CN106441244B - 一种基于卫星定位系统的潮汐预报装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于卫星定位系统的潮汐预报装置，该装置包括卫星定位单元、潮汐预报单元和数据传输单元，潮汐预报使用的潮汐调和常数由二维潮波伴随同化模型计算获取。该装置首先通过卫星定位单元进行GPS的实时定位或北斗的请求定位，对定位信息进行检测、分析，并将定位信息发送至潮汐预报单元；然后依据卫星定位信息和潮汐预报单元存储的潮汐调和常数数据，由潮汐计算程序对该位置进行实时的潮汐预报；最后通过数据传输单元的串行数据接口输出预报数据。本发明填补了目前市场上没有科学实用的潮汐预报装置的空白，可实现对海上任意位置、任意时刻潮汐科学预报的功能，达到为航运、生产、海洋测绘等提供实时潮汐预报服务的目的。

Description

一种基于卫星定位系统的潮汐预报装置

技术领域

本发明涉及海洋监测技术和资源与环境领域，具体涉及一种基于卫星定位系统的潮汐预报装置。

背景技术

潮汐的实时、准确预报对于航运、生产、海洋测绘等具有重要意义。潮汐会改变航行区域的水深，进而影响船舶航行的经济性和安全性：在航运方面，有些水道和港湾须在高潮前后才能航行和进出港；在军事方面，有时为了选择有利的登陆地点和时间，就必须准确对潮汐进行预报；在生产方面，沿海的渔业、水产养殖业、农业、盐业、资源开发、港口工程建设、环境保护和潮汐发电等，都要求掌握潮汐变化的特征和规律。

潮汐对于多波束测深具有至关重要的影响，多波束测深是一种具有高效率、高精度和高分辨率的海底地形测量技术，目前浅水多波束测深系统已广泛应用于重要的海峡、航道、港口、码头和锚地等海区，在大陆架和专属经济区勘测、海上油田的井场调查、海底管路由调查等方面，多波束测深系统也得到了大量的应用。在多波束测深精度的多种影响因素中，潮汐校正是否科学准确对其条带的拼接具有重要影响，是影响多波束测深精度的最主要因素之一。

由于潮汐观测资料极其有限，若想掌握大面积潮汐的分布特征和变化规律，就必须借助潮波动力学的基本方程组进行数值计算，即潮波数值模拟。潮波数值模拟中的一个主要难点在于开边界和底摩擦条件的确定。在一般的数值模拟工作中，对开边界和底摩擦的处理主要是依靠经验的积累和主观的判断，工作量大并且难以取得更好的结果，而潮波伴随同化模型(参考文献[1-19])可以把开边界和底摩擦条件的确定变成依赖于区域内部观测值的数值迭代过程，实现了确定开边界和底摩擦条件的自动化。依据二维潮波伴随同化模型所得到的结果与一般的数值模拟方法所得到的结果相比，数值模拟结果与观测结果的误差总体上是最小的。

虽然国内学者对中国近海的潮波做了大量的理论研究和数值计算工作，计算精度已经达到实用化要求，但目前市场上却没有对海上任意位置潮汐进行实时预报的装置和方法。现有的潮汐预报数据产品如潮汐表等仅能预报沿海某些地点在未来一定时期内每天的潮汐情况，尚不能预报任意位置、任意时刻的潮汐，对于航运、生产、海洋测绘等需要实时获取所关注区域位置潮汐的需求无法满足。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于卫星定位系统的潮汐预报装置，本装置能够在二维潮波伴随同化模型获取的高精度潮汐调和常数的基础上，采用卫星定位系统实时获取高精度的卫星定位信息，并依据卫星定位信息和潮汐调和常数等数据，实现对该位置潮汐的实时预报及预报数据的实时输出。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于卫星定位系统的潮汐预报装置，包括卫星定位单元、潮汐预报单元和数据传输单元，其中：

所述卫星定位单元包括GPS模块、北斗模块和定位信息控制模块，用于进行GPS的实时定位或北斗的请求定位，对定位信息进行检测、分析，并将定位信息发送至潮汐预报单元；

所述潮汐预报单元包括数据存储模块和潮汐计算模块，用于进行实时的潮汐数值预报，依据存储的潮汐调和常数数据和卫星定位单元发送的定位信息，预报该位置、该时刻的潮汐情况；

所述数据传输单元，用于与所述潮汐预报单元进行数据的交互，并输出潮汐预报数据。

进一步的，所述GPS模块，用于接收GPS卫星信号，同时进行GPS定位计算，并将定位信息发送至定位信息控制模块；

进一步的，所述北斗模块，用于与北斗卫星进行信息交互，向北斗卫星发送定位请求及接收定位信息，并将定位信息发送至定位信息控制模块；

进一步的，所述定位信息控制模块，用于对定位信息进行检测、分析，将接收的北斗定位信息或分析处理后的GPS定位信息发送至潮汐预报单元。

进一步的，所述数据存储模块，用于存储卫星定位信息、潮汐调和常数数据以及潮汐预报数据；

进一步的，所述潮汐计算模块，包含潮汐计算程序，用于在读取数据存储模块内的卫星定位信息及潮汐调和常数数据的基础上，进行实时的潮汐预报。

进一步的，所述数据传输单元包括串行数据接口，用于所述数据存储模块内的潮汐调和常数数据及卫星定位信息等数据的交互，可输出潮汐预报数据。

进一步的，所述卫星定位信息包括当前的时间、经度、纬度、高度、航向和航速等信息之一或它们的组合。

进一步的，所述潮汐计算程序以潮汐调和常数和卫星定位信息为输入数据，所述潮汐调和常数包括分潮振幅和迟角，通过二维潮波伴随同化模型同化验潮站和卫星高度计数据获取。

进一步的，所述基于卫星定位系统的潮汐预报装置还包括内置电池和电源稳压模块，其中，所述内置电池和稳压模块同时与电源相连，作为可充电的备用电源，在无法满足供电要求时，提供备用电源。

本发明的有益效果是：

本发明填补了目前市场上没有科学实用的潮汐预报装置的空白，可实现对海上任意位置、任意时刻潮汐的科学预报，达到为航运、生产、海洋测绘等提供实时潮汐预报服务的目的，此外，本发明可以促进潮汐理论研究成果的市场化转化，创造可观的社会和经济效益。

附图说明

图1是基于卫星定位系统的潮汐预报装置的具体结构图。

其中，1-GPS卫星，2-北斗卫星，3-卫星定位单元，4-GPS模块，5-北斗模块，6-定位信息控制模块，7-水深数据，8-验潮站和卫星高度计数据，9-潮汐预报单元，10-潮汐计算模块，11-数据存储模块，12-卫星定位信息，13-潮汐调和常数，14-潮汐预报数据，15-二位潮波伴随同化模型，16-数据传输单元。

具体实施方式：

为使本发明的使用过程、技术方案和有益效果更加清晰，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。

为了解决实时预报海上任意位置潮汐的问题，实现为航运、生产、海洋测绘等提供实时潮汐预报服务的目的，本发明提供了一种基于卫星定位系统的潮汐预报装置。如图1所示，该装置包括卫星定位单元3、潮汐预报单元9和数据传输单元16，其中：

所述卫星定位单元3包括GPS模块4、北斗模块5和定位信息控制模块6，所述卫星定位单元3用于进行GPS的实时定位或北斗的请求定位，对定位信息进行检测、分析，并将定位信息发送至潮汐预报单元；

所述潮汐预报单元9包括数据存储模块11和潮汐计算模块10，用于进行实时的潮汐数值预报，依据存储的潮汐调和常数13的数据和卫星定位单元发送的定位信息，预报该位置、该时刻的潮汐情况；

所述数据传输单元16，用于与所述潮汐预报单元9进行数据的交互，并输出潮汐预报数据。

进一步的，所述GPS模块4，用于接收GPS卫星信号，同时进行GPS定位计算，并将定位信息发送至定位信息控制模块7；

进一步的，所述北斗模块5，用于与北斗卫星2进行信息交互，向北斗卫星2发送定位请求及接收定位信息，并将定位信息发送至定位信息控制模块6；

进一步的，所述定位信息控制模块6，用于对定位信息进行检测、分析，将接收的北斗定位信息或分析处理后的GPS定位信息发送至潮汐预报单元9。

进一步的，所述数据存储模块11，用于存储卫星定位信息12、潮汐调和常数13的数据以及潮汐预报数据14；

进一步的，所述潮汐计算模块10，用于在读取数据存储模块11内的卫星定位信息及潮汐调和常数13的数据的基础上，进行实时的潮汐预报。

进一步的，所述数据传输单元16包括串行数据接口，用于与所述数据存储模块11内的潮汐调和常数13的数据及卫星定位信息12等数据的交互，可输出潮汐预报数据。

进一步的，所述卫星定位信息12包括当前的时间、经度、纬度、高度、航向和航速等信息之一或它们的组合。

进一步的，所述潮汐计算模块10以潮汐调和常数13和卫星定位信息12为输入数据，所述潮汐调和常数13包括分潮振幅和迟角，通过二维潮波伴随同化模型同化验潮站和卫星高度计数据获取。

进一步的，所述基于卫星定位系统的潮汐预报装置还包括内置电池和电源稳压模块，其中，所述内置电池和稳压模块同时与电源相连，作为可充电的备用电源，在无法满足供电要求时，提供备用电源。

该装置的工作流程为：装置启动后，首先通过卫星定位单元3进行GPS的实时定位或北斗的请求定位，对定位信息进行检测、分析，并将定位信息发送至潮汐预报单元9；然后依据潮汐预报单元9存储的潮汐调和常数13数据和卫星定位单元3发送的卫星定位信息12，由潮汐计算模块10对该位置进行实时的潮汐预报；最后通过数据传输单元16的串行数据接口输出预报数据。

本实施算例通过同化T/P高度计资料提供的潮汐调和常数，优化模式开边界条件及空间分布的底摩擦系数，分别模拟了渤、黄、东海(模拟范围：117.50-131.5°E，24-41°N，分辨率1/12°)和南海(模拟范围：99°-121°E，2°-25°N，分辨率：1/6°)的M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1共8个分潮，得到各分潮在计算网格点的潮汐调和常数(振幅、迟角)。任意位置的调和常数采用距离加权反比法插值获取，预报的时间间隔可通过潮汐计算程序的参数文件设置。

下面给出二维潮波伴随同化模型及潮汐计算模块计算过程的具体介绍：

1、潮汐模型控制方程及其数值解

计算所依据的二维潮波控制方程为：

其中t代表时间；x,y是Cartesian坐标，本计算中分别取向东和向北为正；h(x,y)表示(x,y)处的静水深度；ζ(x,y,t)表示自由表面相对于静止位置的升高；u(x,y,t)和v(x,y,t)分别表示潮流在x,y方向的分量；f≡2Ωsinφ是Coriolis参数，Ω是地球自转角速度，φ是地理纬度；k是底摩擦系数，A是侧向涡动粘性系数；是考虑了固体潮效应后的引潮势。

对于半日分潮：

对于全日分潮：

其中，φ为纬度；χ为经度；V_n为天文初相角；k、h'、H_n取值如表1：

表1各分潮k、h'、H_n取值

分潮	k	h'	Hn
				M2	0.302	0.609	0.24408
S2	0.302	0.609	0.11355
				K1	0.256	0.520	0.14246
O1	0.298	0.603	0.10128
				N2	0.302	0.609	0.04674
K2	0.302	0.609	0.03090
				P1	0.287	0.581	0.04713
Q1	0.298	0.603	0.01940

我们利用Arakawa C网格，即水位取在网格的中心，而流速则取在网格的边缘。为了叙述方便，我们给出水位的控制场C_ζ(m,n)和流速的控制场C_u(m,n)、C_v(m,n)。具体做法如下：

C_u(m,n)＝C_ζ(m,n)·C_ζ(m+1,n)，C_v(m,n)＝C_ζ(m,n)·C_ζ(m,n+1).

本算例所利用的有限差分方程为：

这里，S_ζ,S_u,S_v分别表示水位ζ及流速u和v的内部点。初始条件和开边界条件的设置见文献[1,2]。

闭边界条件为：

2、潮汐模型伴随方程及其数值解

潮汐模型伴随方程的推导以经典的拉格朗日乘子法为理论基础，将有约束最小值问题转化为无约束最小值问题，首先构造代价函数：

其中K_ζ是常数(一般取Δt的倒数)，是数值模拟得到的值，是观测值，D_ζ是验潮站所在点的集合。

在此基础上，再构造Lagrange函数，经过推导可以得到与控制方程(1)相对应的伴随方程：

其中，λ,μ,ν分别为ζ,u,v的伴随变量。对于伴随方程(12)，我们设计的差分形式为：

其中，

由于代价函数沿着其控制变量的负梯度方向下降，因此可得到开边界点Fourier系数的校正关系式：

{a_i,l,b_i,l:i＝1,...,M₀}是经过同化得到的Fourier系数，{a_i'_,l,b_i'_,l:i＝1,...,M₀}是先验(即经验给出)的Fourier的系数。

在反演开边界条件的同时，也可对给定的底摩擦系数进行订正。经过推导，可得到底摩擦系数的校正关系式：

其中是先验(即经验给出)的底摩擦系数。

3、潮汐预报方法

任意点的潮汐调和常数采用距离加权反比法插值计算，即：

其中，di为待插点与其领域内第i个点之间的距离；Zp、Zi为待插点与其领域内点的潮汐调和常数，插值计算时m值取4，即任意点的调和常数由临近的4个网格点插值得到。

任意时刻潮汐由下式计算：

其中，h_j、g_j为第j个分潮的调和常数(振幅、迟角)；L为分潮个数，本实施算例采用M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1共8个分潮，即L＝8；σ_j为各分潮角频率；f_j、u_j、v_j分别为各分潮交点因子、交点订正角和初位相，本实施算例中f_j、u_j每小时计算一次。

除此之外，本实施示例的潮汐预报装置还包括内置电池和电源稳压模块，其中，所述内置电池和稳压模块同时与电源相连，作为可充电的备用电源，在无法满足供电要求时，提供备用电源。

上述虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种基于卫星定位系统的潮汐预报装置，其特征在于，包括卫星定位单元、潮汐预报单元和数据传输单元，其中：

所述卫星定位单元包括GPS模块、北斗模块和定位信息控制模块，用于进行GPS的实时定位或北斗的请求定位，对卫星定位信息进行检测、分析，并将定位信息发送至潮汐预报单元；

所述潮汐预报单元包括数据存储模块和潮汐计算模块，用于进行实时的潮汐数值预报，依据存储的潮汐调和常数数据和卫星定位单元发送的定位信息，预报该位置、该时刻潮汐；

所述数据传输单元与所述潮汐预报单元进行数据的交互，并输出潮汐预报数据；

所述潮汐计算模块以潮汐调和常数和卫星定位信息为输入数据，所述潮汐调和常数包括分潮振幅和迟角，通过二维潮波伴随同化模型同化验潮站和卫星高度计数据获取。

2.如权利要求1所述的一种基于卫星定位系统的潮汐预报装置，其特征在于，

所述GPS模块，用于接收GPS卫星信号，并进行GPS定位计算，将卫星定位信息发送至定位信息控制模块；

所述北斗模块，用于与北斗卫星进行信息的交互，向北斗卫星发送定位请求，接收定位信息，并将定位信息发送至定位信息控制模块；

所述定位信息控制模块，用于对定位信息进行检测、分析，将接收的定位信息或分析处理后的定位信息发送至潮汐预报单元。

3.如权利要求1所述的一种基于卫星定位系统的潮汐预报装置，其特征在于，所述数据存储模块，用于存储卫星定位信息、潮汐调和常数数据以及潮汐预报数据；

所述潮汐计算模块，用于读取数据存储模块内的卫星定位信息及潮汐调和常数，并进行实时的潮汐预报。

4.如权利要求1所述的一种基于卫星定位系统的潮汐预报装置，其特征在于，所述数据传输单元包括串行数据接口。

5.如权利要求1或2所述的一种基于卫星定位系统的潮汐预报装置，其特征在于，所述卫星定位信息包括当前时间、经度、纬度、高度、航向和航速信息之一或它们的组合。