这篇文章是我们独家报道的一部分IEEE Journal Watch系列与IEEE Xplore合作。
海洋学家在研究海洋时需要精确测量海浪和海流。为了收集这些数据，研究人员求助于装有传感器的浮标，这些传感器可以作为漂浮野外站使用。浮标设计用于测量海水在海面上的运动，以及海浪的速度和大小。为了在公海作业，这些浮标使用GPS和其他卫星数据代替陆基参考点。
然而，尽管这些浮标很有用，但只部署了少数海浪浮标。这是因为它们价格昂贵，需要复杂的计算来处理数据，而这些数据是用昂贵的机载计算设备完成的，可能需要几天时间才能完成。
为了解决这些问题，中国青岛的一组研究人员建造了一种新型浮标。与其他波浪浮标一样，他们的设备使用全球导航卫星系统技术。但是，目前的标准并没有收集双频卫星数据，而是通过单频分析实现了更低的成本、更好的精度和实时计算。研究人员描述他们的方法在年3月19日发表的一项研究中IEEE地球科学和遥感汇刊.
双频卫星数据在两个单独的频带中收集数据。它通常用于实现比使用单个频带的数据更精确的测量；增加第二个频带可以校正大气中的干扰，尽管处理时间较长。
虽然仅靠卫星数据就可以通过遥感从远处传递一些海洋动力学信息，但它缺乏直接观测的准确性。研究作者说，事实上，全球导航卫星系统浮标最初是作为校准工具本身开发的，用于改进卫星长期以来对潮汐和全球海平面变化的测量徐永胜教授，中国科学院海洋研究所研究员，IEEE成员。研究人员随后意识到，他们可以使用浮标直接从海洋测量波浪周期、高度和方向。徐说：“高频GNSS数据还包含重要的波动信息……这一发现使这些浮标的用途超出了最初的用途。”。
“只有通过足够数量的观测，我们才能更好地理解和预测海浪。”-徐永生，中国科学院
当前的全球导航卫星系统浮标设计采用了几种不同的方法来处理数据。一些浮标根据多普勒频移计算浮标的垂直速度，测量方法如下卫星间接费用。其他方法检查浮标上的加速度徐说，通过包括陆基参考站或从星载时钟下载卫星轨道和时间信息，可以实现精确测量。然而，这意味着在基准站的情况下，浮标必须位于海岸50公里以内。下载额外的卫星数据增加了浮标带宽和计算资源的负担。
研究人员在中国青岛海岸测试了他们的浮标。徐永胜教授
青岛研究人员的浮标采用基于卫星的原理，但使用单频GNSS芯片，这是目前浮标中使用的双频芯片的廉价替代品。切换到单频也显示出略高的精确度。徐解释说，双频法涉及额外的计算，可能会无意中放大测量误差。
在研究人员的方法中，一种算法使用单频GPS信号测量浮标的三维速度，用于确定其位移，从而确定波浪的大小。虽然其他方法需要数天（有时长达一周）的后处理，但这种方法可以实时完成，不需要外部数据下载。与Doppler-shift方法相比，在研究人员的测试中，唯一可以实时进行的其他方法是单频法，其准确度是五倍。
单频芯片也降低了成本；徐估计，他们的浮标价格约为其他波浪浮标价格的十分之一。降低成本意味着科学家可以部署一个大型浮标网络，包括在低收入国家的沿海地区。根据联合国的目标，扩大数字将有助于更好地监测全球海浪，使2020年成为“海洋十年“并增加对海洋科学的关注。
徐说：“海浪在空间和时间上变化很大。”。“只有通过足够数量的观测，我们才能更好地理解和预测海浪。“降低波浪浮标的成本可以使这成为可能。
研究人员目前正在努力解决一个关键挑战：维护卫星链路。徐说，恶劣的海况和暴风雨天气会影响浮标保持直接视线以接收卫星无线电信号的能力，这对浮标的功能至关重要。研究人员旨在改进浮标的机械设计，以在未来解决这一问题。
