《1 前言》

1 前言

全球定位系统（GPS）凭借在获得精确时间和定位信息方面的技术优势，已经在卫星定位、海洋勘测、地形测绘等领域发挥了重大的作用[1，2] 。国际已经将GPS应用到高度计海面高度定标研究中，研制出可用于高度计海面高度定标的GPS浮标，并应用于业务化运行的卫星高度计的定标工作中。高度计业务化的广泛应用与高度计发射后的定标是密不可分的。

卫星高度计海面高度定标主要采用验潮仪和 GPS浮标。其中，GPS浮标法具有直接在星下点对高度计进行定标，不受潮汐模型和大地水准面影响的优点，在高度计定标研究中广泛使用。Exertier P 等[3] 于1998年在Corsica采用自行设计的GPS浮标，对 TOPEX/Poseidon (T/P)卫星高度计进行了定标，并与验潮仪数据进行了对比，两者差异在1 cm范围内。Cheng K 等[4] 于 1999 年在伊利湖利用自制的 GPS 浮标对 T/P卫星高度计进行了绝对定标，其定标结果与验潮仪得到的结果相符。Schueler Torben等[5] 利用自制的桶状 GPS 浮标，在 Menorca 东部对 Envisat卫星高度计进行了定标，利用单频GPS浮标得到的海平面高度的偏差达到了5 cm。Watson等[6] 在澳大利亚的Bass海峡定标场，采用自制GPS浮标结合验潮仪进行定标工作，并采用GPS浮标测量数据对验潮仪定标法进行校正。

我国卫星高度计发展起步较晚，但经过不断努力，近年来也取得了一定成果。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海洋二号（HY-2）卫星发射成功，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，因此急切需要开展自主的高度计海面高度定标工作。

本文针对目前国内高度计海面高度定标的需求，在高度计海面高度定标方面开展高精度GPS浮标设计工作，并通过数值模拟的方法保证设计浮标的稳定性和随波性，为进一步的浮标研制和高度计海面高度GPS定标打下基础，进而为业务化高度计定标提供技术和积累经验。

《2 GPS浮标组成及工作原理》

2 GPS浮标组成及工作原理

《2.1 浮标组成》

2.1 浮标组成

基于GPS的测高浮标由安装浮球的三角架、舱体、GPS 接收机、电池、密封盖板、扼流圈天线和天线罩组成。GPS接收机和电池放置在舱体内，设有电池组安装架，接收机安装在电池组的上部，用可拆卸的卡扣固定。采用的 GPS 接收机的精度为 5 mm+1 ppm(1 ppm=10-6 )，满足高度计海面高度定标精度要求。

《2.2 浮标工作原理》

2.2 浮标工作原理

浮标安装正常工作后，GPS接收机通过扼流圈天线接收天上GPS卫星实时数据，并将GPS原始观测数据保存在存储器中，用于与地面GPS基准站数据进行事后差分处理，得到GPS浮标高精度的定位信息，通过计算GPS浮标瞬时位移，解算出GPS浮标所在位置的瞬时海面高度值。

《3 GPS浮标设计》

3 GPS浮标设计

《3.1 GPS浮标需求分析》

3.1 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，因此浮标性能要求包括测高精度需求、外形设计需求、GPS天线设计需求、连续供电需求、配重需求、材料需求、密封需求、安全需求以及海上布放便利需求9项需求。总的需求可以总结如下。

1）浮标大小和形状设计应满足：动态稳定、足够的舱体内置设备空间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。

2）GPS 浮标天线采用标配有天线罩的扼流圈天线（抑制多路径效应）。

3）浮标舱体足够大，可以安装电池和接收机，电池具备持续供电5天以上的能力。

4）浮标舱体密封良好，保证GPS正常工作。

5）浮标上需加入安全警示灯，保证晚上仪器布放安全。

6）配重固定在浮标底部中央位置，可调节质量，方便不同海况下使用。

7）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。

8）浮标材料应坚固耐撞击，能够适应海上恶劣工作环境。

《3.2 GPS浮标外型设计》

3.2 GPS浮标外型设计

根据GPS浮标需求分析，GPS浮标依靠浮标上固定的GPS接收机对海面高度计进行测量，要求具有良好的稳定性和随波性。浮体结构参考 Watson 等在澳大利亚 Bass 海峡高度计定标场中采用的 MK Ⅱ浮标样式结构（见图1）。浮标分为三角架泡沫浮球和仪器舱两部分，仪器舱内固定蓄电池和 GPS数据采集器，GPS天线通过螺纹连接固定于仪器舱盖上。

《图1》

图1 MK Ⅱ浮标样式[6]

Fig. 1 MK Ⅱ buoy style [6]

主要技术参数：浮球中心径为 1 200 mm，浮球直径为366 mm，总高度为600 mm；浮标体排水量 72 kg；横摇角15°。

三点浮球型浮标有良好的随波性，在海洋环境中可靠性高，不易倾覆。浮体仪器舱采用不锈钢壳体，结构件外表面喷涂防锈漆。

《3.3 GPS浮标舱体设计》

3.3 GPS浮标舱体设计

仪器舱为直径350 mm、深300 mm的不锈钢圆筒结构。仪器舱舱盖即GPS天线的安装板，主要用于固定GPS天线和数据线进舱，采用端面密封。仪器舱内部设有电池固定装置，用来放置蓄电池组，同时充当配重，降低浮标重心；电池组上安装 GPS 数据采集器，GPS 数据采集器通过卡扣固定，方便拆装以便对数据采集器进行检测和设置等工作；仪器舱底部设有配重固定孔和锚系系留点，可以根据需要增加配重或配置锚系系统；仪器舱与浮球支架通过筒体上沿的连接孔利用螺杆组件连接固定。

《3.4 GPS浮标密封性设计》

3.4 GPS浮标密封性设计

GPS浮标主要用于海洋环境，浮标仪器舱盖上部连接 GPS 天线，舱内安装蓄电池组和数据采集器，密封性能是关键问题。

GPS扼流圈天线通过螺纹固定于舱盖，并用密封圈密封。仪器舱盖预留天线数据线进线孔，设有硫化螺栓，预先将天线数据线置于硫化槽内进行硫化，同时设有螺纹引导数据线进舱固定，硫化螺栓上有密封槽结构，解决了密封问题。仪器舱盖与舱体的密封采用O型密封圈端面密封，并通过螺栓组件紧固，保证蓄电池供电和 GPS 数据采集器正常运行。

《3.5 GPS浮标供电设计》

3.5 GPS浮标供电设计

浮标供电采用内置蓄电池的方法，既解决了供电问题，又增加了配重，提高了浮标的稳定性。根据GPS接收机的供电要求选用两块12 V、24 A ⋅ h、重7.9 kg的蓄电池。电池直接与GPS接收机连接，并密封在舱体中，保证连接的安全性和稳定性。

《4 数值模拟试验》

4 数值模拟试验

作为浮标设计的重要环节，浮标运动特性分析不可忽略，而波浪作用力中流体粘性的影响相对较小，因此采用不考虑粘性的势流理论解决问题，提高计算效率。这种方法在海洋工程数值计算中有着广泛应用，并为试验结果所验证。

浮标的主要设计参数见表 1，依据此表建立浮标水动力数值仿真模型。建模时，为保证网格质量，去掉了不必要的结构细节，如图2所示。

《表1》

表1 浮标模拟计算参数

Table 1 Simulation parameters of buoy

《图2》

图2 浮标水动力数值仿真模型

Fig. 2 Buoy model for hydrodynamic numerical simulation

浮标的数值仿真计算采用右手坐标系，坐标原点位于静水平面的浮标中心处，OXY平面与静水平面重合，水流沿X轴，Z轴垂直向上为正。计算时，波浪入射方向选取对浮标横摇影响最大的 X 轴方向，海况在 3 级及其以下，波浪周期的范围取 1~15 s 。计 算结果如图3所示。

《图3》

图3 浮标横摇及升沉响应

Fig. 3 The roll angle and heave rate of buoy with the wave periods

浮标的横摇和升沉是在恢复力的作用下做简谐运动而产生。当入射波的频率和浮标的固有频率相同时，浮标运动与波浪运动产生共振，从而在这个频率处横摇的运动幅值会达到一个极值；当入射波频率与浮标的固有频率不同时，共振也会随之消失。由图 3a 可见，浮标的横摇响应峰值对应 1.36 s的波周期，我国沿海海域波浪周期一般在3~25 s，因此该浮标可避开共振周期。对于浮标的随波性，由图3b可见，当波浪周期大于5 s时，响应值接近1，这说明浮标在波浪中的升沉值与波高值接近相等，浮标能更好地随波运动。

通过模拟计算，设计的测高浮标在主要的波浪周期5 s的最大横摇角度约为10°，升沉响应约为1，满足浮标横摇角≤15°的设计要求；浮标的升沉值与波高值接近相等，表明浮标有很好的随波性。

《5 结语》

5 结语

GPS 浮标是卫星高度计海面高度定标的主要测量仪器。本文详细介绍了GPS浮标的外型设计、舱体设计、密封性设计和供电设计，并采用数值模拟的形式对设计的 GPS 浮标进行随波性和横摇升沉响应计算。模拟计算结果表明，设计的GPS浮标可以满足海上定标试验的要求，其随波性和横摇角满足高度计海面高度定标的需要。可以根据本文的设计方案，开展可用于高度计海面高度定标的GPS浮标的研制工作。