CN102829770A

CN102829770A - Gps浮标测波方法和测波系统

Info

Publication number: CN102829770A
Application number: CN2012102955018A
Authority: CN
Inventors: 齐占辉; 张锁平
Original assignee: National Ocean Technology Center
Current assignee: National Ocean Technology Center
Priority date: 2012-08-20
Filing date: 2012-08-20
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2032-08-20
Also published as: CN102829770B

Abstract

本发明所涉及的GPS浮标测波方法和测波系统利用单点GPS测波浮标上的一个GPS接收机从多个GPS卫星接收GPS卫星信号，根据多普勒原理测量GPS卫星信号的载波频率变量，计算浮标的运动速度，继而计算出海浪谱和波浪参数。其测波方法包括采集GPS卫星信号、提取GPS载波频率变量、计算浮标运动速度、计算海浪谱、输出波浪参数。其测波系统包括海面GPS浮标装置以及计算机终端装置。GPS浮标装置内包括天线、太阳能板、电池和采集处理器。采集处理器包括GPS接收通信模块、微处理器。本发明的测波方法简易、测波系统安装维护方便，具有非常广阔的应用前景。

Description

GPS浮标测波方法和测波系统

技术领域

本发明涉及海洋波浪测量技术，特别是涉及采用GPS全球定位系统的浮标测波方法和测波系统。

背景技术

海洋观测技术是海洋资源开发和海洋权益保障的重要技术支撑，对我国的海防建设和海洋资源的利用和可持续发展具有十分重要的意义。

海洋波浪的产生与运动是海洋中最常见的物理现象之一，波浪测量对于海洋工程设计、海上运输和捕捞作业、海洋环境预报以及海洋科学研究等都非常重要。

测波浮标是目前常用的波浪观测仪器之一，用浮标观测波浪不受水深及一些环境因素的限制，因此测波浮标在波浪现场观测中得到较广泛的应用。测波浮标具有良好的随波运动特性，通过现场测量浮标的运动参数，获得波高、周期和波向等波浪信息。

现有利用浮标进行波浪观测的方法主要是利用海中浮标体内设置的带加速度计的测波传感器，测量浮标体随波浪的运动，自动记录波浪参数。

上述现有技术的利用浮标观测波浪的方法所用仪器设备复杂，传感器昂贵，增加了波浪观测的成本。

发明内容

针对现有技术利用浮标观测波浪的方法所存在的问题，本发明推出一种利用GPS(Global Positioning System，全球定位系统)浮标的测波方法和系统，其目的在于通过单点GPS测波浮标上的一个GPS接收机从多个GPS卫星接收GPS卫星信号，根据多普勒原理测量GPS卫星信号的载波频率变量，计算浮标的运动速度，继而计算出海浪谱和波浪参数。

本发明所涉及的GPS浮标测波方法包括以下步骤：

1、采集GPS卫星信号

用浮标中的单个GPS接收机上的信号接收模块从n颗GPS卫星接收GPS卫星信号，3<n<25。

2、提取GPS载波频率变量

根据卫星发射的载波信号频率f_i与GPS接收机接收到的卫星载波信号频率f_ri提取每颗卫星的GPS载波频率变量df_ri。GPS载波频率变量df_ri是GPS卫星与GPS接收机之间存在的相对运动而产生的载波频率差值。

df_ri=f_ri-f_i （1）

每颗GPS卫星发射的载波信号频率f_i是已知的，由卫星的技术文档直接得到。GPS接收机对接收到的每颗GPS卫星信号进行信号解调处理后得到接收到的GPS卫星的载波信号频率f_ri。

3、计算浮标运动速度

利用得到的n个GPS载波频率变量df_ri，根据GPS多普勒测速原理求出浮标的三维运动速度V₁、V₂、V₃。其中，V₁表示浮标在东西方向上的运动速度，V₂表示浮标在南北方向上的运动速度，V₃表示浮标在垂直方向上的速度。

4、计算海浪谱

根据浮标的运动速度V₁、V₂、V₃,执行经典的海浪谱分析方法，求出波浪的一维波谱S(f)和方向波谱S(f，θ)。

5、输出波浪参数

根据海浪谱计算出波浪参数，并将获取的波浪参数输出。由波浪的一维波谱S(f)求得波浪的波高、周期，由方向波谱S(f，θ)求得波浪传播方向。

平均波高：

\overset{&OverBar;}{H} = \sqrt{2 π m_{0}} - - - (2)

平均周期：

\overset{&OverBar;}{T} = 2 π \sqrt{\frac{m_{0}}{m}} - - - (3)

有效波高：

H_{s} = 4 \sqrt{m_{0}} - - - (4)

其中m_n为波浪波面位移能量密度谱的n阶谱距，由下面公式给出：

m_{n} = {&Integral;}_{0}^{\infty} ω^{n} S (ω) dω - - - (5)

其中

S (ω) = \frac{S (f)}{2 π} - - - (6)

方向波谱S(f，θ)是一维波谱S(f)与方向分布函数D(θ,f)的乘积，如公式（7）所示：

S(f，θ)=S(f)D(θ,f) （7）

方向分布函数D(θ，f)根据公式（7）求得，即得到了成分波来自于哪些方向。

本发明所涉及的GPS浮标测波系统包括海面GPS浮标装置以及提取测量结果的远程计算机终端装置。海面GPS浮标装置包括外壳为透明壳体的GPS浮标体，GPS浮标体由锚系留，GPS浮标体内设置天线、太阳能板、电池和采集处理器。采集处理器包括GPS接收通信模块、微处理器，GPS接收通信模块从GPS卫星接收GPS信号并执行数据传输，输出波浪参数，微处理器执行数据采集、存贮、处理和控制。现场采用无线通信网络把波浪参数传输到岸上的计算机终端，GPS测波浮标装有的GPS接收通信模块具有定位功能，便于GPS测波浮标丢失后的定位和查找。

本发明所涉及的GPS浮标测波方法,直接用GPS卫星信号测量海浪参数，不需要其他传感器，测波方法便捷。所涉及的测波系统只需要在测波浮标上安装一个GPS接收机，不需要其他的辅助传感器，硬件电路简单，制作成本大大降低。单点GPS测波浮标体积小，重量轻，布放简单方便。单点GPS测波浮标不需要进行定期的标定，内部的GPS接收机不需要修正和校正，安装维护方便。本发明所涉及的GPS浮标测波方法,可以对岸用和船用X波段导航雷达和其他遥感遥测方式测量波浪现场的校正，有非常广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明涉及的GPS浮标测波方法的流程图；

图2为本发明涉及的GPS浮标测波系统的框图；

图3为本发明涉及的GPS浮标的示意图。

附图中标记说明：

S1、采集GPS卫星信号

S2、提取GPS载波频率变量

S3、计算浮标运动速度

S4、计算海浪谱

S5、输出波浪参数。

具体实施方式：

下面结合图1对GPS浮标测波方法作进一步的说明：

首先采集GPS卫星信号（S1）是用GPS浮标中的单个GPS接收机上的卫星信号接收模块接收n（3<n<25）颗GPS卫星信号；接着提取GPS载波频率变量（S2）是用GPS接收机的内部硬件电路对接收到的GPS卫星信号进行信号解调处理等操作后得到接收到的每颗GPS卫星的载波信号频率f_ri，每颗GPS卫星发射的载波信号频率f_i根据技术文档直接得到，则接收到的每颗GPS卫星的载波频率变量df_ri由公式(1)得到，这样就得到了n个载波频率变量df_ri，i=1,2,3,...n；接着计算浮标运动速度（S3）是根据多普勒测速原理，由公式(8)计算得到:

e_{i 1} V_{1} + e_{i 2} V_{2} + e_{i 3} V_{3} - cΔ t_{R}^{'} = e_{i 1} x_{i}^{'} + e_{i 2} y_{i}^{'} + e_{i 3} z_{i}^{'} - \frac{c}{f_{i}} {df}_{ri}, (i = 1,2,3, . . . . . ., n) - - - (8)

其中c为光速，

e_{i 1} = \frac{x_{i} - x}{\sqrt{{(x_{i} - x)}^{2} + {(y_{i} - y)}^{2} + {(z_{i} - z)}^{2}}},

e_{i 2} = \frac{y_{i} - y}{\sqrt{{(x_{i} - x)}^{2} + {(y_{i} - y)}^{2} + {(z_{i} - z)}^{2}}},

e_{i 3} = \frac{z_{i} - z}{\sqrt{{(x_{i} - x)}^{2} + {(y_{i} - y)}^{2} + {(z_{i} - z)}^{2}}},

(x′_i,y′_i,z′_i)为第i颗GPS卫星的运动速度，根据星历表直接求得，(x_i,y_i,z_i)为第i颗GPS卫星的位置坐标，根据星历导航电文直接得到，(x，y，z)为GPS接收机的位置坐标，由GPS接收机根据接收到的卫星信号直接解算得到，V₁、V₂、V₃为浮标的运动速度，Δt′_R为GPS接收机钟差变化率，在公式（8）中有V₁、V₂、V₃、Δt′_R共4个待求的未知量,写成矩阵形式为：AX=L，其中

X = [\begin{matrix} V_{1} \\ V_{2} \\ V_{3} \\ cΔ t_{R}^{'} \end{matrix}],

A = [\begin{matrix} e_{11} & e_{12} & e_{13} & - 1 \\ e_{21} & e_{22} & e_{23} & - 1 \\ . . . & . . . & . . . & . . . \\ . . . & . . . & . . . & . . . \\ e_{n 1} & e_{n 2} & e_{n 3} & - 1 \end{matrix}],

L = [\begin{matrix} e_{11} x_{1}^{'} + e_{12} y_{1}^{'} + e_{13} z_{1}^{'} - \frac{c}{f_{1}} d f_{r 1} \\ e_{21} x_{2}^{'} + e_{22} y_{2}^{'} + e_{23} z_{2}^{'} - \frac{c}{f_{2}} d f_{r 2} \\ . . . . . . \\ . . . . . . \\ e_{n 1} x_{n}^{'} + e_{n 2} y_{n}^{'} + e_{n 3} z_{n}^{'} - \frac{c}{f_{n}} {df}_{rn} \end{matrix}],

则未知量X=(A^TA)^-1A^TL，即求出了浮标的运动速度V₁、V₂、V₃；下面分别以GPS接收机分别接收到4颗、8颗、12颗GPS卫星为例，说明求解浮标运动速度V₁、V₂、V₃的过程。

当GPS接收机接收到4颗GPS卫星即n=4时,列出包含以下4个方程的方程组为:

e_{11} V_{1} + e_{12} V_{2} + e_{13} V_{3} - cΔ t_{R}^{'} = e_{11} x_{1}^{'} + e_{12} y_{1}^{'} + e_{13} z_{1}^{'} - \frac{c}{f_{1}} d f_{r 1}

e_{21} V_{1} + e_{22} V_{2} + e_{23} V_{3} - cΔ t_{R}^{'} = e_{21} x_{2}^{'} + e_{22} y_{2}^{'} + e_{23} z_{2}^{'} - \frac{c}{f_{2}} {df}_{r 2}

e_{31} V_{1} + e_{32} V_{2} + e_{33} V_{3} - cΔ t_{R}^{'} = e_{31} x_{3}^{'} + e_{32} y_{3}^{'} + e_{33} z_{3}^{'} - \frac{c}{f_{3}} {df}_{r 3}

e_{41} V_{1} + e_{42} V_{2} + e_{43} V_{3} - cΔ t_{R}^{'} = e_{41} x_{4}^{'} + e_{42} y_{4}^{'} + e_{43} z_{4}^{'} - \frac{c}{f_{4}} {df}_{r 4}

解上面的方程组求出浮标的运动速度V₁、V₂、V₃；

当GPS接收机接收到8颗GPS卫星即n=8时,列出包含以下8个方程的方程组为:

e_{11} V_{1} + e_{12} V_{2} + e_{13} V_{3} - cΔ t_{R}^{'} = e_{11} x_{1}^{'} + e_{12} y_{1}^{'} + e_{13} z_{1}^{'} - \frac{c}{f_{1}} {df}_{r 1}

e_{21} V_{1} + e_{22} V_{2} + e_{23} V_{3} - cΔ t_{R}^{'} = e_{21} x_{2}^{'} + e_{22} y_{2}^{'} + e_{23} z_{2}^{'} - \frac{c}{f_{2}} {df}_{r 2}

e_{31} V_{1} + e_{32} V_{2} + e_{33} V_{3} - cΔ t_{R}^{'} = e_{31} x_{3}^{'} + e_{32} y_{3}^{'} + e_{33} z_{3}^{'} - \frac{c}{f_{3}} {df}_{r 3}

e_{41} V_{1} + e_{42} V_{2} + e_{43} V_{3} - cΔ t_{R}^{'} = e_{41} x_{4}^{'} + e_{42} y_{4}^{'} + e_{43} z_{4}^{'} - \frac{c}{f_{4}} {df}_{r 4}

e_{51} V_{1} + e_{52} V_{2} + e_{53} V_{3} - cΔ t_{R}^{'} = e_{51} x_{5}^{'} + e_{52} y_{5}^{'} + e_{53} z_{5}^{'} - \frac{c}{f_{5}} {df}_{r 5}

e_{61} V_{1} + e_{62} V_{2} + e_{63} V_{3} - cΔ t_{R}^{'} = e_{61} x_{6}^{'} + e_{62} y_{6}^{'} + e_{63} z_{6}^{'} - \frac{c}{f_{6}} {df}_{r 6}

e_{71} V_{1} + e_{72} V_{2} + e_{73} V_{3} - cΔ t_{R}^{'} = e_{71} x_{7}^{'} + e_{72} y_{7}^{'} + e_{73} z_{7}^{'} - \frac{c}{f_{7}} {df}_{r 7}

e_{81} V_{1} + e_{82} V_{2} + e_{83} V_{3} - cΔ t_{R}^{'} = e_{81} x_{8}^{'} + e_{82} y_{8}^{'} + e_{83} z_{8}^{'} - \frac{c}{f_{8}} {df}_{r 8}

解上面的方程组求出浮标的运动速度V₁、V₂、V₃。

当GPS接收机接收到12颗GPS卫星即n=12时,列出包含以下12个方程的方程组为:

e_{11} V_{1} + e_{12} V_{2} + e_{13} V_{3} - cΔ t_{R}^{'} = e_{11} x_{1}^{'} + e_{12} y_{1}^{'} + e_{13} z_{1}^{'} - \frac{c}{f_{1}} {df}_{r 1}

e_{21} V_{1} + e_{22} V_{2} + e_{23} V_{3} - cΔ t_{R}^{'} = e_{21} x_{2}^{'} + e_{22} y_{2}^{'} + e_{23} z_{2}^{'} - \frac{c}{f_{2}} {df}_{r 2}

e_{31} V_{1} + e_{32} V_{2} + e_{33} V_{3} - cΔ t_{R}^{'} = e_{31} x_{3}^{'} + e_{32} y_{3}^{'} + e_{33} z_{3}^{'} - \frac{c}{f_{3}} {df}_{r 3}

e_{41} V_{1} + e_{42} V_{2} + e_{43} V_{3} - cΔ t_{R}^{'} = e_{41} x_{4}^{'} + e_{42} y_{4}^{'} + e_{43} z_{4}^{'} - \frac{c}{f_{4}} {df}_{r 4}

e_{51} V_{1} + e_{52} V_{2} + e_{53} V_{3} - cΔ t_{R}^{'} = e_{51} x_{5}^{'} + e_{52} y_{5}^{'} + e_{53} z_{5}^{'} - \frac{c}{f_{5}} {df}_{r 5}

e_{61} V_{1} + e_{62} V_{2} + e_{63} V_{3} - cΔ t_{R}^{'} = e_{61} x_{6}^{'} + e_{62} y_{6}^{'} + e_{63} z_{6}^{'} - \frac{c}{f_{6}} {df}_{r 6}

e_{71} V_{1} + e_{72} V_{2} + e_{73} V_{3} - cΔ t_{R}^{'} = e_{71} x_{7}^{'} + e_{72} y_{7}^{'} + e_{73} z_{7}^{'} - \frac{c}{f_{7}} {df}_{r 7}

e_{81} V_{1} + e_{82} V_{2} + e_{83} V_{3} - cΔ t_{R}^{'} = e_{81} x_{8}^{'} + e_{82} y_{8}^{'} + e_{83} z_{8}^{'} - \frac{c}{f_{8}} {df}_{r 8}

e_{91} V_{1} + e_{92} V_{2} + e_{93} V_{3} - cΔ t_{R}^{'} = e_{91} x_{9}^{'} + e_{92} y_{9}^{'} + e_{93} z_{9}^{'} - \frac{c}{f_{9}} {df}_{r 9}

e_{101} V_{1} + e_{102} V_{2} + e_{103} V_{3} - cΔ t_{R}^{'} = e_{101} x_{10}^{'} + e_{102} y_{10}^{'} + e_{103} z_{10}^{'} - \frac{c}{f_{10}} {df}_{r 10}

e_{111} V_{1} + e_{112} V_{2} + e_{113} V_{3} - cΔ t_{R}^{'} = e_{111} x_{11}^{'} + e_{112} y_{11}^{'} + e_{113} z_{11}^{'} - \frac{c}{f_{11}} {df}_{r 11}

e_{121} V_{1} + e_{122} V_{2} + e_{123} V_{3} - cΔ t_{R}^{'} = e_{121} x_{12}^{'} + e_{122} y_{12}^{'} + e_{123} z_{12}^{'} - \frac{c}{f_{12}} {df}_{r 12}

解上面的方程组求出浮标的运动速度V₁、V₂、V₃。

当GPS接收机分别接收到5、6、7、9、10、11、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24颗GPS卫星时，求浮标运动速度V₁、V₂、V₃的过程可以参考分别接收到4、8、12颗GPS卫星求浮标运动速度V₁、V₂、V₃的过程；

然后计算海浪谱（S4）是求出浮标运动速度V₁、V₂、V₃后,根据经典的海浪谱分析方法求出波浪的一维波谱S(f)和方向波谱S(f，θ)；最后输出波浪参数（S5）根据公式（2）、公式（3）、公式（4）、公式（5）、公式（6）、公式（7）求出波浪的波高、周期和波向，并把它们输出；

下面结合图2、图3对GPS浮标测波系统作进一步的说明：

GPS浮标测波系统的海面GPS浮标装置由电池供电，首先海面GPS浮标装置的GPS接收模块接收多颗GPS卫星信号，接着多颗GPS卫星信号进入海面GPS浮标装置的微处理器并经过微处理器处理后输出波浪参数，最后波浪参数利用海面GPS浮标装置上的通信模块经过公共无线通信网传输到GPS浮标测波系统的计算机终端装置上。

Claims

1.一种GPS浮标测波方法，其特征在于：步骤包括采集GPS卫星信号（S1）、提取GPS载波频率变量（S2）、计算浮标运动速度（S3）、计算海浪谱（S4）、输出波浪参数（S5）；采集GPS卫星信号（S1），用浮标的单个GPS接收机的信号接收模块从n颗GPS卫星接收GPS卫星信号，3<n<25；提取GPS载波频率变量（S2），GPS载波频率变量df_ri是GPS卫星发射的载波信号频率f_i与GPS接收机接收到的卫星载波信号频率f_ri的载波频率差值；计算浮标运动速度（S3），利用得到的n个GPS载波频率变量df_ri，根据GPS多普勒测速原理求出浮标的三维运动速度V₁、V₂、V₃；计算海浪谱（S4），根据浮标的运动速度V₁、V₂、V₃,执行经典的海浪谱分析方法，求出波浪的一维波谱S(f)和方向波谱S(f，θ)；输出波浪参数（S5），根据海浪谱计算出波浪参数并将获取的波浪参数输出。

2.根据权利要求1所述的GPS浮标测波方法，其特征在于，所述计算浮标运动速度（S3）中求出的浮标三维运动速度V₁、V₂、V₃，分别是V₁表示浮标在东西方向上的运动速度，V₂表示浮标在南北方向上的运动速度，V₃表示浮标在垂直方向上的速度。

3.根据权利要求1所述的GPS浮标测波方法，其特征在于，所述根据海浪谱计算出波浪参数，由波浪的一维波谱S(f)求得波浪的波高、周期，由方向波谱S(f，θ)求得波浪传播方向。

4.一种实施权利要求1所述的GPS浮标测波方法的GPS浮标测波系统，其特征在于，包括海面GPS浮标装置以及提取测量结果的远程计算机终端装置；GPS浮标体内包括天线、太阳能板、电池和采集处理器；采集处理器包括GPS接收通信模块、微处理器；GPS接收通信模块从GPS卫星接收GPS信号并执行数据传输，输出波浪参数，微处理器执行数据采集、存贮、处理和控制；现场采用无线通信技术把波浪参数传输到岸上的计算机终端，GPS测波浮标装有的GPS接收通信模块具有定位功能，便于GPS测波浮标丢失后的定位和查找。