全球定位系統跟蹤冰塊運動的技術設計和實踐

2023-08-15 13:09:28陳書超李春江王慶凱李志軍

水利科學與寒區工程 2023年7期

陳書超，李春江，富翔，張晗，王慶凱，李志軍

(大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連 116024)

我國北方河流、湖泊、海洋冬天均會結冰。在形成穩定冰層前后存在碎冰塊，它們隨風、流、浪等運動。流動的冰塊對人類冰區活動會產生影響，如流冰會對水工建筑物造成破壞，流冰堆積形成冰塞冰壩產生壅水威脅下游生態和人類安全[1]。所以冰科學一直是研究的熱點問題，冰生消過程[2-3]、冰物理和力學[4-7]、冰光學[8]、電磁學[9]以及冰下生態環境[10]均有研究。而河流和湖泊碎冰運動的研究相對較少，目前現場調查冰塊運動的技術方案有三種：(1)衛星遙感監測，程一軒[11]根據衛星遙感圖像產品對夏季北極海冰運動與風的關系進行統計研究；王子涵等[12]基于哨兵1號數據，使用目視識別方法對每日內爾斯海峽北部的浮冰運動進行追蹤并融合多源冰情數據(風、海流、密集度等)，綜合分析不同密集度下浮冰運動同風、海流的關系。由于衛星遙感產品的時間間隔長，空間分辨率低，導致衛星遙感監測河流和湖泊冰塊運動存在一定技術限制。(2)岸邊監控，即在岸邊安裝攝像機對浮冰進行監測，此方法的優點是穩定性較好，可長時間連續監測。其缺點是岸邊傾斜拍攝產生圖像變形[13]，對后續數據處理增加困難[14]，監測范圍小，夜晚或大霧天的圖像模糊。(3)定位器跟蹤冰塊，將定位器固定在冰塊上，隨之漂流。宋春山等[15]應用全球定位系統(北斗+GPS)在黑龍江上游進行了追蹤實驗，GPS可實時上傳冰塊位置，據此描繪冰塊運動方向與速度。由于定位器跟蹤冰塊運動可實現全天候不間斷監測，不受天氣影響，并且在信號覆蓋的空間內均能實現監測。現在市面上定位器主要有GPS定位、北斗定位、基站定位、WiFi定位和藍牙定位。GPS定位是最常見的定位方式，它定位精度高，運用領域廣；北斗定位和GPS定位原理和優缺點基本相同，目前大部分定位系統采用GPS/北斗雙模定位，可有效提高定位精度和準確性[16]。基站定位的準確性受跟蹤位置附近基站的數量限制，難以保證精度。WiFi定位在脫離城市的野外仍難以使用。藍牙定位使用條件苛刻，無法在野外使用。本文根據2022—2023冬季青海湖開展的GPS跟蹤春季冰塊運動試驗，介紹作為冰塊運動監測所選用GPS類型、采取GPS保護方法、實施冰面安裝措施以及獲取冰塊運動數據，分析實踐中遇到的問題和跟蹤數據的可靠性。

1 所選GPS型號、性能和精度介紹

GPS主要分為接線式和便攜式，接線式需外接電源，便攜式內置電池。便攜式便于野外使用，它具有價格低廉，使用方便，定位精確的特點。跟蹤冰塊運動，續航能力是衡量便攜式GPS可行性的關鍵。這主要取決于電池容量和定位頻率。在相同環境條件下，電池容量越大，續航時間越長，但GPS體積越大。一般GPS的最高定位頻率為0.1 Hz，具體可自行設置，定位頻率越高，續航時間會縮短。如果定位頻率采用0.1 Hz，幾種常見GPS的續航時間見表1。此外，還應考慮如果布設GPS的位置處于衛星數量較少或距離運營商網絡基站較遠時，雖然能夠正常定位和傳輸數據，但由于設備需要不斷搜索衛星和運營商網絡信號，總體續航時間會相應縮短。故選擇G410P型GPS用于青海湖冰上試驗(圖1)，它的電池容量為20 000 mA，在-20～10 ℃環境溫度下續航時間為25～35 d，尺寸大小見表1，滿足在穩定冰層布設，跟蹤流冰徹底消失的續航要求。

圖1 青海湖使用的G410P型GPS定位器

表1 常見GPS型號和續航時間

便攜式GPS內置定位模塊和數據傳輸模塊，目前大部分GPS采用多重定位模式，在無遮擋的空曠環境下“GPS+北斗”模式定位精度≤10 m。數據傳輸取決于安放GPS周邊運營商基站數量，因此選取GPS時，須先對跟蹤冰塊運動區域的運營商網絡信號進行測試和比較。

2 GPS跟蹤青海湖冰塊運動的安放設計

為了保證GPS在復雜環境中的冰面上的安裝與穩定運行，根據冰知識和實踐經驗，對GPS的布設設計做三方面考慮：即整體系統的防水性、抗壓性和水面漂浮性。冰塊運動中，冰面處于潮濕環境，特別是冰塊運動可能使水濺到冰面，而GPS本身防水性較差，應對GPS定位器做防水處理；在冰塊運動時，存在冰塊之間的擠壓和重疊，可能導致GPS受損，應該采取加固措施；另外如果GPS掉入水中，并隨冰塊運動，應保證GPS可以在水面上漂浮，因此系統的整體密度應該低于水的密度。

2.1 防水技術和實踐

出于對GPS衛星信號傳輸受金屬、混凝土等材料限制，選用較薄的塑料作為防水材料。最終采用了透明方形塑料瓶，如圖2(a)。其材質為聚乙烯對苯二甲酸酯，容器底為方形，邊長為115 mm；容器高為150 mm；瓶口圓形，直徑為115 mm；容積為1500 mL，滿足GPS的容納需求。將GPS用氣泡塑料紙包裹，放入瓶內，防止GPS瓶體的撞擊。同時也對GPS起到保溫作用，提高GPS的續航能力。選擇的塑料瓶瓶口處帶有螺紋，用適配的蓋子進行封口，為了提高容器的密封性，在瓶口和蓋子內側增加防水墊，并將防水膠均勻涂抹于封口處。之后在蓋外側纏繞防水膠帶增強密封性，進行防水密封后的GPS見圖2(b)。布設前對防水密封性進行檢驗，將處理后的容器浸泡在水中30 d，未發現滲水現象，能夠滿足試驗要求。

圖2 GPS系統防水設計處理前后照片

2.2 抗損壞技術與實踐

由于GPS選取的防水材料強度較低，可能在跟蹤過程中由于冰塊的擠壓或重疊而損壞，因此需要加固。設計并制作的外圍加固框架為木質結構，連接用螺絲固定。設計的結構形式有正六面體和正四面體。選擇的木方截面尺寸有2 cm×3 cm和3 cm×5 cm二種。首先，對木方的抗壓性進行測試，測試結果顯示應采用截面尺寸為3 cm×5 cm。

六面體結構如圖3(a)所示，共有木方12根，其中1號和2號木方長度為25 cm，3號和4號長度為40 cm，5號、6號、7號、8號長度為20 cm，9號和10號長度為22 cm，11號和12號長度為24 cm。首先，將1號、3號、5號、6號木方用螺絲固定成頂端齊平的“井”字形；再將2號、4號、7號、8號木方進行同樣方式固定成頂端齊平的“井”字形；之后將兩個“井”字木方結構平行放置，內側間距為15 cm；3號和4號木方在對角上，9號和10號木方在“井”字結構兩側，11號木方在“井”字結構下方中間位置。用螺絲將其連接后，密封處理后的GPS的塑料容器從上方開口放置進去，再用12號木方固定在中間。正四面體結構如圖3(b)所示，共用6根長度35 cm的木方。先用三根木方固定為正三角形，作為正四面體的底面，后將另三根木方下端固定在底面的三個角上，上方固定在一起，構成正四面體。

圖3 抗損壞外框設計和實踐示意圖

兩種結構，各有優缺點。正六面體制作方便，雖然用木方較多，因為各木方連接處均為直角，所以連接穩定，但缺點是放在冰面上易發生滾動。正四面體在冰面上穩定性更好，缺點是因每個面都是三角形，木方之間的連接均傾斜，用螺絲固定不穩定。另外GPS的密封容器在正四面體框架內剩余空間較大，容易受到外界碎冰擠壓。對于青海湖湖冰，六面體結構更有優勢。為了防止六面體結構在冰面上滾動，將對角兩根豎向木方加長，將它們插入冰面上已經提前鉆好的冰孔內，湖水的再凍結，使結構穩定在冰面上，確保GPS跟隨冰塊同步運動。冰面布設后的在GPS及其外圍防損壞保護架如圖4所示。

圖4 按放在冰面上的GPS定位器

2.3 防止GPS沉入水底技術和實踐

GPS重量約為400 g，防水塑料容器重量及其他防水材料總計50 g，密封后的容器體積為0.0015 m3，整體密度約為300 kg/m3。外圍木方密度約為400 kg/m3，螺絲質量較小，可以忽略。從而整體上密度小于水的密度，即1000 kg/m3，即使滑落水中，也不會沉入水底。

3 GPS跟蹤青海湖冰塊運動的現場試驗

3.1 研究區概況

試驗地點位于青海湖二郎劍北側的湖面上，青海湖東西長約109 km，南北寬約40 km，面積約4340 km2。通常在12月上旬湖水開始凍結，12月中旬湖面完全冰封，次年3月中下旬冰層開始消融，4月上中旬冰完全消融。

出于安全性考慮，試驗布設GPS的時間選擇在2023年3月中旬，此時青海湖湖冰處于融冰初期，冰內含水量和冰厚沒有明顯變化，又兼顧GPS的電池續航能力要求。考慮到GPS在冰面上工作時間長，將其設置為靜止時不進行數據傳輸，從而有效增長工作時間。試驗區域如圖5所示。

圖5 青海湖試驗場地布置

3.2 試驗研究方法

在二郎劍景區碼頭西北方向的半島上安裝自動氣象站，據碼頭約5 km(見圖5(b))。本試驗主要使用風速、風向數據，數據采集間隔設定為1 min，通過4G無線傳輸數據。

2023年3月14日在冰面上按放11個GPS定位器，布設位置如圖5(b)所示。為便于記錄，對GPS定位器進行編號，其中1號、4號、6號、8號、9號和10號放置于青海湖二郎劍景區碼頭北側。3號放置于二郎劍景區碼頭西側，據碼頭約5.7 km，2號、5號、7號、11號放置于二郎劍景區碼頭西北方向約5 km的半島附近。在整個試驗區域，各GPS皆可正常定位和傳輸數據，二郎劍景區碼頭附近的設備信號較好。放置于最北側的7號設備由于衛星信號和設備信號都較差，增加了設備耗電，在冰體破碎之前電量耗盡，此時冰體已經過薄，無法進行更換，其他設備在冰體破碎之前均正常工作。

3.3 跟蹤結果與分析

2023年4月2日青海湖冰面局部區域開始破碎，至4月16日冰面完全消融，整個開湖歷時15 d。4月4日16時左右，放置于半島附近的GPS定位器首先跟隨冰體開始運動，5號GPS由于信號質量較差沒有正常定位，2號和11號GPS可正常定位。4月5日8時左右，隨著冰體破碎，其他GPS均開始隨冰塊運動。GPS定位器跟隨碎冰同步運動的過程分為兩個階段。各階段冰體破碎的時間存在差異，體現在GPS開始運動的時間不同。為了便于對比，表2給出各GPS運動的時段和存在的現象。