衛星測波浮標的海上現場校準方法與試驗研究

于建清，秦鑫培

（國家海洋標準計量中心，天津 300112）

波浪是海洋水文觀測的基本要素之一。波浪觀測資料的準確與否，對海洋工程、海上交通、海洋漁業、海洋研究及海洋軍事活動等都有重大影響[1]。波浪浮標是目前對波浪進行長期、定時、定點觀測的主要設備之一，它系泊漂浮于海面，跟蹤波浪的軌跡運動，測量海浪的波高、波周期，有的還可測量波向。對波浪浮標的測量結果進行校準，保證測量值的準確可靠，是保障波浪觀測有效性的重要措施。

目前，國內外應用最多的波浪浮標有兩種不同原理，一是基于加速度計的測波浮標，浮標殼體內安裝加速度計，加速度計隨波面升降測量垂直加速度電壓信號，該信號經二次積分電路處理后得到波面起伏的電壓信號，將該信號進行模數轉換和計算處理后就可以得到波高的各種特征值，同時，兩相鄰波峰間的時間間隔為波周期；二是近些年來逐步發展和增多的基于衛星定位技術的測波浮標，浮標體內安裝全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）接收機，利用接收到的衛星導航信號解算得到波浪信息。經過實踐應用和測量結果比對，可以證明衛星測波浮標與重力加速度式測波浮標具有相同的測量準確度[2-4]。

衛星測波浮標既可錨定測波，也可隨波逐流測波，具有較高的時間和空間分辨率，增加了海洋觀測手段的多樣性，彌補了局部觀測手段的不足。目前國內如國家海洋技術中心等單位，已經研制了衛星測波浮標并實現定型，并應用于業務化觀測和科研[5-6]。為了保證該類儀器的量值統一，需要對其進行校準[7]。但受限于實驗室內衛星信號不足，同時海上環境不可復現，因此需發展衛星測波浮標的現場校準技術。

針對衛星測波浮標，本文發展了從實驗室到海上的鏈條式現場校準方法，研制了量值可溯源至國際單位制（長度與時間）的衛星測波浮標現場校準裝置，包括波浪校準架與波浪特征值校準單元；同時，以帶“校準接口”、能接受現場校準命令和回送校準階段所有測量原始數據與結果的衛星測波浮標為校準對象，開展了近海的現場校準試驗研究。

1 衛星測波浮標現場校準流程設計

1.1 衛星測波浮標測量原理

衛星測波浮標內裝有一個衛星信號接收機，浮標在海上隨波浪一起上下起伏、左右搖擺，浮標與衛星之間存在相對運動，衛星發射的信號頻率與浮標體內的衛星信號接收機接收到的衛星信號頻率是不同的，兩者之間存在著頻率偏移，即多普勒頻移。多普勒頻移的大小與浮標體的運動狀態、運動姿態和運動速度均有關系。

式中，fr為浮標體內衛星信號接收機接收信號頻率；fs為衛星信號頻率；c 為電磁波在空氣中的傳播速度；vs為衛星運動速度；vr為衛星信號接收機的運動速度[5-6]。當vs與vr遠遠小于c 時，多普勒頻移fd見式（2）。

浮標體內衛星信號接收機的運動速度見式（3）。

衛星信號接收機的運動位移Δd 見式（4）。

式中，Δt 為采樣時間間隔。

衛星測波浮標在海上現場觀測時，利用衛星信號的多普勒頻移解算出浮標體的三維運動速度[8-9]。然后利用經典的海浪理論，解算出測量時段內的波浪特征值，即波高、波周期和波向[10]。

1.2 衛星測波浮標現場校準的流程設計

對衛星測波浮標的波高與波周期測量值進行校準，首先是校準浮標硬件核心（衛星信號接收機），其次是校準驗證浮標根據運動信息解算波浪特征值的能力和性能。根據衛星信號接收機在中國計量科學研究院的量值溯源結果，其測速的準確度非常高，對波浪測量結果的影響可忽略不計。因此，在保證衛星信號接收機性能的基礎上，衛星測波浮標測量結果準確程度的關鍵，在于利用衛星信號接收機接收到的衛星速度等原始信號和對波浪特征值進行解算的算法。

目前國內外產品化的衛星測波浮標包括荷蘭Datawell 公司的DWR-G9 型、DWR-G7 型和DWRG4 型，以及國家海洋技術中心的SBF7-1A 型。波高測量范圍最大20 m，分辨力為0.01 m；波周期測量范圍最大100 s，分辨力為0.1 s。根據GB/T 14914.2—2019《海洋觀測規范第2 部分：海濱觀測》和GB/T 12763.3—2007《海洋調查規范 第2 部分：海洋水文觀測》的要求，波高觀測的準確度等級分為兩級：一級最大允許誤差為觀測值的±10%，二級為±15%；波周期的最大允許誤差為±0.5 s。結合衛星測波浮標的產品技術指標和國家標準對波浪觀測的要求，明確現場校準的要素為波高與波周期；考慮海上現場建立量值溯源傳遞鏈條的難度大，以及近海波浪特點，確定現場校準的波高測量范圍為0～2.0 m，波周期為2～25 s。

本文研制衛星測波浮標的現場校準裝置，以帶有“校準接口”具備校準功能的衛星測波浮標為校準對象，建立從實驗室到海上的鏈條式現場校準方法。現場校準裝置由波浪校準架和波浪特征值校準單元（以下簡稱波浪校準單元）組成。當海上現場的浮標進入校準流程后，將校準時段（30 min）內的多普勒頻移或速度數據、波浪測量值，通過數傳電臺全部傳輸至岸上或通訊距離范圍內船舶上的波浪校準單元。該單元具有解算衛星信號至波浪特征值的能力，經陸上波浪校準架校準后，其在海上現場測量結果為波浪標準值。浮標測量結果與波浪校準單元解算結果相減，得到波高與波周期的示值誤差。波浪校準單元由陸地實驗室的波浪校準架校準，波浪校準架實現垂直升降式正弦模擬波浪起伏，可以模擬實海況下波浪振幅和周期的隨機性，其波高和波周期直接溯源至國際單位制的長度和時間。衛星測波浮標的現場校準流程圖如圖1 所示。

圖1 衛星測波浮標現場校準的流程圖

2 衛星測波浮標現場校準裝置

2.1 波浪校準架

波浪校準架計量檢定波浪校準單元的波高和波周期測量性能。波浪校準架采用對稱式雙側驅動豎直升降模式，復現給定波形的波浪，既可模擬輸出豎直方向上的標準的、規則正弦波，也可模擬輸出給定的、不規則正弦波。對于在負載設計范圍內的被校對象，整個波浪模擬過程中均不需調整配重，且校準對象可時刻保持豎直向上姿態。波高測量范圍為0～2.0 m，波周期測量范圍為2～25 s；經中國計量科學研究院等第三方計量機構的檢測，波高示值誤差不超過±1.1 mm，波周期示值誤差不超過±0.07 s。波浪校準架檢測結果見表1 和表2。

表1 波浪校準架的波高計量檢測結果

表2 波浪校準架的波周期計量檢測結果

2.2 波浪特征值校準單元

波浪特征值校準單元是現場校準的關鍵。首先，它具有測量功能，內置衛星信號接收機，測量原理與衛星測波浮標海上測量一致。在陸上實驗室的空曠地帶，利用波浪校準架進行校準。波浪校準架輸出給定的波高與波周期，該校準單元隨波浪校準架起伏運動，利用采集的衛星信號（運動速度）計算輸出測量值。根據波浪校準架的標準值，給出校準系數。置入校準系數的校準單元，測量準確度提高。其次，該校準單元具有發送命令和接收測波浮標海上原始數據的功能，并且可將這些數據解算為波浪特征值，作為現場校準的標準值。校準單元如圖2 所示。

圖2 波浪特征值校準單元

3 現場校準程序

3.1 陸上校準波浪特征值校準單元

（1）波浪校準架在空曠、無遮擋的室外工作。

（2）波高校準點為2.0 m，波周期校準點為3.8 s、5.0 s、6.3 s、8.4 s、11.1 s、12.4 s 和25.0 s。

（3）按照波高校準點將校準單元安裝在波浪校準架上，確保其安全穩固，并且校準單元隨波浪校準架運動時始終保持豎直狀態，無傾翻或失衡的可能。

（4）將波高校準點、波周期校準點、運行時間等參數依次置入波浪校準架的控制系統，啟動運行。

（5）波浪校準架穩定運行后，啟動校準單元，在采集時段結束后，給出該時段內波浪測量值。

（6）在每個波周期校準點測量一次，計算波高與波周期的測量誤差。

（7）按式（5）計算各個波周期校準點下的波高校準系數。

（8）將校準系數植入校準單元，以獲得更準確的測量值。

式中，a 為波高校準系數；H1/3i為校準單元在第i 個校準點測得的有效波高；H0i為現場校準架在第i個校準點所模擬的標準有效波高。

3.2 海上現場校準衛星測波浮標

（1）將校準單元帶到海上現場。

（2）如果陸地距離被校衛星測波浮標在校準接口的有效通訊距離內，可在陸地進行接下來的海上現場校準。如果超出有效通訊距離，則將校準單元帶至小船使用，小船距離被校衛星測波浮標在校準接口的有效通訊距離內。

（3）與衛星測波浮標的校準接口通訊，進行發送數據的測試，并與校準單元進行通訊測試。

（4）衛星測波浮標進入校準模式。完成1 次測量后，把衛星原始數據傳輸到校準單元，由校準單元解算出波浪參數，視為標準值。

（5）重復完成5 次測量，得到5 組被測值和5組標準值。

（6）采用極差法計算標準實驗偏差，作為測量重復性，引入測量不確定度的評定。

（7）分別計算被測值和標準值的算術平均值，計算示值誤差。

（8）參照式（5）計算出校準系數。

4 現場校準實例

4.1 陸上校準波浪特征值校準單元

校準單元的陸上校準結果如表3 所示。校準前波高示值誤差最大為0.28 m，波周期為0.16 s；置入校準系數0.94 后，波高示值誤差最大為0.14 m。綜合考慮校準單元作為標準設備及測量重復性引入的標準不確定度分量，現場校準裝置的波高測量擴展不確定度為0.09 m，滿足（0.05+3%測量值） m的要求。

表3 校準單元的校準結果

4.2 海上現場校準結果

2020 年11 月24 日和25 日，衛星測波浮標的現場校準在威海褚島附近海域和國家淺海綜合試驗場“國海試1 號”進行了兩次試驗驗證。試驗期間海況在三級以內，海域水深大于10 m。

首先，在威海褚島近岸開放水域，布放1 套衛星測波浮標；校準單元在褚島山頂工作，與測波浮標直線實測距離約1.9 km。按照現場校準程序完成了5 次測量。標準值來自校準單元，被測值來自測波浮標。然后，將衛星測波浮標布放在距離“國海試1 號”2 km 處，校準單元在“國海試1 號”甲板上工作，根據校準結果置入校準系數0.93，完成7次測量。現場校準結果見表4。

表4 海上現場校準結果

4.3 結果分析

（1）校準期間有效波高不大于0.6 m，波周期在4.0 s 左右。校準前，測波浮標的波高示值誤差最大為0.04 m；校準后，波高示值誤差最大為0.01 m，測量準確度提高，其海上計量性能得以確認。衛星測波浮標現場校準裝置與測波浮標的聯合計量試驗，建立了明確的量值溯源和傳遞鏈條，驗證了從實驗室延伸到海上的鏈條式現場校準模式。經過校準的衛星測波浮標在近岸布放觀測時，兼具機動靈活和時空分辨率較高的特點，獲取數據的可靠性也大為提高，增加了海洋觀測手段的多樣性和有效性，具有很好的業務化觀測應用前景。

（2）影響現場校準結果的測量不確定度的因素主要有：校準單元陸上校準的測量重復性、海上原始信號傳輸效率、校準時海浪實際波高的測量重復性等。陸上校準時衛星信號的測量獲取會受到周圍建筑物的部分遮擋，引起測量重復性較大，因此集中密集連續的測量校準是必要的。為保證海上現場校準的安全有效，校準一般選取海況較好時進行，此時海上浮標返回原始衛星信號強，校準過程順暢；實海現場校準的波高范圍受限于現場海況，波高相應較小。今后在現場校準技術方法的業務應用時，應進行更多海況的數據積累。

（3）目前有明確的量值溯源傳遞鏈條和經過實踐的校準測量范圍，波高最大為2.0 m，滿足測量近岸海浪的衛星測波浮標的現場校準需求。對于大浪測量海況時的校準，校準單元與加速度計式波浪浮標（可經實驗室內校準，波高測量范圍最大到6.0 m）比測后，其計量性能得以確認，進而作為波高標準器提供實際波高測量值。今后還需結合現場校準的業務化應用，開展大波高、惡劣海況下校準的探索研究。

5 結 論

海洋動力環境復雜多變，與實驗室內的標準環境迥然不同，其對海洋儀器的計量性能影響不可預估。對海洋水文動力參數觀測儀器建立海上現場校準的技術和方法，一直是海洋觀測技術和計量技術的重要課題。本文研制的衛星測波浮標現場校準裝置和校準方法，可實現從實驗室到海上的鏈條式現場校準，在國內外尚屬首次。

校準結果表明，現場校準的波高測量范圍為0～2.0 m，擴展不確定度優于（0.05+3%測量值）m，校準流程和方法的可行性得到驗證，滿足準確度等級為一級（測量誤差不超過±10%測量值）及一級以下的衛星測波浮標在近岸觀測時的校準需求，可為其進入全國海洋觀測網業務服役提供計量技術支撐。