CN109405931A - 一种利用多功能浮标进行潮汐监测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种利用多功能浮标监测潮汐的方法，目的在于以高精度GPS定位系统为基础，通过浮标姿态修正、异常点剔除、曲线拟合等方法实现海面高度序列的反演，从而实现监测潮汐的目的；方法的实现能改善传统潮汐测量工作中，测量范围受验潮站位置限制的影响，以及有效地提高了监测的精度，有望实现对潮汐的精准监测和预报。

Description

一种利用多功能浮标进行潮汐监测的方法

技术领域

本发明涉及海洋潮汐观测领域，更具体的说，是涉及一种利用多功能浮标进行潮汐监测的方法。

背景技术

实时掌握潮汐信息及其预测信息对航运、军事、生产等多个领域都有极为重要的意义。为了更加精准地掌握潮位数据，广大研究者和海事相关部门付出了巨大的努力，并取得了一定的成果。例如，利用验潮站等方式对近海区域的潮位进行实时观测、记录，同时利用预测模型为广大需求者进行预测预报，但是其局限性也是显而易见的，验潮站对选址、设备精度等都有较高的要求。为了较好的解决这些局限性，本发明提出了一种利用多功能浮标进行潮汐监测的方法，该方法具有精度较高，节约成本、可放置在任意海域等多个优点。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供了一种利用多功能浮标进行潮汐监测的方法。该方法以高精度GPS定位系统为基础，通过在海面布设多功能浮标采集数据，结合实测的GPS天线相位中心相对水面的精确高度值，得到海平面到参考椭球面的高度的时间采样序列。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

1、一种利用多功能浮标进行潮汐监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在观察海域布设包括浮标、GPS定位仪和数据传输单元的潮汐监测系统；

步骤二、通过潮汐监测系统中GPS定位仪收集浮标高程数据，

步骤三、对高程数据经过修正浮标运动姿态获得瞬时海平面高程序列；

步骤四、对瞬时海平面高程序列进行异常点剔除，获得真实瞬时海面高程序列；

步骤五、将预处理后的真实瞬时海面高程序列进行曲线拟合获得潮位序列；

步骤六、通过如下振幅均值公式对潮位序列进行计算确定波浪的大致波动范围，即浪高信息：

步骤四所述获得真实瞬时海平面高程序列的方法如下：

2.1设定预先阈值；

2.2判断瞬时海平面高程序列值是否超出为预先阈值，如果满足条件则删除该瞬时海平面高程序列值，否则进入下一步；

2.3采用插值公式对瞬时海平面高程序列值进行补充获得瞬时海平面高程序列。

步骤五中真实瞬时海面高程序列进行曲线拟合过程如下：

3.1设拟合多项式为：

y＝a₀+a₁x+a₂x²+…+a_kx^k

3.2各点到这条曲线的距离之和，即偏差平方和如下：

3.3为了求得符合条件的a值，对等式右边求a_i偏导数，获得：

…

3.4把这些等式表示成矩阵的形式，就可以得到下面的矩阵：

3.5将这个范德蒙得矩阵化简后可得到:

XA＝Y，那么A＝(X′X)-X′Y，便得到了系数矩阵A。

所述潮汐监测系统还包括浮标、GPS天线和锚链，所述浮标与GPS仪连接，所述浮标上部设置有GPS天线，其下部设置有锚链。

有益效果

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明提出的利用多功能浮标监测潮汐的方法实现了对浮标姿态的修正和高度序列的异常点剔除，故排除了风浪、船舶动、静吃水等因素对测量精度的影响。本方法利用高精度GPS定位系统监测潮汐与传统方法相比具有精度较高，节约成本、可放置在任意海域等多个优点。除此之外，本方法的实现丰富了潮汐监测的手段，有望实现利用多功能定位浮标对潮汐进行预测。

附图说明

图1为多功能浮标测量系统仪器安装示意图；

图2为该潮汐监测算法的数据处理流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的和技术方案更加清晰，下面对本发明作进一步的描述。

本发明介绍了一种利用多功能浮标监测潮汐的方法，所谓多功能浮标是指以高精度GPS定位为基础，能够实现在海上实时定位和自由传输数据的浮标。目的在于采集海面高度数据，实现对潮汐的实时监测。

本发明具体过程如下：

步骤一、步骤二；在观察海域布设多功能浮标，并用锚链5将其固定在锚点。其中浮标1中搭载高精度GPS定位系统2以及数据传输设备3。所有仪器都与浮标进行刚性连接，安装方式与位置如图1所示。GPS定位系统2用于采集浮标1的位置参数，包括浮标的经度、纬度和高程等信息；数据传输设备3 用于将数据传输到岸基。

如图2所示，步骤三、收集浮标1数据，修正浮标1运动姿态。由于多功能浮标1在水面上会随着风浪而摇摆晃动,通过天线4接收到的数据并不能直接使用,需要通过一定的修正之后才能够得到较为真实的实时水位值,下面介绍本发明中对修正动态浮标的具体方法。

假设OA为浮标半径，平面XOY为水平面；

θ_a:表示与XOY平面的夹角；

φ_a:表示自X开始逆时针旋转的角度；

θ_b和θ_c:表示与XOY平面的夹角；

φ_b和φ_c:表示自X负方向开始顺时针旋转的角度；

2s:表示天线的长度；

A(HCos(θa)cos(φa),Hcos(θa)sin(φa),Hsin(θa))；

B(xa-scos(θb)cos(φb),scos(θb)sin(φb)+ya,za-ssin(θb))；

C(xa-scos(θc)cos(φc),scos(θc)sin(φc)+ya,za-ssin(θc))；

∵

∴

从而可以直接求解θ_a和φ_a,得到浮标的姿态。

瞬时海平面的高程也可以通过下面的方法求得：

H:浮标的浮心到天线交叉点距离；

则瞬时海平面的高程为:

G_海面高程＝G_{接收器b的高程}-(H Sin[θ_a]-s Cos[θ_b])

通过对浮标姿态的修正，可以计算得到水位实时变化情况，进而通过水位反演潮汐的规律。

步骤四、对GPS定位系统2获得的高程数据进行异常点剔除，获得真实GPS 天线4真实高度。多功能浮标通过配置四个北斗卫星接收器，从而可以推演出浮标的姿态信息。通过对浮标姿态的修正，进而计算得出浮标所在位置的瞬时水位信息，即可以获得时间、经度、纬度、高程等数据。根据所获取的高程信息的时间序列可以得到浮标位置的潮位信息。接收设备在接收海上浮标传回来的数据时可能存在信号失真或是信号中断等可能性，并且浮标在海面上晃动也会造成数据的偶尔失真。因此需要剔除异常点：为了判断一个水位值是否为异常值，需要根据前面接收到的若干分钟的数据进行趋势判断，如果超出一个预先设定的阈值，则认为该值是异常值，应当删除，之后利用插值的方式，对该删除值进行补充。利用该方式可以获得较为准确的潮位值。

步骤五、对预处理过后的高度序列进行曲线拟合。拟合的目的是为了得到某时刻海平面的高程，减小风浪对潮高测量时的影响，以便于计算潮高。当拟合得到相应的函数方程之后，则可以知道水波的周期、浪的至高点等一系列信息。

拟合过程如下：

1.设拟合多项式为：

y＝a₀+a₁x+a₂x²+…+a_kx^k

2.各点到这条曲线的距离之和，即偏差平方和如下：

3.为了求得符合条件的a值，对等式右边求a_i偏导数，因而我们得到了：

…

4.把这些等式表示成矩阵的形式，就可以得到下面的矩阵：

5.将这个范德蒙得矩阵化简后可得到:

6.也就是说XA＝Y，那么A＝(X′X)-X′Y，便得到了系数矩阵A，同时，我们也就得到了拟合曲线。

步骤六、根据水位随时间波动规律，可以确定波浪的大致波动范围，从而计算得出浪高信息。

假设时刻t₁,t₂,t₃…处的振幅分别为A₁,A₂,A₃,…，若需要计算t_n时刻的浪高则可以根据其之前若干个震动周期的振幅均值来确定波浪的高度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种利用多功能浮标进行潮汐监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在观察海域布设包括浮标、GPS定位仪和数据传输单元的潮汐监测系统；

步骤二、通过潮汐监测系统中GPS定位仪收集浮标高程数据；

步骤三、对高程数据经过修正浮标运动姿态获得瞬时海平面高程序列；

步骤四、对瞬时海平面高程序列进行异常点剔除，获得真实瞬时海面高程序列；

步骤五、将预处理后的真实瞬时海面高程序列进行曲线拟合获得潮位序列；

步骤六、通过如下振幅均值公式对潮位序列进行计算确定波浪的大致波动范围，即浪高信息：

2.根据权利要求1所述的利用多功能浮标进行潮汐监测的方法，其特征在于，步骤四所述获得真实瞬时海平面高程序列的方法如下：

2.1设定预先阈值；

2.2判断瞬时海平面高程序列值是否超出预先阈值，如果满足条件则删除该瞬时海平面高程序列值，否则进入下一步；

2.3采用插值公式对瞬时海平面高程序列值进行补充获得真实瞬时海平面高程序列。

3.根据权利要求1所述的利用多功能浮标进行潮汐监测的方法，其特征在于，步骤五中真实瞬时海面高程序列进行曲线拟合过程如下：

3.1设拟合多项式为：

y＝a₀+a₁x+a₂x²+L+a_kx^k

3.2各点到这条曲线的距离之和，即偏差平方和如下：

3.3为了求得符合条件的a值，对等式右边求a_i偏导数，获得：

L

3.4把这些等式表示成矩阵的形式，就可以得到下面的矩阵：

3.5将这个范德蒙得矩阵化简后可得到:

XA＝Y，那么A＝(X′X)-X′Y，便得到了系数矩阵A。

4.根据权利要求1所述的利用多功能浮标进行潮汐监测的方法，其特征在于，所述潮汐监测系统还包括浮标、GPS天线和锚链，所述浮标与GPS仪连接，所述浮标上部设置有GPS天线，其下部设置有锚链。