海洋所在高精度、低成本GNSS浮標海浪觀測技術(shù)方面取得突破
近日,中國科學(xué)院海洋研究所徐永生研究團隊在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)海浪測量領(lǐng)域取得了重要突破,成功開發(fā)了一種基于單頻GNSS信號的海浪反演方法,能夠?qū)崟r、高精度、低成本監(jiān)測海浪,對科學(xué)研究和市場應(yīng)用均具有重要價值,成果在遙感學(xué)期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing發(fā)表。
海浪在時間和空間域上呈現(xiàn)出顯著變化的特性,因此對海浪進行有效監(jiān)測對于海洋災(zāi)害防護和海洋動力變化精確預(yù)測非常關(guān)鍵。雖然人類在海浪觀測領(lǐng)域已經(jīng)取得了顯著進展,但是高昂的觀測成本嚴重限制了對海浪進行廣泛監(jiān)測的能力。GNSS浮標通過在全球統(tǒng)一的坐標框架內(nèi)直接測量海面的高度和速度,為高精度地測量波高、波周期和海浪能譜等關(guān)鍵參數(shù)提供了可能。然而,導(dǎo)致GNSS浮標未能大規(guī)模部署的主要原因包括硬件成本高、實時性難以保證以及對基站的依賴等問題。
本研究綜合對比了GNSS的原始多普勒、事后動態(tài)載波相位差分PPK、雙頻消電離層組合的時間差分載波相位(Time-Differenced Carrier Phase,TDCP)以及單頻TDCP等方案測速精度。結(jié)果顯示,單頻TDCP方案的測速精度比原始多普勒技術(shù)提高了將近五倍,并且也相對于PPK和雙頻TDCP方案有所提高。通過在海上進行的實際測試,證明了單頻GNSS在測量波高和周期方面的精度分別可達到6厘米和0.1秒,這與昂貴的傳統(tǒng)加速度計海浪浮標的測量精度一致?;谶@一創(chuàng)新算法,研究團隊正致力于開發(fā)一款高精度單頻GNSS浮標。這款浮標不僅成本低廉,數(shù)據(jù)處理量小,性能穩(wěn)定,算法簡化,還具備靈活布放的特點,既可采用漂浮式也可進行固定式布放,對于實現(xiàn)人類對海浪進行全面監(jiān)測具有深遠的影響。

圖1 利用PPK、L1 TDCP、LC TDCP和原始多普勒方法確定的NEU方向速度精度

圖 2 GNSS浮標和業(yè)務(wù)化波浪浮標的結(jié)果對比
文章第一作者是徐永生團隊在讀博士生楊磊,徐永生研究員為通訊作者。徐永生研究員曾經(jīng)創(chuàng)新性提出利用海浪場在時間與空間域的頻散關(guān)系來定標干涉高度計的方法,在國際上通過單個GNSS浮標首次實現(xiàn)了機載干涉成像高度計的海上定標(Yang and Xu et al,2020),并成功建立了首個基于干涉測高觀測的海浪參數(shù)反演模型(Jiang and Xu et al,2022)。盡管這一方法能夠評估載荷在海浪尺度的誤差水平,但由于單個GNSS浮標無法在空間域上覆蓋亞中尺海面高度異常(SSHA),因此無法檢驗干涉高度計對亞中尺度SSHA的觀測性能。GNSS浮標陣列(包含10個以上GNSS浮標)是檢驗干涉高度計亞中尺度SSHA觀測性能的有效途徑。低成本GNSS浮標對降低評估干涉高度計亞中尺度SSHA觀測性能成本將起到關(guān)鍵作用。
相關(guān)論文信息:
Yang,L.,Xu,Y. et al. Retrieval of Ocean Wave Characteristics via Single-Frequency Time-Differenced Carrier Phases From GNSS Buoys,in IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,vol. 62,pp. 1-12,2024,Art no. 4204512,doi: 10.1109/TGRS.2024.3378161.?
https://ieeexplore.ieee.org/document/10473765
Yang,L.,Xu,Y. et al. Calibration of an Airborne Interferometric Radar Altimeter over the Qingdao Coast Sea,China. Remote Sens. 2020,12,1651.?
Jiang,Q.,? Xu,Y.,et al. Wind-generated gravity waves retrieval from high-resolution 2-d maps of sea surface elevation by airborne interferometric altimeter. IEEE geoscience and remote sensing letters,2022,(19-).
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