基于RTK技術的波浪浮標系統設計與測波研究

韓秀田，王收軍，陳漢寶

（1.天津理工大學 機械工程學院 天津市先進機電系統與智能控制重點實驗室，天津 300384；2.交通部水運工程科學研究所，天津 300457）

0 引言

目前，波浪浮標因不受水深的限制使其成為海上測波的常用測量儀器，同時是從事現場觀測是最主要也是最直接的方法之一。通過波浪浮標的三維運動，計算獲得波浪的波高、周期等水文信息[1,2]。

北斗衛星系統覆蓋范圍已擴大到亞太地區，可全天候應用于導航、測量等領域提供高精度三維位置、三維速度及時間信息[3]。近年來，RTK技術定位和測速憑借其高精度、實時性、廉價及數據安全保密等特點得到廣泛的應用[4,5]。

傳統海上波浪測量儀搭載著傾角計量儀與加速度計測水粒子的運動，當浮標體隨波浪上下運動時，測量儀搭載的加速度計與傾角儀測得之垂直加速度及東西及南北向傾度可以推求出波浪參數與波譜；但是傳統安裝在浮標內量測水粒子運動所使用的加速度計與傾角計雖然解析精度高，但價格昂貴，不便于大范圍內波浪監測，與科技的普及與快速發展不相適應[6,7]。本文主要通過利用北斗導航系統和RTK差分定位技術，開發適用于近海的水位和波浪觀測新型設備，實現近岸區域水位、波浪的實時監測。通過試驗室物理模型現場實驗對該設備的測量可行性、適用性以及準確性進行驗證。

1 RTK技術波浪浮標系統總體設計

1.1 硬件系統構成

基于RTK技術北斗衛星定位的波浪浮標測波系統主要由基準站和流動站兩部分組成?；鶞收九c流動站主要由硬件電路板、P307定位板卡和電臺通信三部分模塊組成。其硬件系統結構如圖1所示，其中硬件電路板由電源和控制系統組成。

圖1 基于RTK技術的BDS波浪浮標系統

基準站主要包括單片機控制模塊、數據存儲模塊、電臺遠程通信鏈路模塊、數據采集與分析處理模塊。移動站主要包括單片機控制模塊、數據采集和數據通信鏈路與處理模塊。相對獨立的基準站和移動站通過電臺使之數據互通工作，硬件電路按照預定的采樣時間間隔通過電源控制接口打開基準站和移動站電源?；静杉降妮d波信息和觀測數據實時存儲至SD卡并實時傳輸給移動站，移動站將本站采集的載波信號和觀測數據與基站傳輸的載波信號和數據進行差分處理進而實時得到移動站高精度定位坐標并存儲至SD卡；移動站再將實時獲得移動站高精度垂直位移通過電臺模塊以消息的形式發送至岸站接收系統。

1.2 硬件電路設計

為了實現波浪浮標數據存儲、信號穩定傳輸及各相連模塊有效正常工作，該硬件電路由系統復位、數據存儲SD卡、外部時鐘、RS232串行通信、電源控制、RTK定位板卡外圍電路和電臺鏈路等模塊電路組成，設計框如圖2所示。

圖2 硬件電路設計圖

MSP430單片機是整個系統的核心，其控制著整個系統模塊的正常運行，系統電源為單片機控制器、外部RTK定位板卡及電臺通信模塊提供電源；SD卡用來存儲浮標原始三維定位數據；外部時鐘為單片機MSP430控制器提供RTC和系統時鐘；系統復位用于系統工作異常時系統強制產生復位信號；RS232串口電平轉換實現MSP430控制器與設備的外圍設備的正常通信。

硬件外圍電路元件及電路板的核心控制芯片均采用工業標準器件且通過實驗驗證整個系統可在溫度-10℃～45℃范圍內正常工作運行。

1.3 RTK差分技術浮標測量原理

RTK差分定位也稱相對定位，采用多個接收機，其中一個接收機的三維位置已知（基準站），其他的一臺或多臺接收機為待測點（移動站），測量原理如圖3所示；移動站與基準站工作時必須同步接收至少4顆以上同組衛星，同時采集北斗衛星定位（BDS）觀測數據；基準站為其他的待測站提供差分改正數據，移動站利用基準站的差分改正數據和本站觀測到的數據進行解算，可實時得出待測站移動站的三維定位坐標、高程值及實測精度[8]。

圖3 RTK技術浮標測量原理圖

系統利用RTK 差分技術精確測量波浪浮標隨水質瞬時垂直位移的變化，利用垂直位移瞬時的變化值提取出波浪的信息；因波浪浮標應用于海上測波，因此測得的瞬時高程數據包含潮汐與波高數據；所測得的潮汐與波浪的周期相差甚遠，海面高程數據可通過低通濾波和帶通濾波得到波浪的信息；該系統初期在小比尺波浪水槽中進行對系統測波的精度及工作的穩定性進行驗證，可乎略潮汐的影響。

1.4 數據采集流程

本系統要求基準站與移動站分別進行定位數據采集，同時基準站與移動站通過電臺完成數據實時互通；因此保證基準站與移動站數據采集的時間相一致。基準站與移動站合為一體化。雖然基準站與移動站的程序存在差異，但兩者的程序作為一個整體相互影響且同時進行。

通過串口中斷程序實現對數據采集程序的運行，通過分鐘中斷程序內到達規定的時間節點相應嵌套的串口中斷程序?；鶞收九c移動站每次上電之前必須進行統一矯正時鐘，上電后按照程序還要進行初始化。系統工作過程如圖4所示；系統上電之后基站與移動站須各自進行初始化，然后P307定位板卡進行上電搜星，間隔3min后電臺上電，電臺上電之后經過3min基站與移動站進行數據采集；基站監測定位數據后，設置2秒一次通過基站的電臺傳輸給移動站基線向量數據，同時移動站監測到有效數據并命令其電臺接收基站發送的基線向量數據；移動站RTK板卡內進行基線向量解算得到高精度差分數據，移動站將差分數據通過電臺每4秒一次向基站電臺發送數據，基站收到數據進行保存，然后全部下電。

圖4 數據采集流程圖

2 波浪浮標的波高與周期統計方法

假設海浪的水面波動是平穩正態過程并且具有各態歷經性，那么時間和空間統計性質是相一致的[9]。海浪的波面η可由無限多個不同頻率、振幅、相位及入射波向的余弦波疊加而成，如式：

式(1)中；η(x,y,t)為波形函數；函數與時間及位置相關；ωi為成份波源頻率；θj為入射波的波向，κi為對應于ωi的波數；aij與ωij分別對應于波向的振幅及相位。

假如浮標完全跟隨水質點運動，則浮標所觀測得到的垂直波面位移為：

BDS RTK波浪測量可直接獲取水面浮標體瞬時高程值，由式(2)可得出水質點的波面垂直位移。

上跨零點法是波浪統計的一般方法，利用其可計算求得波浪的波高和周期。式(3)為最大波高及周期，式(4)為平均波高和平均周期，式(5)為三分之一大波波高和周期，式(6)為十分之一大波波高和周期。

通過上式可以計算出海浪的高度、周期等各要素。

3 實驗驗證與數據分析

在交通部水運工程科學研究所小比尺波浪水槽中進行浮標測波實驗，實驗采樣數據的頻率為20Hz，驗證RTK技術波浪浮標測波的準確性及系統的穩定性，特選取BG-1型號電阻式波高傳感器做校準，電阻式傳感器的測量分辨率大小主要受電路A/D轉換器的影響，該電阻傳感器理論上測量精度為1毫米。

通過RTK差分技術測得波浪浮標隨時間變化的垂直位移序列，該測得的波面位移信號序列主要包含波浪信號及觀測噪聲信號。實驗數據采用平滑濾波處理，因平滑濾波計算量小，處理數據運算快，能夠最大限度的的保留浮標在波浪的波動物理過程。為了驗證系統的穩定系和測波精確度，波浪浮標對小比尺波浪水槽造出多組規則波與不規則波進行測波，然后將得到的波浪浮標的實驗數據采用上跨零點法處理計算。RTK差分技術波浪浮標不規則波高如圖5所示；RTK差分技術波浪浮標規則波波高圖如圖6所示，電阻式傳感器和波浪浮標關于不規則波高對比結果如圖7所示；電阻式傳感器和波浪浮標方式關于規則波高對比結果如圖8所示。

圖5 RTK波浪浮標不規則波波高圖

圖6 RTK波浪浮標歸規則波波高圖

圖7 電阻傳感器與RTK浮標不規則波測波對比

圖8 電阻傳感器與RTK浮標歸則波測波對比

將浮標得到的波面一系列的垂直位移數據采用上跨零點法估計波浪浮標的波高、周期與電阻式波高傳感器波高、周期結果對比，傳感器和波浪浮標不規則波對比結果如表1所示，電阻式傳感器和波浪浮標規則波對比結果如表2所示。

表1 電阻傳感器和浮標不規則波數據對比

表2 電阻傳感器和浮標規則波數據對比

通過曲線和表格數據結果對比表明，RTK浮標測波的數據與電阻式波高傳感器測得有效波高數據存在一定的偏差，但整體顯示RTK浮標測波的數據與電阻式波高傳感器有效波高數據兩者相關系數約為0.96；RTK浮標測得有效波周期稍微比電阻式傳感器偏大，但兩者相關系數仍約達為0.92，從而驗證RTK浮標測波系統的準確性和穩定性。

4 結束語

本文對波浪浮標的整體系統設計和波浪的波高、周期統計方法進行了研究。首先，介紹了波浪浮標系統的總體設計，其包括浮標硬件系統的總體結構、基站與移動站硬件的電路設計、差分RTK技術浮標測波的原理和數據采集流程。其次介紹了波浪浮標測波的統計方法，包括波高、波周期等要素。最后通過實驗驗證了RTK技術浮標測波系統測波的穩定性及準確性，為下一步海上測波提供了理論和數據支持。