GPS技术下测高浮标的设计、研制及测试

白建华

【摘 要】文中详细介绍了GPS浮标的研制工作，分别对可用于高度计海面高度定标使用的GPS浮标的性能要求、设计、数值模拟计算做了详细研究，采用数值模拟的方法对研制后浮标的性能进行了评价，数值模拟结果表明研制的浮标可以满足海上试验的要求。最后结合GPS浮标测高验证试验，对研制的GPS浮标的测高精度进行了验证。

【关键词】GPS浮标;卫星高度计;高度计定标;数值模拟

引言

星载高度计是一种星载微波雷达，为人类提供了高精度、周期性测量全球范围海面高度的手段，广泛应用于全球海平面变化、大中尺度的海洋变化、大洋环流、大地水准面、全球重力场等方面的研究。利用海面真值测量进行的绝对定标是监视卫星高度计整体工作性能、提高遥感信息置信度的重要手段。为了满足高度計海面高度现场定标的需求，并确定定标的精度，通过测高获取水位数据，需要对全球定位系统（GPS）浮标海面高度测量精度及影响因素进行研究。（本项目由国家海洋局南海分局海洋科学技术局长基金资助）

一、GPS浮标设计

（一）GPS浮标需求分析

GPS浮标的设计应以服务海上海面高度测量为目的，浮标需要满足以下要求：（1）浮标静水条件下测高精度小于2cm;（2）浮标外形应满足：动态稳定、设备空间要求以及易于部署和回收;GPS天线相位中心相对海平面高度差易于测量;（3）GPS浮标天线配有扼流圈天线（抑制多路径效应）;（4）浮标内可安装电池和接收机，电池具备持续供电5d以上能力，标体外部安装太阳能板用以给蓄电池充电;（5）浮标仓体密封良好，保证GPS正常工作;（6）浮标上需加入安全警示灯，保证晚上仪器布放安全;（7）配重固定在浮标底部中央位置，可调节重量，方便不同海况下使用;（8）浮标在侧面和底部同时有系缆点，方便不同的浮标布放形式;（9）浮标材料应坚固耐撞击，能够适应海上恶劣工作环境。

（二）GPS浮标对高度计定标的原理

卫星高度计的定标原理可以做如下解释：使用GPS浮标在卫星星下点处、卫星过境时刻测量海面绝对高度值，与卫星高度计测量的海面高度进行对比，二者对比的结果即为高度计的偏差或偏移：BiasAlt=SSHAlt-SSHGPSbouy其中：SSHAlt是由卫星高度计测量得到的瞬时海面高度，SSHGPSbouy是由GPS浮标测量得到的海面高度。最终得到的BiasAlt正值表示高度计测量的海面高度比实际海面高度要高，负值相反。使用GPS浮标法的优点在于测量精度高，仅考虑垂直基准的精度和动态数据处理的精度，大地水准面和潮位差的影响较小，可忽略不计。

二、GPS浮标研制

（一）GPS浮标密封性

为保证浮标的密封性，采用密封槽和密封圈的方法，用舱盖将舱体进行密封，为满足浮标舱体的抗撞击性能要求，采用了加厚的钢板制作仪器舱。

（二）浮标供电

浮标供电采用内置蓄电池外加太阳能板充电的方法，既解决了供电问题，又增加配重，提高了浮标的稳定性。根据GPS接收机的供电要求选用2块12V，24Ah，重7.9kg的蓄电池。制作完成后的GPS浮标见图1，浮桶半径750mm，总重量为92kg。

三、GPS浮标测高精度影响因素

（一）温盐对GPS浮标精度的影响

通过阿基米德定律对浮标在不同温度、盐度下的天线高进行分析，得到了不同温度、盐度与天线高误差的关系，从而可以在高度计定标试验中消除此项误差。GPS浮标天线高增加的情况，可根据不同海区、季节的情况选择合适的改正。

（二）天线相位中心对GPS浮标精度的影响

高度计定标过程中GPS浮标与基准站之间的基线长度一般在40km以内，而GPS卫星轨道平均高度约为20200km[12]，通过计算三角函数关系，GPS卫星高度角和方位角差异小于0.11°。因此在解算GPS基站与GPS浮标基线时可以不考虑对天线相位中心的变化进行改正，而仅考虑天线相位中心偏差的影响。

四、GPS浮标测高精度验证

GPS浮标设计和研制完成后，采用验潮仪对GPS浮标的测高精度进行验证。验潮仪采用加拿大RBRTGR-1050HT验潮仪，10m精度为1cm，满量程的0.1%，采样周期设为1min。试验共进行4次，得到4d浮标和验潮仪的同步测量结果。浮标布放在验潮仪20m附近，基站距离浮标约50m。采用水准测量的方法将基站基准点处的高度推算到验潮仪传感器位置处。通过这种方法，将验潮仪测量的水面高度与浮标测量的水面高度统一到相同的坐标框架下。

利用GAMIT中带有的TRACK软件，建立track.cmd控制文件，以静态站作为基准站，GPS浮标时间间隔为1s，使用精密星历文件对GPS浮标数据进行处理。数据处理过程中，计算浮标GPS天线相位中心到水平面的距离121.25mm。由于验潮仪的数据采集周期为1min，而GPS浮标的数据采集周期为1s，因此我们将每60个GPS浮标数据进行平均，使其与GPS浮标的数据相匹配，并采用滤波的方法将GPS浮标数据进行滤波处理。试验共进行4次，得到4d浮标和验潮仪的同步测量结果。为了更好地表现出GPS浮标测量结果与验潮仪结果的趋势和一致性，将出4次试验GPS浮标和验潮仪有较好的一致性和变化趋势，GPS浮标与验潮仪现场测量比对在0km基站解算下两者的偏差是7.40cm，均方根误差为0.55cm，精度较高。4次试验的偏差的变化为标准偏差1.58cm，偏差较大可能是由于验潮仪大气压和GPS浮标天线高等误差引起的，具体原因需要进一步研究。

结语

我国在2002年12月发射的神舟四号（SZ-4）飞船，搭载有高度计，获得了初步成功，反演了各项海洋参数，取得了良好的效果。2011年8月第一个海洋动力环境卫星HY-2发射成功，高度计是其中重要的载荷之一，但是高度计海面高度绝对定标工作一直没有开展起来，急切需要开展自主的高度计海面高度定标工作。在高度计GPS浮标定标法方面开展高精度GPS浮标设计、研制工作，并通过4次试验对浮标测高精度进行测试，为进一步的高度计海面高度GPS定标及水位测量提供现场测量仪器。

参考文献：

[1]陈春涛，翟万林，张倩，闫龙浩，张晓旭，朱建华.基于GPS的测高浮标的设计、研制与测试[J].海洋技术学报，2014，33（01）：102-108.

[2]陈春涛，闫龙浩，张晓旭，张倩，翟万林，朱建华.基于GPS的高度计海面高度定标浮标设计[J].中国工程科学，2014，16（06）：109-112.

[3]周东旭，周兴华，梁冠辉，王朝阳，杨磊.GPS浮标天线高的动态标定方法[J].测绘科学，2015，40（12）：121-124.

（作者单位：国家海洋局汕尾海洋环境监测中心站）