基于北斗通信的海洋氣象漂流觀測(cè)儀

■ 張明 楊志勇 王亞靜 張晉

華云升達(dá)（北京）氣象科技有限責(zé)任公司研發(fā)的海洋氣象漂流觀測(cè)儀是以小型浮標(biāo)球?yàn)楣ぷ髌脚_(tái)，搭載各種海洋氣象水文觀測(cè)以及數(shù)據(jù)通信設(shè)備，通過(guò)懸掛在水下的水帆，借助洋流的推動(dòng)實(shí)現(xiàn)自主漂流觀測(cè)。通過(guò)分析在我國(guó)南海布放工作中臺(tái)風(fēng)過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)，表明該觀測(cè)儀性能穩(wěn)定、續(xù)航能力強(qiáng)、通信系統(tǒng)性能優(yōu)良，對(duì)于我國(guó)深遠(yuǎn)海洋氣象觀測(cè)意義重大。

海洋氣象漂流觀測(cè)儀是一種以小型浮標(biāo)為載體，隨表層海流漂移，可用于海洋水文要素觀測(cè)和海表面氣象要素觀測(cè)，利用衛(wèi)星系統(tǒng)定位和數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮Ｑ髿庀笥^測(cè)儀器，具有活動(dòng)范圍大、成本低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。深遠(yuǎn)海的氣象水文觀測(cè)主要是基于漂流浮標(biāo)、船舶氣象觀測(cè)站以及衛(wèi)星、雷達(dá)等觀測(cè)方式，尤其是海氣界面的觀測(cè)更是以漂流浮標(biāo)為主。近年來(lái)，美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、日本、加拿大等國(guó)，每年在海洋和氣象業(yè)務(wù)使用的漂流浮標(biāo)達(dá)上千個(gè)，主要用于海洋氣象、水文要素以及颶風(fēng)觀測(cè)等，而我國(guó)在此方面幾乎空白，沒(méi)有國(guó)產(chǎn)的海洋氣象漂流觀測(cè)儀是主要原因之一。

華云升達(dá)（北京）氣象科技有限責(zé)任公司研發(fā)的海洋氣象漂流觀測(cè)儀填補(bǔ)了該項(xiàng)空白。該海洋氣象漂流觀測(cè)儀基于我國(guó)北斗導(dǎo)航通信衛(wèi)星，能夠完成海洋氣象要素（氣溫、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向）和海洋水文要素（海水溫度、海水鹽度）的觀測(cè)，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)遠(yuǎn)、近海全方位的海洋氣象觀測(cè)具有重要意義，并可為進(jìn)一步提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率和積累海洋氣象數(shù)據(jù)提供技術(shù)保障。

1 海洋氣象漂流觀測(cè)儀的系統(tǒng)組成

華云升達(dá)（北京）氣象科技有限責(zé)任公司研發(fā)的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海洋氣象漂流觀測(cè)儀是以小型浮標(biāo)球?yàn)楣ぷ髌脚_(tái)，搭載各種海洋氣象水文觀測(cè)以及數(shù)據(jù)通信設(shè)備，通過(guò)懸掛在水下的水帆，借助洋流的推動(dòng)實(shí)現(xiàn)自主漂流觀測(cè)。觀測(cè)儀上搭載的各種傳感器的觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)北斗衛(wèi)星或其他通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的通信。

該海洋氣象漂流觀測(cè)儀主要包括數(shù)據(jù)采集測(cè)量系統(tǒng)和浮標(biāo)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)兩部分，系統(tǒng)主要構(gòu)成部分如圖1所示。

圖1 海洋氣象漂流觀測(cè)儀的組成

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個(gè)海洋氣象漂流觀測(cè)儀數(shù)據(jù)處理的核心組成部分。數(shù)據(jù)測(cè)量采集系統(tǒng)以低功耗、多功能的微處理器為核心構(gòu)成主控制器；通過(guò)配置氣象（風(fēng)向、風(fēng)速、空氣溫度和大氣壓力）和海洋水文（表層海水溫度和鹽度）傳感器構(gòu)建數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)；觀測(cè)儀的姿態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)使用九軸姿態(tài)和GPS傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控觀測(cè)儀的定位和姿態(tài)信息，同時(shí)為觀測(cè)數(shù)據(jù)的訂正提供校準(zhǔn)參數(shù)；觀測(cè)儀以北斗衛(wèi)星通信為主數(shù)據(jù)通信手段，同時(shí)預(yù)留Argos衛(wèi)星通信方式；供電系統(tǒng)為整個(gè)海洋氣象漂流觀測(cè)儀提供電源，以?xún)x器本身自帶鋰電池為主要供電方式，為了提高觀測(cè)儀的運(yùn)行壽命，配置了太陽(yáng)能光伏單元作為有益補(bǔ)充；為了最大限度地降低功耗，為所有主要部件和器件配置了獨(dú)立的電源控制。狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)主要檢測(cè)包括采集器的主板溫度、電源系統(tǒng)的電壓、觀測(cè)儀浸沒(méi)狀態(tài)等。

數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，決定了儀器設(shè)備是否能夠達(dá)到“皮實(shí)耐用”的要求。其主要功能包括：

1）對(duì)觀測(cè)要素的數(shù)據(jù)采樣，包括空氣溫度、海面氣壓、表層海水溫度、表層海水鹽度、風(fēng)速、風(fēng)向。

2）對(duì)觀測(cè)要素的數(shù)據(jù)測(cè)量處理。

3）對(duì)采集系統(tǒng)電氣狀態(tài)檢測(cè)，包括采集器的主板溫度、電源系統(tǒng)的電壓等。

4）對(duì)觀測(cè)儀姿態(tài)的監(jiān)測(cè)，包括觀測(cè)儀浸沒(méi)狀態(tài)、觀測(cè)儀的九軸姿態(tài)和觀測(cè)儀的經(jīng)緯度地理信息等。

5）提供系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，并通過(guò)GPS校時(shí)。

6）對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)處理，并提供查詢(xún)處理功能。

7）自動(dòng)存儲(chǔ)程序運(yùn)行狀態(tài)日志記錄，并提供查詢(xún)處理功能。

8）自動(dòng)發(fā)送觀測(cè)數(shù)據(jù)處理。

9）提供命令交互處理功能。

10）為了節(jié)省系統(tǒng)功耗，對(duì)所有部件進(jìn)行電源管理。

11）為了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，配有外部硬件看門(mén)狗管理單元；

12）系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)序管理。

2 北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

海洋氣象漂流觀測(cè)儀主要用來(lái)探測(cè)深遠(yuǎn)海的數(shù)據(jù)，一般通信方式難以實(shí)現(xiàn)，或者成本較高。以往浮標(biāo)站大都采用國(guó)外的Argos衛(wèi)星通信技術(shù)，不僅通信受時(shí)限，而且數(shù)據(jù)的安全性不能得到保證。該海洋氣象漂流觀測(cè)儀基于我國(guó)自主研發(fā)的北斗通信系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣不受地域影響、不受時(shí)限等特點(diǎn)，其通信組網(wǎng)架構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 海洋氣象漂流觀測(cè)儀的通信架構(gòu)圖

北斗數(shù)據(jù)通信終端將主控系統(tǒng)處理后的各種數(shù)據(jù)信息以短消息的格式發(fā)送給北斗衛(wèi)星；北斗衛(wèi)星完成數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，將北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)終端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，分別發(fā)送至北斗網(wǎng)管中心與基岸服務(wù)中心配置的北斗指揮機(jī)；北斗網(wǎng)管中心接收北斗衛(wèi)星傳來(lái)的數(shù)據(jù)并入庫(kù)保存；北斗指揮機(jī)可以實(shí)現(xiàn)配置本地衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)指揮管理控制，可以直接接收各個(gè)浮標(biāo)發(fā)送回來(lái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以對(duì)指定的遠(yuǎn)程浮標(biāo)實(shí)施遠(yuǎn)程管理控制操作。海洋氣象漂流觀測(cè)儀岸基服務(wù)器，作為本地的數(shù)據(jù)接收管理控制中心，接收由指揮機(jī)送來(lái)的各站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，并存入在本地建立的數(shù)據(jù)庫(kù)，供控制中心平臺(tái)訪問(wèn)使用；觀測(cè)儀控制中心平臺(tái)，是實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)的直觀顯示頁(yè)面，依托岸基服務(wù)器建立數(shù)據(jù)連接關(guān)系，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)路進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)直觀顯示主要由PC機(jī)上的上位機(jī)軟件CAWSAnyWhere（圖3）完成，以實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端的控制中心功能，主要功能：為海洋觀測(cè)人員提供各站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、查詢(xún)，觀測(cè)歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、數(shù)據(jù)分析，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程浮標(biāo)的運(yùn)行狀態(tài)，并完成簡(jiǎn)單的控制處理。

圖3 CAWSAnyWhere觀測(cè)儀監(jiān)控界面

3 海洋氣象漂流觀測(cè)儀的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

華云升達(dá)（北京）氣象科技有限責(zé)任公司研發(fā)的海洋氣象漂流觀測(cè)儀的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，包括浮標(biāo)系統(tǒng)、水帆系統(tǒng)、纜繩三個(gè)主要部分（圖4）。

圖4 海洋氣象漂流觀測(cè)儀結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成示意

海洋氣象漂流觀測(cè)儀作為海上氣象觀測(cè)儀器，是以漂流浮標(biāo)殼體為工作平臺(tái)。在漂流浮標(biāo)結(jié)構(gòu)體上搭載各種相關(guān)的海洋氣象觀測(cè)傳感器、水文觀測(cè)傳感器、數(shù)據(jù)采集器以及通信設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)海洋氣象、水文觀測(cè)以及數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。海洋氣象漂流觀測(cè)儀在殼體及上部安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，既要保證浮標(biāo)具有很好的隨流性，滿(mǎn)足拉格朗日法測(cè)流，又要獲取海表面氣壓、氣溫、風(fēng)、溫鹽的數(shù)據(jù)。

水帆在海中穩(wěn)定浮標(biāo)，并在水下受海流的推動(dòng)作用漂移，提供漂流觀測(cè)儀隨洋流運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，通過(guò)鋼纜和浮標(biāo)殼體鉸接。

4 試驗(yàn)分析

4.1 南海布放試驗(yàn)臺(tái)風(fēng)過(guò)程數(shù)據(jù)分析

海洋氣象漂流觀測(cè)儀隨搭載萬(wàn)米級(jí)載人深潛器科考母船“張謇”號(hào)于2016年7月18日在南海布放，漂流觀測(cè)儀數(shù)據(jù)直接傳回北京中心站，氣象要素和海洋要素?cái)?shù)據(jù)正常。

本次海試（圖5）為漂流觀測(cè)儀第一次在南海開(kāi)展試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)歷了2016年第4號(hào)臺(tái)風(fēng)“妮妲”的考驗(yàn)，并成功描述了臺(tái)風(fēng)天氣過(guò)程的數(shù)據(jù)特征（圖6）。

圖5 海洋氣象漂流觀測(cè)儀南海運(yùn)行軌跡圖

圖6 海洋氣象漂流觀測(cè)儀南海試驗(yàn)海溫和氣溫?cái)?shù)據(jù)以及國(guó)家海洋局相關(guān)海溫產(chǎn)品

數(shù)據(jù)顯示，氣溫?cái)?shù)據(jù)表現(xiàn)出較明顯的日變化，圖6中紅色虛線處為臺(tái)風(fēng)“妮妲”經(jīng)過(guò)時(shí)海溫和氣溫?cái)?shù)據(jù)出現(xiàn)了明顯的降低。隨著“妮妲”向西移動(dòng)，氣溫和海溫緩慢回升，其中海溫的數(shù)據(jù)變化幅度低于氣溫的變化幅度，表現(xiàn)出了較明顯的臺(tái)風(fēng)變化特征，與其他觀測(cè)手段觀測(cè)的溫度數(shù)據(jù)比對(duì)表明，漂流觀測(cè)儀觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果合理。

4.2 博賀可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了對(duì)海洋氣象漂流觀測(cè)儀的海洋環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，華云升達(dá)（北京）氣象科技有限責(zé)任公司布放了3臺(tái)海洋氣象漂流觀測(cè)儀（3臺(tái)設(shè)備編碼分別為S1031、S1034和S1040），于2017年5月在廣東博賀，進(jìn)行了定點(diǎn)錨系試驗(yàn)，錨系地點(diǎn)選取在博賀海洋氣象觀測(cè)平臺(tái)（圖7）附近。

選取觀測(cè)儀連續(xù)觀測(cè)段數(shù)據(jù)與博賀海洋氣象觀測(cè)平臺(tái)進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)比分析結(jié)果如下：

1）氣溫

從氣溫時(shí)間序列（圖8）可以看到，3套設(shè)備與海上平臺(tái)氣溫對(duì)比總體趨勢(shì)接近，8月7日和8日海上平臺(tái)氣溫明顯升高到接近40 ℃左右，分析原因可能是平臺(tái)數(shù)據(jù)出現(xiàn)問(wèn)題，所以剔除這兩日對(duì)比數(shù)據(jù)。

圖7 博賀海洋氣象觀測(cè)平臺(tái)

圖8 氣溫時(shí)間序列

依據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析3套設(shè)備與海上平臺(tái)氣溫的差值，基本上都在±2 ℃以?xún)?nèi)，大部分在±1 ℃左右；設(shè)備與平臺(tái)、設(shè)備與設(shè)備之間的差值統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：中位值在0～0.5 ℃，差值平均值在0.1～0.5 ℃。3臺(tái)漂流觀測(cè)儀設(shè)備與平臺(tái)的日變化有較好的一致性，夜間溫度低，白天由于太陽(yáng)輻射開(kāi)始同步升溫，升溫幅度基本一致，兩兩比較的差值基本保持在0.5 ℃左右。

2）氣壓

對(duì)比海洋氣象漂流觀測(cè)儀與海上觀測(cè)平臺(tái)的氣壓數(shù)據(jù)（圖9），可以看出試驗(yàn)設(shè)備出現(xiàn)了一些波動(dòng)，其余部分相互間都有較好的一致性；分別分析試驗(yàn)設(shè)備與平臺(tái)數(shù)據(jù)的偏差，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)設(shè)備與平臺(tái)氣壓都是負(fù)偏差，而且偏差絕對(duì)值基本在2～3 hPa，極少超過(guò)5 hPa。設(shè)備與平臺(tái)、設(shè)備與設(shè)備之間的差值統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：中位值在-3～0.4 hPa，差值平均值在3 hPa以?xún)?nèi)。測(cè)試過(guò)程中，氣壓傳感器隨時(shí)間推移，測(cè)量精度也表現(xiàn)出很好的一致性。

3）風(fēng)向和風(fēng)速

由于3套設(shè)備中只有S1034海洋氣象漂流觀測(cè)儀搭載了風(fēng)向風(fēng)速傳感器，選取S1034數(shù)據(jù)與平臺(tái)最底層風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析（圖10）。

圖9 氣壓時(shí)間序列

圖10 風(fēng)向和風(fēng)速時(shí)間序列

分析表明，S1034號(hào)海洋氣象漂流觀測(cè)儀風(fēng)速與平臺(tái)風(fēng)速數(shù)據(jù)有非常好的一致性，偏差集中在2 m/s左右。S1034號(hào)海洋氣象漂流觀測(cè)儀風(fēng)向與平臺(tái)風(fēng)向數(shù)據(jù)有較好的一致性，但是由于二者所處觀測(cè)環(huán)境有較大差別，比如平臺(tái)上相對(duì)固定，受浪涌等外界條件影響較小；而海洋氣象漂流觀測(cè)儀就不同，由于海洋氣象漂流觀測(cè)儀自身體積、重量較小，受到海浪等的作用力就相對(duì)就較大，從而導(dǎo)致海洋氣象漂流觀測(cè)儀風(fēng)向的誤差較大。分析二者的偏差、相關(guān)性，浪涌等客觀原因可能是造成偏差和相關(guān)系數(shù)偏大的主要原因。

4）海溫

3套海洋氣象漂流觀測(cè)儀采用的是接觸式海溫傳感器，海洋平臺(tái)采用的是紅外式海溫傳感器，分別對(duì)表層海水溫度進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)比分析如下。

對(duì)海溫?cái)?shù)據(jù)做簡(jiǎn)單質(zhì)控（刪除≥40 ℃和≤10 ℃的數(shù)據(jù)）后，對(duì)比分析S1031、S1034、S1040與平臺(tái)的海溫?cái)?shù)據(jù)（圖11），發(fā)現(xiàn)4條曲線都具有良好的日變化規(guī)律，且變化趨勢(shì)基本一致。分別對(duì)試驗(yàn)設(shè)備與平臺(tái)數(shù)據(jù)做差值分析，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)設(shè)備和平臺(tái)數(shù)據(jù)基本上都是正偏差，而且偏差基本上都在2 ℃左右。試驗(yàn)設(shè)備與平臺(tái)、設(shè)備與設(shè)備之間的差值統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：中位值在0～0.3 ℃，差值平均值在0～0.6 ℃。存在差值的原因很可能是傳感器測(cè)量原理的不同造成的。

圖11 海溫時(shí)間序列

5）海鹽

由于海上平臺(tái)沒(méi)有海水鹽度傳感器，本項(xiàng)未做對(duì)比分析。

經(jīng)過(guò)在博賀的可靠性試驗(yàn)分析，剔除客觀環(huán)境造成的跑錨和人為等因素影響，證明華云升達(dá)（北京）氣象科技有限責(zé)任公司研發(fā)的海洋氣象漂流觀測(cè)儀的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)可靠性是有保證的，能滿(mǎn)足海洋氣象觀測(cè)的需求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

5 結(jié)語(yǔ)

華云升達(dá)（北京）氣象科技有限責(zé)任公司研發(fā)的海洋氣象漂流觀測(cè)儀對(duì)于開(kāi)展海洋氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)，特別針對(duì)遠(yuǎn)海區(qū)域獲取第一手直接的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)是非常實(shí)用和重要的觀測(cè)設(shè)備之一，可以滿(mǎn)足海洋觀測(cè)業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求，能夠?yàn)楹Ｑ髿庀笥^測(cè)應(yīng)用提供布放操作方便、使用和維護(hù)成本相對(duì)低廉的適用設(shè)備，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)海洋氣象觀測(cè)和海洋氣象災(zāi)害預(yù)警技術(shù)的進(jìn)步和設(shè)備研發(fā)的進(jìn)程有重要的意義。

深入閱讀

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國(guó)家海洋局, 2007. GB/T 12763.3-2007. 海洋調(diào)查規(guī)范第3部分 海洋氣象觀測(cè). 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.

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