内。

（3）与卫星测波浮标的校准接口通讯，进行发送数据的测试，并与校准单元进行通讯测试。

（4）卫星测波浮标进入校准模式。完成1 次测量后，把卫星原始数据传输到校准单元，由校准单元解算出波浪参数，视为标准值。

（5）重复完成5 次测量，得到5 组被测值和5组标准值。

（6）采用极差法计算标准实验偏差，作为测量重复性，引入测量不确定度的评定。

（7）分别计算被测值和标准值的算术平均值，计算示值误差。

（8）参照式（5）计算出校准系数。

4 现场校准实例

4.1 陆上校准波浪特征值校准单元

校准单元的陆上校准结果如表3 所示。校准前波高示值误差最大为0.28 m，波周期为0.16 s；置入校准系数0.94 后，波高示值误差最大为0.14 m。综合考虑校准单元作为标准设备及测量重复性引入的标准不确定度分量，现场校准装置的波高测量扩展不确定度为0.09 m，满足（0.05+3%测量值） m的要求。

表3 校准单元的校准结果

4.2 海上现场校准结果

2020 年11 月24 日和25 日，卫星测波浮标的现场校准在威海褚岛附近海域和国家浅海综合试验场“国海试1 号”进行了两次试验验证。试验期间海况在三级以内，海域水深大于10 m。

首先，在威海褚岛近岸开放水域，布放1 套卫星测波浮标；校准单元在褚岛山顶工作，与测波浮标直线实测距离约1.9 km。按照现场校准程序完成了5 次测量。标准值来自校准单元，被测值来自测波浮标。然后，将卫星测波浮标布放在距离“国海试1 号”2 km 处，校准单元在“国海试1 号”甲板上工作，根据校准结果置入校准系数0.93，完成7次测量。现场校准结果见表4。

表4 海上现场校准结果

4.3 结果分析

（1）校准期间有效波高不大于0.6 m，波周期在4.0 s 左右。校准前，测波浮标的波高示值误差最大为0.04 m；校准后，波高示值误差最大为0.01 m，测量准确度提高，其海上计量性能得以确认。卫星测波浮标现场校准装置与测波浮标的联合计量试验，建立了明确的量值溯源和传递链条，验证了从实验室延伸到海上的链条式现场校准模式。经过校准的卫星测波浮标在近岸布放观测时，兼具机动灵活和时空分辨率较高的特点，获取数据的可靠性也大为提高，增加了海洋观测手段的多样性和有效性，具有很好的业务化观测应用前景。

（2）影响现场校准结果的测量不确定度的因素主要有：校准单元陆上校准的测量重复性、海上原始信号传输效率、校准时海浪实际波高的测量重复性等。陆上校准时卫星信号的测量获取会受到周围建筑物的部分遮挡，引起测量重复性较大，因此集中密集连续的测量校准是必要的。为保证海上现场校准的安全有效，校准一般选取海况较好时进行，此时海上浮标返回原始卫星信号强，校准过程顺畅；实海现场校准的波高范围受限于现场海况，波高相应较小。今后在现场校准技术方法的业务应用时，应进行更多海况的数据积累。

（3）目前有明确的量值溯源传递链条和经过实践的校准测量范围，波高最大为2.0 m，满足测量近岸海浪的卫星测波浮标的现场校准需求。对于大浪测量海况时的校准，校准单元与加速度计式波浪浮标（可经实验室内校准，波高测量范围最大到6.0 m）比测后，其计量性能得以确认，进而作为波高标准器提供实际波高测量值。今后还需结合现场校准的业务化应用，开展大波高、恶劣海况下校准的探索研究。

5 结 论

海洋动力环境复杂多变，与实验室内的标准环境迥然不同，其对海洋仪器的计量性能影响不可预估。对海洋水文动力参数观测仪器建立海上现场校准的技术和方法，一直是海洋观测技术和计量技术的重要课题。本文研制的卫星测波浮标现场校准装置和校准方法，可实现从实验室到海上的链条式现场校准，在国内外尚属首次。

校准结果表明，现场校准的波高测量范围为0～2.0 m，扩展不确定度优于（0.05+3%测量值）m，校准流程和方法的可行性得到验证，满足准确度等级为一级（测量误差不超过±10%测量值）及一级以下的卫星测波浮标在近岸观测时的校准需求，可为其进入全国海洋观测网业务服役提供计量技术支撑。