《Applied Ocean Research》：Real-time integrated sea surface height and wave monitoring using a GNSS buoy based on PPP-B2b service
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随着全球导航卫星系统（GNSS）的持续发展，实时高精度定位技术为海洋观测提供了新途径。研究人员提出了一种基于北斗三号（BDS-3）PPP-B2b服务的GNSS浮标实时海面高度与波浪监测方法。该方法利用实时精密单点定位（PPP）技术获取浮标的高精度位移与速度信息
随着全球导航卫星系统（GNSS）的持续发展，实时高精度定位技术为海洋观测提供了新途径。研究人员提出了一种基于北斗三号（BDS-3）PPP-B2b服务的GNSS浮标实时海面高度与波浪监测方法。该方法利用实时精密单点定位（PPP）技术获取浮标的高精度位移与速度信息，并据此反演有效波高与平均波周期等关键波浪参数；同时，由同一GNSS观测与定位结果估计海面高度（SSH），从而在统一平台上实现波浪与海面高度的协同观测。研究中建立了基于广播轨道、钟差和码偏差改正的双频无电离层PPP模型，并采用过零法和频谱分析法进行波浪参数提取，海面高度则由经改正的浮标高度经低通滤波获得。通过改正性能分析、静态和动态定位试验、模拟波浪试验以及真实海洋环境下24 h连续观测实验，对提出方法进行了系统验证。实验结果表明，PPP-B2b服务能够为实时PPP提供可靠的高精度改正：施加改正后，BDS-3与GPS卫星的径向轨道误差分别为7.77 cm与5.38 cm，钟差标准差分别为5.79 cm与8.45 cm。在沿海静态实验中，水平与垂直方向定位均方根误差（RMSE）分别为5.07 cm与10.41 cm；在城市动态实验中，对应值分别为9.79 cm与11.80 cm。模拟波浪实验中，反演的平均波高与平均波周期RMSE分别为4.54 cm与0.147 s。真实海洋实验中，海面高度反演RMSE为5.80 cm；有效波高（SWH）经零交叉法与谱分析法得到的RMSE分别为3.72 cm与4.33 cm，平均波周期对应RMSE分别为0.0916 s与0.0921 s。研究结果表明，基于PPP-B2b的GNSS浮标能够实现海面高度与波浪参数的一体化、实时且精确观测，为低成本海洋浮标网络与海洋综合观测提供了可行的技术方案。
**基于BDS-3 PPP-B2b服务的GNSS浮标实时海面高度与波浪监测研究解读**
**一、研究背景与科学意义**
海面高度与波浪是基础海洋学变量，对全球气候系统、海洋环流、近岸过程具有重要作用，并广泛关联导航安全、离岸工程设计、海洋可再生能源开发、海岸灾害评估和潮汐预报等应用领域。因此，实时、高精度、连续且具有广阔空间覆盖能力的海面高度与波浪获取能力对海洋科学研究和工程应用均具有重要意义。当前海面高度与波浪监测主要依赖原位观测仪器与卫星遥感技术。传统原位设备如固定验潮站、压力式与声学波浪传感器、重力式波浪浮标可提供较高局部精度和良好时间连续性，但部署、锚系、回收和维护成本高，恶劣海洋环境下长期稳定运行难以保障。卫星遥感虽空间覆盖广，但合成孔径雷达（SAR）波浪反演受非线性成像机制、反演模型复杂性和重访周期限制；卫星测高则存在沿轨采样稀疏、时间分辨率有限以及近岸波形质量退化等问题。上述局限性推动了小型化、可组网的海洋浮标发展。全球导航卫星系统（GNSS）的建设和消费级电子技术的进步，使高性能GNSS接收板卡成本降低，GNSS浮标成为海洋观测系统的重要方向。前期研究表明GNSS浮标在波浪参数反演和海面高度监测方面具有巨大潜力，但基于BDS-3 PPP-B2b服务的实时波浪测量研究仍相对有限，尤其缺乏在单一观测平台上系统实现实时波浪反演与海面高度估计的研究。常规精密单点定位（PPP）依赖事后精密轨道和钟差产品，难以直接满足海洋监测的实时性需求。BDS-3自2020年起通过三颗地球静止轨道（GEO）卫星播发B2b信号实时轨道、钟差和码偏差改正，为区域实时精密定位提供了新的技术基础，也为实时GNSS浮标波浪测量创造了条件。为此，研究人员提出了一种基于BDS-3 PPP-B2b服务的实时GNSS浮标波浪测量方法，在同一平台上实现波浪与海面高度的协同观测。
**二、研究内容与主要结论**
本研究建立了一套完整的基于PPP-B2b的实时GNSS浮标海面高度与波浪监测方法。该方法采用双频无电离层PPP模型，利用实时PPP获取浮标高精度位移，通过低通滤波分离海面高度与波浪诱导的高频分量，采用过零法和功率谱分析法提取有效波高与平均波周期。通过在天津滨海新区东疆游艇码头的沿海静态实验和城区动态实验验证了PPP-B2b定位精度；通过精密升降平台模拟波浪实验验证了波浪参数反演方法的可行性；最后在天津滨海新区东江水域（渤海海域）开展了24 h连续海上实验，以紧耦合GNSS RTK/INS波浪浮标为参考，对海面高度和波浪参数进行了综合精度评估。主要研究结果表明：PPP-B2b改正后的BDS-3与GPS卫星径向轨道误差分别为7.77 cm和5.38 cm，钟差标准差分别为5.79 cm和8.45 cm，具备支持实时精密定位的能力；沿海静态环境中PPP-B2b收敛后水平和垂直RMSE分别为5.07 cm和10.41 cm，城市动态环境中分别为9.79 cm和11.80 cm，可提供稳定的位移信息；模拟波浪实验中平均波高与平均波周期RMSE分别为4.54 cm和0.147 s，验证了方法的可行性；真实海洋实验中，基于PPP-B2b的海面高度RMSE为5.80 cm，有效波高的过零法与谱分析法RMSE分别为3.72 cm和4.33 cm，平均波周期RMSE分别为0.0916 s和0.0921 s，与参考值相关系数均超过99%。该研究证明基于PPP-B2b的GNSS浮标可在统一平台上实现海面高度与波浪参数的实时集成观测，为低成本海洋浮标网络建设提供了可行技术方案。
**三、研究采用的关键技术方法**
该研究采用了以下主要关键技术方法开展实验验证：（1）基于BDS-3 PPP-B2b服务的实时精密单点定位技术，利用B2b播发的实时轨道、钟差和码偏差改正信息建立双频无电离层PPP模型，无需地面参考站即可实现实时高精度浮标定位；（2）卫星轨道和钟差改正精度评估方法，将B2b改正后的卫星位置和钟差与武汉大学IGS分析中心最终精密产品进行差分比较，统计径向、切向和法向轨道误差及钟差标准差；（3）二阶Butterworth低通滤波器与四阶Butterworth带通滤波器，用于将浮标高度序列分离为低频海面高度分量与高频波浪诱导分量；（4）过零法和功率谱分析法两种波浪参数提取方法，基于滤波后的波高序列统计有效波高和平均波周期；（5）海上对比实验验证方法，在天津滨海新区东江水域布设PPP-B2b浮标与紧耦合GNSS RTK/INS参考浮标约70 m间距同步观测，以参考浮标数据评估PPP-B2b浮标的海面高度和波浪参数精度；（6）静态和动态定位试验、精密升降平台模拟波浪试验，分别用于评估PPP-B2b在沿海环境、城市动态环境中的定位性能，以及波浪参数反演方法的理论精度。
**四、研究结果分述**
**（一）卫星轨道和钟差改正精度分析**。利用2026年2月5日至9日连续5天的PPP-B2b改正数据，经解码后与对应广播星历匹配，统计了BDS-3和GPS卫星的轨道误差与钟差精度。结果表明，平均可用改正卫星数量超过18颗；BDS-3在径向、切向和法向的轨道误差RMSE分别为7.77 cm、21.01 cm和22.41 cm，GPS对应值分别为5.38 cm、30.18 cm和18.39 cm；钟差标准差换算至距离域后BDS-3为5.79 cm、GPS为8.45 cm，表明BDS-3钟差改正稳定性优于GPS。
**（二）PPP-B2b静态和动态定位实验**。在天津东疆游艇码头开展约2 h沿海静态实验，同时参考RTK固定解评估精度。收敛后三维定位标准差为6.62 cm，东向和北向平均精度均优于4 cm，天向平均精度约10 cm。在天津滨海新区城市动态实验中，收敛时间约600 s，收敛后东、北、天方向RMSE分别为9.34 cm、2.92 cm和11.80 cm，误差标准差与静态试验接近，说明PPP-B2b在复杂环境下仍保持较好的解算稳定性和连续性。
**（三）模拟波浪实验**。将浮标固定于精度0.2 mm的精密升降平台上，以30 cm和50 cm固定振幅、6–10 s可调周期产生垂直正弦往复运动模拟浮标升沉，采样率1 Hz，积分频段0.05–0.5 Hz。测量得到的平均运动振幅与理论值相对偏差8.68%–13.77%，振幅RMSE为4.54 cm；测量周期与理论周期RMSE为0.147 s，验证了基于PPP-B2b高程数据反演波浪参数的有效性和准确性。
**（四）海上波浪与海面高度测量实验**。在天津滨海新区东江水域（渤海海域）采用小型浮标平台，对称安装两台PPP-B2b接收机，以2 Hz采样率开展24 h连续观测，与相距约70 m的紧耦合GNSS RTK/INS浮标进行对比。浮标设计采用约70 cm直径球形外壳，GNSS接收机和电池位于浮标中心附近，双侧对称安装天线。海面高度反演采用两天线高度平均消除平台倾斜一阶影响，扣除静态吃水与动态吃水后获得瞬时海面高程，再经0.00027 Hz截止频率低通滤波提取海面高度。结果显示海面高度RMSE为5.80 cm、标准差5.49 cm、最大误差12.87 cm。波浪参数以30 min窗口分割为48个子集进行统计，积频率范围0.04–0.67 Hz（对应周期1.5–25 s）。有效波高RMSE在过零法和谱分析法下分别为3.72 cm和4.33 cm，平均波周期RMSE分别为0.0916 s和0.0921 s，与参考值的相关系数均超过99%。
**（五）恶劣海况下的性能分析**。选取12:00–16:00时段分析了载体相位周跳的时变特征，发现强风浪期间周跳频率明显增高。为评估周跳影响，利用同一GNSS天线观测数据和附近地面参考站进行了事后动态（PPK）处理，得到的有效波高RMSE为4.95 cm（过零法）和6.09 cm（谱分析法）。PPP-B2b与PPK有效波高相关系数分别为99.90%和99.10%，说明PPP-B2b在恶劣海况下仍保持良好的波浪测量能力，但频繁周跳对其稳定性有一定影响。
**五、讨论与结论总结**
讨论部分指出，当前实海试验受样机续航能力限制仅持续约24 h，不足以进行可靠的潮汐调和分析和多种海况下的综合评估；改进的浮标样机配备更大容量电池和太阳能供电系统，以支持长期连续观测，未来将用于获取连续海面高度变化记录开展潮汐调和分析。此外，反演的海面高度变化和波浪参数代表真实海洋条件下浮标系统对海流、潮汐、涌浪、风浪等环境因素的综合响应，受观测时长限制和同步测量手段不足，目前无法独立分离各因素贡献，未来将引入独立观测仪器进一步研究。整体而言，基于PPP-B2b的GNSS浮标能够实现海面高度和波浪参数的一体化、实时、精确观测，为低成本海洋浮标网络和海洋综合观测提供了可行的技术途径；但在恶劣海况和短期GNSS信号中断情况下，PPP仍存在重新收敛问题，未来工作将通过融合多系统多频观测、PPP模糊度固定和惯性传感器辅助来提高方法的连续性和鲁棒性。
