CN106597010B - 基于gps的波向测量装置和测量方法 - Google Patents

基于gps的波向测量装置和测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于GPS的波向测量装置和测量方法，其将多节可浮动于海面的杆体连成前端可由锚固组件拉住的浮动组件，并在浮动组件前端和后端的杆体上分别安装第一GPS定位仪和第二GPS定位仪，将前端通过拉索与定位锚连接的浮动组件伸展开放置在海面随波浪浮动，并经一定时间的浮体运动和姿态调整后，在最小势能原理驱动下，最终各节杆体的稳定运动状态会与波峰线一致，此时，根据GPS定位信息接收终端接收的关于第一GPS定位仪和第二GPS定位仪的第一位置信息P１（x１，y1）和第二位置信息P2（x2，y2），通过公式α=arctan[(y2‑y1)/(x2‑x1)]，可得到浮动组件的方位角α，从而在近岸浅水区实现波浪的波向观测。

Description

基于GPS的波向测量装置和测量方法
技术领域
本发明涉及波向测量技术领域，特别涉及一种基于GPS的波向测量装置和测量方法。
背景技术
能观测波向的波浪观测设备一般结构复杂、原理复杂，且比较昂贵，主要应用于深海区域的波浪观测。因近岸浅水区存在盲区和水深限制，而不适用于近岸浅水区的波浪观测。因而，目前对于近岸浅水区的波浪观测，主要利用常规技术观测涌浪，所采用的设备一般为压力式波高仪，观测结果只有波高而没有波向，无法满足包括波向参数的波浪观测需求。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种基于GPS的波向测量装置和测量方法，旨在近岸浅水区实现波浪的波向观测。
为实现上述目的，本发明提出一种基于GPS的波向测量装置，包括：
浮动组件，其包括多节前后依次设置且可浮动于海面的杆体，前后相邻的所述杆体相连，并可相对自由摆动；
第一GPS定位仪，装于浮动组件前端的所述杆体上，并随前端的所述杆体浮动；
第二GPS定位仪，装于浮动组件后端的所述杆体上，并随后端的所述杆体浮动；
锚固组件，其包括拉索以及可置于海床的定位锚，所述拉索的一端与所述定位锚相连，另一端与所述浮动组件的前端相连；以及
GPS定位信息接收终端，用于接收所述第一GPS定位仪和所述第二GPS 定位仪所处的第一位置信息P1和第二位置信息P2，所述第一位置信息P1包括第一经度信息x1和第一纬度信息y1，所述第二位置信息P2包括第二经度信息x2和第二纬度信息y2，当所述浮动组件浮动稳定时，通过计算公式α＝arctan[(y2-y1)/(x2-x1)]，可得到所述浮动组件的方位角α。
本发明还提出一种基于GPS的波向测量方法，包括步骤：
S1、将多节可浮动于海面的杆体依次可自由摆动连接形成浮动组件，在位于所述浮动组件前端的所述杆体和位于所述浮动组件后端的所述杆体上分别安装第一GPS定位仪和第二GPS定位仪，并通过拉索将所述浮动组件的前端与定位锚相连；
S2、将所述浮动组件和所述定位锚投放入海，以使定位锚下沉至海床并通过拉索拉住伸展开并浮动于海面的所述浮动组件的前端；
S3、待所述浮动组件在海面上经一定时间的浮体运动和姿态调整至各节所述杆体的运动状态与波浪的波峰线一致时，通过GPS定位信息接收终端接收所述第一GPS定位仪和所述第二GPS定位仪所处的第一位置信息P1和第二位置信息P2，所述第一位置信息P1包括第一经度信息x1和第一纬度信息 y1，所述第二位置信息P2包括第二经度信息x2和第二纬度信息y2；
S4、根据接收的所述第一位置信息P1和所述第二位置信息P2，通过计算公式α＝arctan[(y2-y1)/(x2-x1)]，计算得到所述浮动组件的方位角α，进而得到波浪方向。
本发明技术方案将可浮动于海面的杆体连成前端可由锚固组件拉住的浮动组件，并在浮动组件前端和后端的杆体上分别安装第一GPS定位仪和第二 GPS定位仪，将前端通过拉索与定位锚连接的浮动组件展开放置在海面随波浪浮动，并经一定时间的浮体运动和姿态调整后，在最小势能原理驱动下，最终各节杆体的稳定运动状态会与波峰线一致，此时，根据GPS定位信息接收终端接收的关于第一GPS定位仪和第二GPS定位仪的第一位置信息P1(x 1，y1)和第二位置信息P2(x2，y2)，通过公式α＝arctan[(y2-y1)/(x2-x1)]，可得到浮动组件的方位角α，从而得到波浪的波向，进而在近岸浅水区实现波浪的波向观测。
附图说明
图1为本发明的浮动组件和锚固组件放于海中，且浮动组件展开后的示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为本发明的浮动组件收折后的示意图；
图4为本发明的杆体、环扣、封装盒的装配示意图；
图5为本发明的相邻杆体之间的连接示意图；
图6为本发明的GPS定位信息接收终端的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底、内、外、垂向、横向、纵向，逆时针、顺时针、周向、径向、轴向……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示) 下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”或者“第二”等的描述，则该“第一”或者“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种基于GPS的波向测量装置。
本发明实施例中，如图1至6所示，该基于GPS的波向测量装置，包括浮动组件1、第一GPS定位仪(未图示)、第二GPS定位仪(未图示)、锚固组件、以及GPS定位信息接收终端6。
其中，所述浮动组件1包括多节前后依次设置且可浮动于海面的杆体11，前后相邻的两节所述杆体11相连，并可相对自由摆动。具体地，所述杆体的数量可根据需要而定，例如为3～50节，如图1、图3所示为10节所述杆体11依次相连的情况，每节杆体的长度同样可根据需要而定，例如每节所述杆体的长度可以为0.1～5米，优选0.5米。所述杆体11可采用轻质材料制成，例如采用橡胶、塑料或者木材等材料制成，在不影响其浮动的情况下，可以根据材料的密度制成实心或者空心的杆体，相邻的所述杆体11连接后，可相对收折(如图3所示)或者展开(如图2所示)，以便于携带并减少所述浮动组件1所占用的空间。
所述第一GPS定位仪装于浮动组件1前端的所述杆体11上，并随前端的所述杆体11浮动。所述第二GPS定位仪装于浮动组件1后端的所述杆体 11上，并随后端的所述杆体11浮动。可以理解地，所述第一GPS定位仪和第二GPS定位仪(或称GPS定位器)一般为内置了GPS模块和移动通信模块的终端，可用于将GPS模块获得的定位数据通过移动通信模块传至所述 GPS定位信息接收终端6，由于其为现有技术，并为本技术领域的技术人员所熟知，这里不再对第一GPS定位仪和第二GPS定位仪的具体结构以及工作原理进行赘述。
在本发明实施例中，如图1、图3所示，位于所述浮动组件1前端和后端的所述杆体11分别装有内部中空且密封的第一封装盒2和第二封装盒3，所述第一GPS定位仪和所述第二GPS定位仪分别装于所述第一封装盒2和所述第二封装盒3内，以将所述第一GPS定位仪和所述第二GPS定位仪与外部环境隔离，从而防止所述第一GPS定位仪和所述第二GPS定位仪受海水腐蚀或者与其他物体发生碰撞。可以选择地，所述第一封装盒2和所述第二封装盒3采用耐腐蚀材料制成，例如采用尼龙、聚甲醛、聚苯醚、或者聚酰亚胺等材料制成。应当说明的是，所述第一封装盒2和所述第二封装盒3 所采用的材料最好应不影响第一GPS定位仪和所述第二GPS定位仪的定位信息的正常传送。
所述锚固组件包括拉索5以及可置于海床的定位锚4，所述拉索5的一端与所述定位锚4相连，另一端与所述浮动组件1的前端相连，以拉住所述浮动组件1前端的所述杆体11。具体的，所述定位锚4可以采用船锚或者普通块状物体等，其由密度大于海水的材料制成，例如采用铸铁、钢等材料制成，以保证所述定位锚能下沉至海床并拉住所述浮动组件1的前端为准。而所述拉索5则可采用柔性材料制成，例如为采用塑料、尼龙等材料制成的绳索。
所述GPS定位信息接收终端6用于接收所述第一GPS定位仪和所述第二GPS定位仪所处的第一位置信息P1和第二位置信息P2，所述第一位置信息P1包括第一经度信息x1和第一纬度信息y1，所述第二位置信息P2包括第二经度信息x2和第二纬度信息y2，应当说明的是，GPS定位信息接收终端6 为现有技术，并为本技术领域的技术人员所熟知，其可以为手持式(如图所述)或者座机式(未图示)，这里不对其具体结构以及工作原理过行赘述。将所述浮动组件1展开并与所述锚固组件放置在海上，其中，所述定位锚4 沉至海床，并通过所述拉索5拉住所述浮动组件1的前端，所述浮动组件1 则在波浪的作用下浮动，并经一定时间的浮动和姿态调整后(所述的一定时间，可根据具体环境，例如波浪的强弱程度而定，一般优选在波浪强度较弱的情况下进行波向测量)，所述浮动组件1稳定浮动，并在最小势能原理驱动下，最终各节所述杆体11的稳定运动状态会与波浪的波峰线一致，此时，可通过计算公式α＝arctan[(y2-y1)/(x2-x1)]，得到所述浮动组件的方位角α，进而得到波浪方向。可以理解地，arctan为反正切函数，在上述计算公式中，当x2＝x1时，所述浮动组件的方位角α为0或者180度。
在本发明实施例中，相邻的所述杆体11之间的连接可以有多种实施方式，在一较佳实施例中，如图1、图3和图5所示，相邻的所述杆体11之间通过环扣12连接。具体地，相邻的所述杆体11的相对两端分别连接有所述环扣12，相邻的所述杆体11上的所述环扣12相扣合，并可相对自由摆动，从而将相邻的所述杆体11可自由摆动连接，并可收折或者展开，进而使所述杆体11最终能随波浪浮动至与波浪的波峰线一致。可以理解地，所述环扣12可采用塑料或者金属制成，最好采用需腐蚀的材料制成，为保证相邻的所述杆体11之间的连接强度以及提高使用寿命，所述环扣12优选不锈钢材料制成。
除了上述实施例之外，相邻的所述杆体11之间的连接可以采用其他连接方式，例如，相邻的所述杆体11之间可以通过塑料或者尼龙等柔性材料制成的绳索(未图示)连接，即将所述绳索的两端分别与相邻的所述杆体11 相连，采用绳索相连接的方式，具有成本低、摆动更为自由以及可降低所述浮动组件1重量的优点。
在本发明实施例中，所述GPS定位信息接收终端6还可用于接收所述第一GPS定位仪和所述第二GPS定位仪所处的第一方位角α1和第二方位角α2，从而可根据所述GPS定位信息接收终端6所获得的所述第一方位角α1和第二方位角α2复核所述浮动组件的方位角α，并综合所述第一方位角α1、所述第二方位角α2和所述浮动组件的方位角α更精准地得到波浪方向。
本发明还提出一种基于GPS的波向测量方法。
在本发明实施例中，如图1至6所示，该基于GPS的波向测量方法，包括如下步骤：
S1、将多节可浮动于海面的杆体11依次可自由摆动连接形成浮动组件1，在位于所述浮动组件1前端的所述杆体11和位于所述浮动组件后端的所述杆体11上分别安装第一GPS定位仪(未图示)和第二GPS定位仪(未图示)，并通过拉索5将所述浮动组件1的前端与定位锚4相连。
具体地，所述杆体11可采用轻质材料制成，例如采用橡胶、塑料或者木材等材料制成，在不影响其浮动的情况下，可以根据材料的密度制成实心或者空心的杆体，相邻的所述杆体11连接后，可相对收折(如图3所示) 或者展开(如图2所示)。
所述第一GPS定位仪和第二GPS定位仪(或称GPS定位器)一般为内置了GPS模块和移动通信模块的终端，可用于将GPS模块获得的定位数据通过移动通信模块传至所述GPS定位信息接收终端，由于其为现有技术，并为本技术领域的技术人员所熟知，这里不再对第一GPS定位仪和第二GPS 定位仪具体结构以及工作原理进行赘述。
S2、将所述浮动组件1和所述定位锚4投放入海，以使定位锚4下沉至海床并通过拉索拉住伸展开并浮动于海面的所述浮动组件1的前端。
具体地，所述定位锚可以采用船锚或者普通块状物体等，其由密度大于海水的材料制成，例如采用铸铁、钢等材料制成，以保证所述定位锚4能下沉至海床并拉住所述浮动组件1的前端为准。而所述拉索5则可采用柔性材料制成，例如采用塑料、尼龙等材料制成的绳索。
S3、待所述浮动组件1在海面上经一定时间的浮动和姿态调整至各节所述杆体11的运动状态与波浪的波峰线一致时，通过GPS定位信息接收终端6接收所述第一GPS定位仪和所述第二GPS定位仪所处的第一位置信息P1和第二位置信息P2，其中，所述第一位置信息P1包括第一经度信息x1和第一纬度信息y1，所述第二位置信息P2包括第二经度信息x2和第二纬度信息 y2。
应当说明的是，所述GPS定位信息接收终端6为现有技术，并为本技术领域的技术人员所熟知，其可以为手持式(如图所述)或者座机式，这里不对其具体结构以及工作原理过行赘述。将所述浮动组件展开与所述锚固组件放置在海上，所述定位锚4沉至海床，并通过所述拉索5拉住所述浮动组件 1的前端，所述浮动组件1则在波浪的作用下浮动，并经一定时间的浮动和姿态调整后(所述的一定时间，可根据具体环境，例如波浪的强弱程度而定，一般优选在波浪强度较弱的情况下进行波向测量)，所述浮动组件1稳定浮动，并在最小势能原理驱动下，最终各节所述杆体11的稳定运动状态会与波峰线一致。
S4、根据接收的所述第一位置信息P1和所述第二位置信息P2，通过计算公式α＝arctan[(y2-y1)/(x2-x1)]，计算得到所述浮动组件的方位角α，进而得到波浪方向。可以理解地，arctan为反正切函数，在上述计算公式中，当x2＝x1时，表示所述浮动组件的方位角α为0或者180度。
在本发明实施例中，如图1、图3和图5所示，在本发明实施例中，所述步骤S1中，相邻的所述杆体11之间的连接可以有多种实施方式，在一较佳实施例中，如图1、图3和图5所示，步骤S1中，相邻的所述杆体11之间通过环扣12连接。具体地，相邻的杆体11的相对两端分别连接有所述环扣12，相邻的所述杆体11上的所述环扣12相扣合，并可相对自由摆动，从而将相邻的所述杆体11可自由摆动连接，并可收折或者展开，进而使所述杆体11能随波浪浮动至与波浪的波峰线一致。可以理解地，所述环扣12可采用塑料或者金属制成，为保证相邻的所述杆体11之间的连接强度以及提高使用寿命，所述环扣12优选不锈钢材料制成。
除了上述实施例之外，相邻的所述杆体11之间的连接可以采用其他连接方式，例如，步骤S1中，相邻的所述杆体11之间可以通过塑料或者尼龙等柔性材料制成的绳索(未图示)连接，即所述绳索的两端分别与相邻的所述杆体相连，采用绳索相连接的方式，具有成本低、摆动更为自由以及可降低所述浮动组件重量的优点。
在本发明实施例中，如图1、图3所示，步骤S1中，还包括在位于所述浮动组件前端和后端的所述杆体11分别安装内部中空且密封的第一封装盒2 和第二封装盒3，并将所述第一GPS定位仪和所述第二GPS定位仪分别装于所述第一封装盒2和所述第二封装盒3内的过程，以将所述第一GPS定位仪和所述第二GPS定位仪与外部环境隔离，从而防止所述第一GPS定位仪和所述第二GPS定位仪受海水腐蚀或者与其他物体发生碰撞。可以选择地，所述第一封装盒2和所述第二封装盒3采用耐腐蚀材料制成，例如采用尼龙、聚甲醛、聚苯醚、或者聚酰亚胺等制成。应当说明的是，所述第一封装盒2 和所述第二封装盒3所采用的材料最好应不影响第一GPS定位仪和所述第二 GPS定位仪的定位信息的正常传送。
本发明 实施例中，步骤S3中，还包括所述GPS定位信息接收终端接收所述第一GPS定位仪和所述第二GPS定位仪所处的第一方位角α1和第二方位角α2的过程，从而可根据所述GPS定位信息接收终端所获得的所述第一方位角α1和第二方位角α2复核所述浮动组件的方位角α，进而可综合所述第一方位角α1、所述第二方位角α2和所述浮动组件的方位角α更精准地得到波浪方向。
应当说明的是，本发明实施例中所述的基于GPS的波向测量装置，包括但不仅限于运用在近岸波浪的波向观测，其还可以运用在其它需要观测涌浪方向情况，这里不再进行赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.基于GPS的波向测量装置，其特征在于，包括：
浮动组件，其包括多节前后依次设置且可浮动于海面的杆体，前后相邻的所述杆体相连，并可相对自由摆动；
第一GPS定位仪，装于所述浮动组件前端的所述杆体上，并随前端的所述杆体浮动；
第二GPS定位仪，装于所述浮动组件后端的所述杆体上，并随后端的所述杆体浮动；
锚固组件，其包括拉索以及可置于海床的定位锚，所述拉索的一端与所述定位锚相连，另一端与所述浮动组件的前端相连；以及
GPS定位信息接收终端，用于接收所述第一GPS定位仪和所述第二GPS定位仪所处的第一位置信息P1和第二位置信息P2，所述第一位置信息P1包括第一经度信息x1和第一纬度信息y1，所述第二位置信息P2包括第二经度信息x2和第二纬度信息y2，当所述浮动组件浮动稳定时，通过计算公式α＝arctan[(y2-y1)/(x2-x1)]，可得到所述浮动组件的方位角α。
2.如权利要求1所述的基于GPS的波向测量装置，其特征在于：位于所述浮动组件前端和后端的所述杆体分别装有内部中空且密封的第一封装盒和第二封装盒，所述第一GPS定位仪和所述第二GPS定位仪分别装于所述第一封装盒和所述第二封装盒内。
3.如权利要求2所述的基于GPS的波向测量装置，其特征在于：所述第一封装盒和所述第二封装盒采用耐腐蚀材料制成。
4.如权利要求1所述的基于GPS的波向测量装置，其特征在于：相邻的所述杆体之间通过环扣连接，并可相对自由摆动。
5.如权利要求4所述的基于GPS的波向测量装置，其特征在于：所述环扣采用耐腐蚀材料制成。
6.如权利要求1所述的基于GPS的波向测量装置，其特征在于：相邻的所述杆体之间通过柔性材料制成的绳索连接，并可自由摆动。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的基于GPS的波向测量装置，其特征在于：所述GPS定位信息接收终端还用于接收所述第一GPS定位仪和所述第二GPS定位仪所处的第一方位角α1和第二方位角α2，根据所述第一方位角α1和第二方位角α2可复核所述浮动组件的方位角α。
8.基于GPS的波向测量方法，其特征在于，包括步骤：
S1、将多节可浮动于海面的杆体依次可自由摆动连接形成浮动组件，在位于所述浮动组件前端的所述杆体和位于所述浮动组件后端的所述杆体上分别安装第一GPS定位仪和第二GPS定位仪，并通过拉索将所述浮动组件的前端与定位锚相连；
S2、将所述浮动组件和所述定位锚投放入海，以使定位锚下沉至海床并通过拉索拉住伸展开并浮动于海面的所述浮动组件的前端；
S3、待所述浮动组件在海面上经一定时间的浮体运动和姿态调整至各节所述杆体的运动状态与波浪的波峰线一致时，通过GPS定位信息接收终端接收所述第一GPS定位仪和所述第二GPS定位仪所处的第一位置信息P1和第二位置信息P2，所述第一位置信息P1包括第一经度信息x1和第一纬度信息y1，所述第二位置信息P2包括第二经度信息x2和第二纬度信息y2；
S4、根据接收的所述第一位置信息P1和所述第二位置信息P2，通过计算公式α＝arctan[(y2-y1)/(x2-x1)]，计算得到所述浮动组件的方位角α，进而得到波浪方向。
9.如权利要求8所述的基于GPS的波向测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，还包括所述GPS定位信息接收终端接收所述第一GPS定位仪和所述第二GPS定位仪所处的第一方位角α1和第二方位角α2的过程，从而可根据所述GPS定位信息接收终端所获得的所述第一方位角α1和第二方位角α2复核所述浮动组件的方位角α，进而可综合所述第一方位角α1、所述第二方位角α2和所述浮动组件的方位角α更精准地得到波浪方向。
10.如权利要求8或者9所述的基于GPS的波向测量方法，其特征在于，所述步骤S1中，还包括在位于所述浮动组件前端和后端的所述杆体分别安装内部中空且密封的第一封装盒和第二封装盒，并将所述第一GPS定位仪和所述第二GPS定位仪分别装于所述第一封装盒和所述第二封装盒内的过程。
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