GPS技術下測高浮標的設計、研制及測試

白建華

【摘?要】文中詳細介紹了GPS浮標的研制工作，分別對可用于高度計海面高度定標使用的GPS浮標的性能要求、設計、數值模擬計算做了詳細研究，采用數值模擬的方法對研制后浮標的性能進行了評價，數值模擬結果表明研制的浮標可以滿足海上試驗的要求。最后結合GPS浮標測高驗證試驗，對研制的GPS浮標的測高精度進行了驗證。

【關鍵詞】GPS浮標;衛星高度計;高度計定標;數值模擬

引言

星載高度計是一種星載微波雷達，為人類提供了高精度、周期性測量全球范圍海面高度的手段，廣泛應用于全球海平面變化、大中尺度的海洋變化、大洋環流、大地水準面、全球重力場等方面的研究。利用海面真值測量進行的絕對定標是監視衛星高度計整體工作性能、提高遙感信息置信度的重要手段。為了滿足高度計海面高度現場定標的需求，并確定定標的精度，通過測高獲取水位數據，需要對全球定位系統（GPS）浮標海面高度測量精度及影響因素進行研究。（本項目由國家海洋局南海分局海洋科學技術局長基金資助）

一、GPS浮標設計

（一）GPS浮標需求分析

GPS浮標的設計應以服務海上海面高度測量為目的，浮標需要滿足以下要求：（1）浮標靜水條件下測高精度小于2cm;（2）浮標外形應滿足：動態穩定、設備空間要求以及易于部署和回收;GPS天線相位中心相對海平面高度差易于測量;（3）GPS浮標天線配有扼流圈天線（抑制多路徑效應）;（4）浮標內可安裝電池和接收機，電池具備持續供電5d以上能力，標體外部安裝太陽能板用以給蓄電池充電;（5）浮標倉體密封良好，保證GPS正常工作;（6）浮標上需加入安全警示燈，保證晚上儀器布放安全;（7）配重固定在浮標底部中央位置，可調節重量，方便不同海況下使用;（8）浮標在側面和底部同時有系纜點，方便不同的浮標布放形式;（9）浮標材料應堅固耐撞擊，能夠適應海上惡劣工作環境。

（二）GPS浮標對高度計定標的原理

衛星高度計的定標原理可以做如下解釋：使用GPS浮標在衛星星下點處、衛星過境時刻測量海面絕對高度值，與衛星高度計測量的海面高度進行對比，二者對比的結果即為高度計的偏差或偏移：BiasAlt=SSHAlt-SSHGPSbouy其中：SSHAlt是由衛星高度計測量得到的瞬時海面高度，SSHGPSbouy是由GPS浮標測量得到的海面高度。最終得到的BiasAlt正值表示高度計測量的海面高度比實際海面高度要高，負值相反。使用GPS浮標法的優點在于測量精度高，僅考慮垂直基準的精度和動態數據處理的精度，大地水準面和潮位差的影響較小，可忽略不計。

二、GPS浮標研制

（一）GPS浮標密封性

為保證浮標的密封性，采用密封槽和密封圈的方法，用艙蓋將艙體進行密封，為滿足浮標艙體的抗撞擊性能要求，采用了加厚的鋼板制作儀器艙。

（二）浮標供電

浮標供電采用內置蓄電池外加太陽能板充電的方法，既解決了供電問題，又增加配重，提高了浮標的穩定性。根據GPS接收機的供電要求選用2塊12V，24Ah，重7.9kg的蓄電池。制作完成后的GPS浮標見圖1，浮桶半徑750mm，總重量為92kg。

三、GPS浮標測高精度影響因素

（一）溫鹽對GPS浮標精度的影響

通過阿基米德定律對浮標在不同溫度、鹽度下的天線高進行分析，得到了不同溫度、鹽度與天線高誤差的關系，從而可以在高度計定標試驗中消除此項誤差。GPS浮標天線高增加的情況，可根據不同海區、季節的情況選擇合適的改正。

（二）天線相位中心對GPS浮標精度的影響

高度計定標過程中GPS浮標與基準站之間的基線長度一般在40km以內，而GPS衛星軌道平均高度約為20200km[12]，通過計算三角函數關系，GPS衛星高度角和方位角差異小于0.11°。因此在解算GPS基站與GPS浮標基線時可以不考慮對天線相位中心的變化進行改正，而僅考慮天線相位中心偏差的影響。

四、GPS浮標測高精度驗證

GPS浮標設計和研制完成后，采用驗潮儀對GPS浮標的測高精度進行驗證。驗潮儀采用加拿大RBRTGR-1050HT驗潮儀，10m精度為1cm，滿量程的0.1%，采樣周期設為1min。試驗共進行4次，得到4d浮標和驗潮儀的同步測量結果。浮標布放在驗潮儀20m附近，基站距離浮標約50m。采用水準測量的方法將基站基準點處的高度推算到驗潮儀傳感器位置處。通過這種方法，將驗潮儀測量的水面高度與浮標測量的水面高度統一到相同的坐標框架下。

利用GAMIT中帶有的TRACK軟件，建立track.cmd控制文件，以靜態站作為基準站，GPS浮標時間間隔為1s，使用精密星歷文件對GPS浮標數據進行處理。數據處理過程中，計算浮標GPS天線相位中心到水平面的距離121.25mm。由于驗潮儀的數據采集周期為1min，而GPS浮標的數據采集周期為1s，因此我們將每60個GPS浮標數據進行平均，使其與GPS浮標的數據相匹配，并采用濾波的方法將GPS浮標數據進行濾波處理。試驗共進行4次，得到4d浮標和驗潮儀的同步測量結果。為了更好地表現出GPS浮標測量結果與驗潮儀結果的趨勢和一致性，將出4次試驗GPS浮標和驗潮儀有較好的一致性和變化趨勢，GPS浮標與驗潮儀現場測量比對在0km基站解算下兩者的偏差是7.40cm，均方根誤差為0.55cm，精度較高。4次試驗的偏差的變化為標準偏差1.58cm，偏差較大可能是由于驗潮儀大氣壓和GPS浮標天線高等誤差引起的，具體原因需要進一步研究。

結語

我國在2002年12月發射的神舟四號（SZ-4）飛船，搭載有高度計，獲得了初步成功，反演了各項海洋參數，取得了良好的效果。2011年8月第一個海洋動力環境衛星HY-2發射成功，高度計是其中重要的載荷之一，但是高度計海面高度絕對定標工作一直沒有開展起來，急切需要開展自主的高度計海面高度定標工作。在高度計GPS浮標定標法方面開展高精度GPS浮標設計、研制工作，并通過4次試驗對浮標測高精度進行測試，為進一步的高度計海面高度GPS定標及水位測量提供現場測量儀器。

參考文獻：

[1]陳春濤，翟萬林，張倩，閆龍浩，張曉旭，朱建華.基于GPS的測高浮標的設計、研制與測試[J].海洋技術學報，2014，33（01）：102-108.

[2]陳春濤，閆龍浩，張曉旭，張倩，翟萬林，朱建華.基于GPS的高度計海面高度定標浮標設計[J].中國工程科學，2014，16（06）：109-112.

[3]周東旭，周興華，梁冠輝，王朝陽，楊磊.GPS浮標天線高的動態標定方法[J].測繪科學，2015，40（12）：121-124.

（作者單位：國家海洋局汕尾海洋環境監測中心站）