“Cryologger GVT 的目標(biāo)只有一個(gè)：讓任何科研團(tuán)隊(duì)、公民科學(xué)家甚至極客玩家，都能以低成本拿到專業(yè)級數(shù)據(jù)。”

在極地或高山冰川開展長期流速觀測，常依賴價(jià)格高昂、維護(hù)復(fù)雜的商用 GNSS 陣列。Cryologger Glacier Velocity Tracker（GVT）由 Adam Garbo 等人開發(fā)，以 Arduino 生態(tài)和 u-blox ZED-F9P 多頻接收機(jī)為核心，試圖為觀測和監(jiān)測冰凍圈提供一種低成本、易復(fù)制的替代方案。Cryologger 旨在收集高時(shí)間分辨率的速度測量數(shù)據(jù)，以評估加拿大北極地區(qū)冰川在每日時(shí)間尺度上的動(dòng)態(tài)變化。

系統(tǒng)組成

Cryologger GVT 基于開源的 Arduino 平臺(tái) (www.arduino.cc)。代碼使用 Arduino 集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 編寫，并受益于社區(qū)生成的各種可用庫。 Cryologger GVT 的設(shè)計(jì)考慮了幾個(gè)關(guān)鍵原則，包括成本效益、功率效率、模塊化、堅(jiān)固性和易用性。它由現(xiàn)成的組件構(gòu)成，不需要專門的工具或培訓(xùn)，使得研究人員、公民科學(xué)家和愛好者都能使用。這些選定的組件還能抵抗惡劣的環(huán)境條件，確保在寒冷天氣下全年連續(xù)運(yùn)行。

底板包含 5.08 mm 螺絲端子、電池電壓分壓器

Cryologger GVT 最初計(jì)劃安裝在一個(gè)小型的電子設(shè)備外殼中，該外殼再安裝于一個(gè)更大的戶外部署用外殼內(nèi)。

工作流程

首次通電時(shí)，Cryologger GVT 會(huì)嘗試建立 GNSS 定位并同步 MicroMod Artemis 處理器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘 (RTC)，此過程最多持續(xù) 5 分鐘。一旦 RTC 同步，系統(tǒng)將設(shè)置一個(gè)警報(bào)，在用戶指定的時(shí)間喚醒，然后進(jìn)入低功耗的深度睡眠模式。通常情況下，系統(tǒng)每天會(huì)喚醒一次，并將來自 u-blox GNSS 接收器的數(shù)據(jù)記錄到 microSD 卡中，持續(xù) 3 小時(shí)。最終用戶有三種不同的記錄模式可供選擇，可根據(jù)數(shù)據(jù)收集要求和可用電量進(jìn)行調(diào)整。

Cryologger GVT 的 2.2.1 及以上版本配備了 OLED 顯示屏。此顯示屏用于在操作的每個(gè)階段向最終用戶提供有關(guān) Cryologger 狀態(tài)的詳細(xì)信息，包括啟動(dòng)、組件初始化、獲取 GNSS 定位和數(shù)據(jù)記錄。 除了 OLED 顯示屏信息外，一系列 LED 閃爍模式也可用于指示系統(tǒng)操作，并在遇到任何錯(cuò)誤時(shí)指導(dǎo)可能需要嘗試的故障排除步驟。關(guān)于 LED 閃爍模式的詳細(xì)表格，請參見 DEPLOYMENT.md 文檔。 當(dāng)系統(tǒng)處于深度睡眠狀態(tài)時(shí)，一個(gè)看門狗計(jì)時(shí)器 (WDT) 會(huì)每 10 秒喚醒系統(tǒng)一次，檢查程序是否凍結(jié)，并在必要時(shí)執(zhí)行重置。這有助于確保系統(tǒng)的長期可靠性。

數(shù)據(jù)處理

• 原始文件：.ubx

• 轉(zhuǎn)換：RTKLIB 或 Emlid Studio → RINEX

• 精密定位：加拿大 NRCan PPP 在線服務(wù)（免費(fèi)）

• 結(jié)果：每日坐標(biāo)精度 <3 cm（PPP 后處理）

現(xiàn)場部署

在 2021 年至 2023 年間，多個(gè)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)共進(jìn)行了 28 次 Cryologger GVT 的部署，其中包括渥太華大學(xué)、卡爾頓大學(xué)、滑鐵盧大學(xué)（加拿大）、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（美國）和弗里堡大學(xué)（瑞士）。這些部署是在幾個(gè)地理位置不同的冰川上進(jìn)行的，包括加拿大、美國和吉爾吉斯斯坦。下文將更詳細(xì)地探討渥太華大學(xué)和滑鐵盧大學(xué)在加拿大育空地區(qū)和努納武特地區(qū)的冰川上進(jìn)行的兩個(gè)部署案例。

2021 年至 2023 年間 Cryologger GVT 部署位置地圖。

加拿大育空地區(qū)洛厄爾冰川 (Lowell Glacier)

2021 年在育空地區(qū)洛厄爾冰川進(jìn)行的 Cryologger GVT 部署地圖。

加拿大努納武特地區(qū)德文島貝爾徹冰川 (Belcher Glacier)

2021 年在育空地區(qū)洛厄爾冰川和努納武特地區(qū)德文島貝爾徹冰川進(jìn)行的 Cryologger GVT 部署地圖。

在努納武特地區(qū)德文島貝爾徹冰川部署“Belcher Lower” Cryologger GVT。

初步結(jié)果

下文介紹了 2021 年在加拿大育空地區(qū)克盧恩國家公園的洛厄爾冰川和努納武特地區(qū)德文島的貝爾徹冰川部署 Cryologger GVT 的初步結(jié)果。

加拿大育空地區(qū)洛厄爾冰川

在洛厄爾冰川的首次 Cryologger GVT 部署均取得了成功，實(shí)現(xiàn)了全年持續(xù)運(yùn)行。 經(jīng)過 PPP 處理的采集數(shù)據(jù)顯示，部署在洛厄爾冰川的 GVT 能夠?qū)崿F(xiàn)精度小于 3 厘米的每日位置測量。每日位移范圍在 0.25 – 4.4 米/天之間，年累積移動(dòng)距離在 200 – 700 米/年之間。兩個(gè)系統(tǒng)都顯示出持續(xù)的冰川躍動(dòng)周期的跡象，并且令人興奮的是，它們還捕捉到了與當(dāng)?shù)亟涤晔录偷撞炕瑒?dòng)增強(qiáng)相關(guān)的冰川速度顯著變化時(shí)期。

2021 年至 2022 年間記錄的育空地區(qū)洛厄爾冰川的累積距離和每日位移。

加拿大努納武特地區(qū)德文島貝爾徹冰川

在貝爾徹冰川部署的 Cryologger GVT 也成功實(shí)現(xiàn)了全年運(yùn)行。2021-2022 年間收集的數(shù)據(jù)是貝爾徹冰川有史以來第一個(gè)不間斷的年度速度記錄。 經(jīng)過 PPP 處理的數(shù)據(jù)顯示，部署在貝爾徹冰川的 GVT 同樣能夠?qū)崿F(xiàn)精度小于 3 厘米的每日位置測量。每日位移范圍在 0.18 – 0.45 米/天之間，年累積移動(dòng)距離在 75 – 150 米/年之間。這些結(jié)果也與利用合成孔徑雷達(dá) (SAR) 遙感數(shù)據(jù)得出的速度一致。

2021 年至 2022 年間記錄的努納武特地區(qū)德文島貝爾徹冰川的累積距離和每日位移。

Cryologger GVT 的部署已經(jīng)證明它們可以實(shí)現(xiàn)全年連續(xù)運(yùn)行。使用精密單點(diǎn)定位技術(shù)處理的數(shù)據(jù)還表明，這些系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)精度小于 3 厘米的每日位置測量。這些充滿希望的結(jié)果表明，開源硬件和軟件可以為冰川學(xué)監(jiān)測提供一種可靠且具有成本效益的替代方案，以取代商業(yè)設(shè)備。

開源內(nèi)容

倉庫地址：

https://github.com/cryologger/glacier-velocity-tracker

許可證：代碼 GPL-3.0，硬件 CC BY-NC-SA 4.0

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