Cryologger Glacier Velocity Tracker：一套成本不足 500 美元的开源冰川流速观测系统

“ Cryologger GVT 的目标只有一个：让任何科研团队、公民科学家甚至极客玩家，都能以低成本拿到专业级数据。 ”

背景

在极地或高山冰川开展长期流速观测，常依赖价格高昂、维护复杂的商用 GNSS 阵列。Cryologger Glacier Velocity Tracker（GVT）由 Adam Garbo 等人开发，以 Arduino 生态和 u-blox ZED-F9P 多频接收机为核心，试图为观测和监测冰冻圈提供一种低成本、易复制的替代方案。Cryologger 旨在收集高时间分辨率的速度测量数据，以评估加拿大北极地区冰川在每日时间尺度上的动态变化。

系统组成

Cryologger GVT 基于开源的 Arduino 平台 (www.arduino.cc)。代码使用 Arduino 集成开发环境 (IDE) 编写，并受益于社区生成的各种可用库。 Cryologger GVT 的设计考虑了几个关键原则，包括成本效益、功率效率、模块化、坚固性和易用性。它由现成的组件构成，不需要专门的工具或培训，使得研究人员、公民科学家和爱好者都能使用。这些选定的组件还能抵抗恶劣的环境条件，确保在寒冷天气下全年连续运行。

主要元件	型号	单价（美元，2023 年 12 月不含税）
微控制器	SparkFun MicroMod Artemis Processor	14.95
扩展底板	SparkFun MicroMod Data Logging Carrier	21.50
GNSS 模块	SparkFun GPS-RTK-SMA Breakout – ZED-F9P	274.95
GNSS 天线	SparkFun TOP106 L1/L2 测量天线	133.95
显示	SparkFun Qwiic OLED 0.96"	10.95
稳压	Pololu 5 V 600 mA DCDC	6.95
定制 PCB	Cryologger 板	5.00

底板包含 5.08 mm 螺丝端子、电池电压分压器

Cryologger GVT 最初计划安装在一个小型的电子设备外壳中，该外壳再安装于一个更大的户外部署用外壳内。

工作流程

首次通电时，Cryologger GVT 会尝试建立 GNSS 定位并同步 MicroMod Artemis 处理器的实时时钟 (RTC)，此过程最多持续 5 分钟。一旦 RTC 同步，系统将设置一个警报，在用户指定的时间唤醒，然后进入低功耗的深度睡眠模式。通常情况下，系统每天会唤醒一次，并将来自 u-blox GNSS 接收器的数据记录到 microSD 卡中，持续 3 小时。最终用户有三种不同的记录模式可供选择，可根据数据收集要求和可用电量进行调整。 

Cryologger GVT 的 2.2.1 及以上版本配备了 OLED 显示屏。此显示屏用于在操作的每个阶段向最终用户提供有关 Cryologger 状态的详细信息，包括启动、组件初始化、获取 GNSS 定位和数据记录。 除了 OLED 显示屏信息外，一系列 LED 闪烁模式也可用于指示系统操作，并在遇到任何错误时指导可能需要尝试的故障排除步骤。关于 LED 闪烁模式的详细表格，请参见 DEPLOYMENT.md 文档。 当系统处于深度睡眠状态时，一个看门狗计时器 (WDT) 会每 10 秒唤醒系统一次，检查程序是否冻结，并在必要时执行重置。这有助于确保系统的长期可靠性。

数据处理

• 原始文件：.ubx

• 转换：RTKLIB 或 Emlid Studio → RINEX

• 精密定位：加拿大 NRCan PPP 在线服务（免费）

• 结果：每日坐标精度 <3 cm（PPP 后处理）

现场部署

地点	机构	年份	备注
Lowell Glacier, Yukon	渥太华大学	2021–2022	两套设备全年运行
Belcher Glacier, Nunavut	滑铁卢大学	2021–2022	首次获得该冰川全年流速记录
多处冰川	卡尔顿大学、卡内基梅隆大学、弗里堡大学等	2021–2023	共 28 套

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在 2021 年至 2023 年间，多个学术机构共进行了 28 次 Cryologger GVT 的部署，其中包括渥太华大学、卡尔顿大学、滑铁卢大学（加拿大）、卡内基梅隆大学（美国）和弗里堡大学（瑞士）。这些部署是在几个地理位置不同的冰川上进行的，包括加拿大、美国和吉尔吉斯斯坦。下文将更详细地探讨渥太华大学和滑铁卢大学在加拿大育空地区和努纳武特地区的冰川上进行的两个部署案例。

2021 年至 2023 年间 Cryologger GVT 部署位置地图。

 

加拿大育空地区洛厄尔冰川 (Lowell Glacier)

2021 年在育空地区洛厄尔冰川进行的 Cryologger GVT 部署地图。

 

 加拿大努纳武特地区德文岛贝尔彻冰川 (Belcher Glacier)

2021 年在育空地区洛厄尔冰川和努纳武特地区德文岛贝尔彻冰川进行的 Cryologger GVT 部署地图。

 在努纳武特地区德文岛贝尔彻冰川部署“Belcher Lower” Cryologger GVT。

初步结果

下文介绍了 2021 年在加拿大育空地区克卢恩国家公园的洛厄尔冰川和努纳武特地区德文岛的贝尔彻冰川部署 Cryologger GVT 的初步结果。

加拿大育空地区洛厄尔冰川

在洛厄尔冰川的首次 Cryologger GVT 部署均取得了成功，实现了全年持续运行。 经过 PPP 处理的采集数据显示，部署在洛厄尔冰川的 GVT 能够实现精度小于 3 厘米的每日位置测量。每日位移范围在 0.25 – 4.4 米/天之间，年累积移动距离在 200 – 700 米/年之间。两个系统都显示出持续的冰川跃动周期的迹象，并且令人兴奋的是，它们还捕捉到了与当地降雨事件和底部滑动增强相关的冰川速度显著变化时期。

2021 年至 2022 年间记录的育空地区洛厄尔冰川的累积距离和每日位移。

 

 加拿大努纳武特地区德文岛贝尔彻冰川

在贝尔彻冰川部署的 Cryologger GVT 也成功实现了全年运行。2021-2022 年间收集的数据是贝尔彻冰川有史以来第一个不间断的年度速度记录。 经过 PPP 处理的数据显示，部署在贝尔彻冰川的 GVT 同样能够实现精度小于 3 厘米的每日位置测量。每日位移范围在 0.18 – 0.45 米/天之间，年累积移动距离在 75 – 150 米/年之间。这些结果也与利用合成孔径雷达 (SAR) 遥感数据得出的速度一致。

2021 年至 2022 年间记录的努纳武特地区德文岛贝尔彻冰川的累积距离和每日位移。

Cryologger GVT 的部署已经证明它们可以实现全年连续运行。使用精密单点定位技术处理的数据还表明，这些系统可以实现精度小于 3 厘米的每日位置测量。这些充满希望的结果表明，开源硬件和软件可以为冰川学监测提供一种可靠且具有成本效益的替代方案，以取代商业设备。

开源内容

仓库地址：

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

许可证：代码 GPL-3.0，硬件 CC BY-NC-SA 4.0

• /Hardware：KiCad 原理图、PCB 文件

• /Software：Arduino 固件、Python 后处理脚本

• /Documentation：装配、部署、故障排查指南

原理图 & PCB