CN111505688A - 利用gnss测高浮标确定波浪参数的方法 - Google Patents

利用gnss测高浮标确定波浪参数的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用GNSS测高浮标确定波浪参数的方法，属于海洋波浪参数提取技术领域。本发明包括如下步骤：在近岸锚系GNSS浮标观测，同时记录下锚系点原始坐标；获得海面高度SSH以及平面位置信息；进行SSH的高通滤波得到相对海面高SSE；通过三倍中误差的粗差探测方法检测SSE的系统粗差；按照四倍标准差算法从剔除粗差后的SSE计算有效波高SWH；对SSE进行功率谱计算，并计算方差守恒的功率谱；计算海浪谱的峰值，得到能量峰值处对应的波浪周期；利用深水频散关系计算得到海浪波长；对GNSS测高浮标记录的平面坐标和锚系点的原始坐标进行差分，计算空间向量，计算得到海浪传播方向。本发明运用于海洋波浪参数提取场合。

Description

利用GNSS测高浮标确定波浪参数的方法
技术领域
本发明涉及一种利用GNSS测高浮标确定波浪参数的方法，属于海洋波浪参数提取技术领域。
背景技术
海浪信息是海洋观测的重要内容，现在我国的海洋观测主要通过锚系的波浪浮标开展，例如现在配置在各个海洋站的SBF3-2型波浪浮标，可以每小时记录一次海浪的SWH、周期和波向等信息，为我国沿海的海洋预报提供了重要支撑。还有一种技术为声学测波仪，例如LPB1-2型声学测波仪，该仪器设备安置在海底，通过发射声学信号到海面可观测波高和周期信息，但无法记录波向信息，其观测时间频率、精度等和SBF3-2型波浪浮标基本一致。目前的主要海浪观测设备和技术尽管已经提供了SWH、周期、波向等参数，但在时间分辨率、观测精度等方面均偏低，且无法实现海浪谱的分析。
但现有技术的主要不足是：1)时间分辨率低；2)SWH的观测精度为分米，对于弱海浪信号的观测精度不够；3)无法观测海浪谱信息，无法分离不同周期海浪；4)无法记录长周期涌浪；5)无主波波长观测。这些技术不足对海浪科学研究、精细化预报有一定的限制。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种利用GNSS测高浮标确定波浪参数的方法。
本发明所述的利用GNSS测高浮标确定波浪参数的方法，包括如下步骤：
S1：在近岸锚系GNSS浮标观测，同时记录下锚系点原始坐标(x0，y0)；
S2：通过差分PPK技术处理GNSS资料，获得cm级精度的三维坐标信息，包含海面高度SSH以及平面位置(xi，yi)信息，其中差分PPK技术处理技术包括如下小步：
S21：高精度GNSS数据处理中常用基于载波相位的双差观测组合，其线性观测方程为：
Figure BDA0002468929130000011
式中：i、j表示两个不同测站，p、q表示两颗不同卫星，
Figure BDA0002468929130000012
为t时刻的双差观测值，
Figure BDA0002468929130000013
分别表示二次差分后的整周模糊度、电离层及对流层延迟残差；
S22：考虑参考站和GNSS浮标之间三维定位误差在短距离内的空间相关性，采用差分定位技术获得GNSS浮标精确的三维坐标：
Figure BDA0002468929130000021
式中：
Figure BDA0002468929130000022
为GNSS浮标起始相位模糊度；
Figure BDA0002468929130000023
为GNSS浮标起始历元至观测历元的相位整周数；
Figure BDA0002468929130000024
为GNSS浮标相位观测的小数部分；dρ为同一观测历元各项残差；
S3：进行SSH的高通滤波剔除潮汐信号，得到相对海面高SSE，设置高通滤波截断长度不低于两倍的最短海浪周期；
S4：通过三倍中误差的粗差探测方法检测高通滤波后SSE的系统粗差，剔除异常值；
S5：按照四倍标准差算法，从高通滤波和剔除粗差后的SSE计算有效波高SWH，包括如下小步：
S51：设置单位时间窗口为5分钟，叠加时间长度为2.5分钟，即单位时间长度的一半；
S52：计算单位时间窗口内的标准差σ，并按照叠加时间长度的步长在全部时间范围内进行计算标准差σ；
S6：通过时间窗口滑动，计算得到SWH时间序列计算公式如下：
Swh＝4σ (3)
S7：对SSE进行功率谱计算，并计算方差守恒的功率谱，获得频率域内的海浪能量分布信息，即为海浪谱；
S8：计算海浪谱的峰值，得到能量峰值处对应的波浪周期；此处如果存在长周期的波峰，则为涌浪；
S9：利用波数和频率的深水频散关系计算得到海浪波长，其中，深水频散关系的适用条件为水深大于波长的一半：
Figure BDA0002468929130000025
Figure BDA0002468929130000026
式中：k表示波数，f表示频率，ω表示角速度，g表示重力加速度，λ表示海浪波长；f通过GNSS浮标观测的海面高度的功率密度谱来计算得到，进而得到空间上的波数k和波长λ；
S10：对GNSS测高浮标记录的平面坐标和锚系点的原始坐标进行差分，计算空间向量(Δx，Δy)，进一步计算得到海浪传播方向；
Δx＝xi-x0；Δy＝yi-y3 (6)
计算传播方向θ：
Figure BDA0002468929130000031
Figure BDA0002468929130000032
优选地，所述步骤S1中，近岸锚系GNSS浮标观测设置数据采样频率不低于1Hz。
优选地，所述步骤S21中，使用国际GNSS服务中心的精密星历和钟差文件，静态解算GNSS参考站在ITRF参考框架下的三维坐标，GNSS接收机接收到的信号中伪距和载波相位具有相同参量，使用组合差分技术，实现公有误差项的剔除。
优选地，所述步骤S3中，高通滤波截断长度设置60s及以上，有效消除长周期信号并保留海浪信息。
优选地，所述步骤S6中，SWH时间序列最终得到150秒时间间隔，精确到cm。
优选地，所述步骤S7中，海浪谱反应不同频率海浪的能量大小信息。
优选地，所述步骤S8中，若海浪谱的峰值存在多个波峰，则说明海浪存在多个不同周期的波的叠加，需通过波数谱进行不同周期的波浪的分离。
本发明的有益效果是：本发明可以实现：1)分钟级的海浪信息采样间隔；2)厘米级的SWH精度；3)海浪谱信息的观测；4)涌浪的反演；5)主波波长的反演。
附图说明
图1是本发明的原理流程框图。
图2是本发明通过GNSS测高浮标反演的有效波高和海洋站业务化波浪浮标结果的比较图。
图3是本发明通过两个GNSS浮标反演到的风引起的海面高度的功率密度谱图。
图4是本发明计算的海浪方向随时间变化结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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做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。
实施例1：
如图1所示，本发明所述的本发明所述的利用GNSS测高浮标确定波浪参数的方法，包括如下步骤：
S1：在近岸锚系GNSS浮标观测，同时记录下锚系点原始坐标(x0，y0)；
S2：通过差分PPK技术处理GNSS资料，获得cm级精度的三维坐标信息，包含海面高度SSH以及平面位置(xi，yi)信息，其中差分PPK技术处理技术包括如下小步：
S21：高精度GNSS数据处理中常用基于载波相位的双差观测组合，其线性观测方程为：
Figure BDA0002468929130000041
式中：i、j表示两个不同测站，p、q表示两颗不同卫星，
Figure BDA0002468929130000042
为t时刻的双差观测值，
Figure BDA0002468929130000043
分别表示二次差分后的整周模糊度、电离层及对流层延迟残差；
S22：考虑参考站和GNSS浮标之间三维定位误差在短距离内的空间相关性，采用差分定位技术获得GNSS浮标精确的三维坐标：
Figure BDA0002468929130000044
式中：
Figure BDA0002468929130000045
为GNSS浮标起始相位模糊度；
Figure BDA0002468929130000046
为GNSS浮标起始历元至观测历元的相位整周数；
Figure BDA0002468929130000047
为GNSS浮标相位观测的小数部分；dρ为同一观测历元各项残差；
S3：进行SSH的高通滤波剔除潮汐信号，得到相对海面高SSE，设置高通滤波截断长度不低于两倍的最短海浪周期；
S4：通过三倍中误差的粗差探测方法检测高通滤波后SSE的系统粗差，剔除异常值；
S5：按照四倍标准差算法，从高通滤波和剔除粗差后的SSE计算有效波高SWH，包括如下小步：
S51：设置单位时间窗口为5分钟，叠加时间长度为2.5分钟，即单位时间长度的一半；
S52：计算单位时间窗口内的标准差σ，并按照叠加时间长度的步长在全部时间范围内进行计算标准差σ；
S6：通过时间窗口滑动，计算得到SWH时间序列计算公式如下：
swh＝4σ
S7：对SSE进行功率谱计算，并计算方差守恒的功率谱，获得频率域内的海浪能量分布信息，即为海浪谱；
S8：计算海浪谱的峰值，得到能量峰值处对应的波浪周期；此处如果存在长周期的波峰，则为涌浪；
S9：利用波数和频率的深水频散关系计算得到海浪波长，其中，深水频散关系的适用条件为水深大于波长的一半：
Figure BDA0002468929130000051
Figure BDA0002468929130000052
式中：k表示波数，f表示频率，ω表示角速度，g表示重力加速度，λ表示海浪波长；f通过GNSS浮标观测的海面高度的功率密度谱来计算得到，进而得到空间上的波数k和波长λ；
S10：对GNSS测高浮标记录的平面坐标和锚系点的原始坐标进行差分，计算空间向量(Δx，Δy)，进一步计算得到海浪传播方向；
Δx＝xi-x0；Δy＝yi-y0 (6)
计算传播方向θ：
Figure BDA0002468929130000053
Figure BDA0002468929130000054
所述步骤S1中，近岸锚系GNSS浮标观测设置数据采样频率不低于1Hz。
所述步骤S21中，使用国际GNSS服务中心的精密星历和钟差文件，静态解算GNSS参考站在ITRF参考框架下的三维坐标，GNSS接收机接收到的信号中伪距和载波相位具有相同参量，使用组合差分技术，实现公有误差项的剔除。
所述步骤S3中，高通滤波截断长度设置60s及以上，有效消除长周期信号并保留海浪信息。
所述步骤S6中，SWH时间序列最终得到150秒时间间隔，精确到cm。
所述步骤S7中，海浪谱反应不同频率海浪的能量大小信息。
所述步骤S8中，若海浪谱的峰值存在多个波峰，则说明海浪存在多个不同周期的波的叠加，需通过波数谱进行不同周期的波浪的分离。
本发明的有益效果是：本发明可以实现：1)分钟级的海浪信息采样间隔；2)厘米级的SWH精度；3)海浪谱信息的观测；4)涌浪的反演；5)主波波长的反演。
实施例2：
本发明可以实现1)分钟级的海浪信息采样间隔；2)厘米级的SWH精度；3)海浪谱信息的观测；4)涌浪的反演；5)主波波长的反演。
本发明基于测高浮标的海浪信息综合提取技术，有效提取有效波高、波向、波长、周期等参数。
通过本技术发明，可使用高频GNSS测高浮标反演得到高精度、高时间分辨率的海浪要素信息。例如，传统波浪浮标仅观测精确到分米级的波高，而本发明可以精确到厘米；传统波浪浮标仅每小时记录一次，本发明可以得到每五分钟一次的波浪信息。通过本技术发明，可以获得海浪谱，提出不同周期海浪对应的能量。
如图2所示，在山东沿海开展了GNSS测高浮标试验，在海洋站波浪浮标附近的同一地点布放了两个GNSS测高浮标，利用本技术发明进行了海浪信息的提取，通过和业务化海洋观测资料比较，具有较高的一致性。
利用本技术发明通过GNSS测高浮标反演的有效波高，和海洋站业务化波浪浮标结果的比较，二者的一致性较高，差异估计为2.6cm±6.0cm。
如图3所示，利用本发明技术从两个GNSS浮标反演到的风引起的海面高度的功率密度谱，从图中峰值可以判断存在两个周期的波浪，其中一个是主波周期为3.5s，一个涌浪周期约为10s。两个的浮标资料的一致性非常高。而目前的波浪浮标技术仅可以观测到主波周期为3.4s，与本结果非常一致。通过深水频散关系可以计算得到主波的波长为19m，涌浪的波长为156m。
如图4所示，利用本发明技术计算的海浪方向随时间变化结果。结果表明可以观测到海浪波向随着风向改变而改变。图4中360°和0°表示正北方向，随着时间的改变，海浪传播方向由西北发展为东北。
目前我国沿海海洋观测站通常采用波浪浮标进行波浪的观测，可观测波浪的周期、有效波高(SWH)、波向参数。其主要是问题是：
1)最高每小时记录一次数据，对于海况变化迅速的特殊情况下不具备完整的观测能力，也就是说难以捕捉到海浪的快速发展过程，而本发明可以通过高频GNSS测高数据反演2.5分钟(150秒)间隔的海浪信息。
2)现在的波浪浮标通常仅可测量最小波浪周期，无法实现海浪谱的观测，而实际上海浪是由有一系列不同周期和振幅组成的波，例如涌浪具有较长的时间周期，而波浪浮标往往无法观测涌浪信息。本发明可以实现完整海浪信息的记录，并通过算法提取海浪谱，得到各个周期波浪的能量信息。
3)波浪浮标无法获取波浪波长参数。本发明可以通过算法，计算出波浪在空间范围的波长。
4)波浪浮标测量SWH的精度较低，其记录数据的精度为分米级。本发明基于厘米级精度测高浮标采集海面高度信息，可获取厘米级精度的SWH。
本发明可广泛运用于海洋波浪参数提取场合。

Claims (7)

1.一种利用GNSS测高浮标确定波浪参数的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在近岸锚系GNSS浮标观测，同时记录下锚系点原始坐标(x0，y0)；
S2：通过差分PPK技术处理GNSS资料，获得cm级精度的三维坐标信息，包含海面高度SSH以及平面位置(xi，yi)信息，其中差分PPK技术处理技术包括如下小步：
S21：高精度GNSS数据处理中常用基于载波相位的双差观测组合，其线性观测方程为：
Figure FDA0002468929120000011
式中：i、j表示两个不同测站，p、q表示两颗不同卫星，
Figure FDA0002468929120000012
为t时刻的双差观测值，
Figure FDA0002468929120000013
分别表示二次差分后的整周模糊度、电离层及对流层延迟残差；
S22：考虑参考站和GNSS浮标之间三维定位误差在短距离内的空间相关性，采用差分定位技术获得GNSS浮标精确的三维坐标：
Figure FDA0002468929120000014
式中：
Figure FDA0002468929120000015
为GNSS浮标起始相位模糊度；
Figure FDA0002468929120000016
为GNSS浮标起始历元至观测历元的相位整周数；
Figure FDA0002468929120000017
为GNSS浮标相位观测的小数部分；dρ为同一观测历元各项残差；
S3：进行SSH的高通滤波剔除潮汐信号，得到相对海面高SSE，设置高通滤波截断长度不低于两倍的最短海浪周期；
S4：通过三倍中误差的粗差探测方法检测高通滤波后SSE的系统粗差，剔除异常值；
S5：按照四倍标准差算法，从高通滤波和剔除粗差后的SSE计算有效波高SWH，包括如下小步：
S51：设置单位时间窗口为5分钟，叠加时间长度为2.5分钟，即单位时间长度的一半；
S52：计算单位时间窗口内的标准差σ，并按照叠加时间长度的步长在全部时间范围内进行计算标准差σ；
S6：通过时间窗口滑动，计算得到SWH时间序列计算公式如下：
swh＝4σ (3)
S7：对SSE进行功率谱计算，并计算方差守恒的功率谱，获得频率域内的海浪能量分布信息，即为海浪谱；
S8：计算海浪谱的峰值，得到能量峰值处对应的波浪周期；此处如果存在长周期的波峰，则为涌浪；
S9：利用波数和频率的深水频散关系计算得到海浪波长，其中，深水频散关系的适用条件为水深大于波长的一半：
Figure FDA0002468929120000021
Figure FDA0002468929120000022
式中：k表示波数，d表示频率，ω表示角速度，g表示重力加速度，λ表示海浪波长；f通过GNSS浮标观测的海面高度的功率密度谱来计算得到，进而得到空间上的波数k和波长λ；
S10：对GNSS测高浮标记录的平面坐标和锚系点的原始坐标进行差分，计算空间向量(Δx，Δy)，进一步计算得到海浪传播方向；
Δx＝xi-x0；Δy＝yi-y0 (6)
计算传播方向θ：
Figure FDA0002468929120000023
Figure FDA0002468929120000024
2.根据权利要求1所述的利用GNSS测高浮标确定波浪参数的方法，其特征在于，所述步骤S1中，近岸锚系GNSS浮标观测设置数据采样频率不低于1Hz。
3.根据权利要求1所述的利用GNSS测高浮标确定波浪参数的方法，其特征在于，所述步骤S21中，使用国际GNSS服务中心的精密星历和钟差文件，静态解算GNSS参考站在ITRF参考框架下的三维坐标，GNSS接收机接收到的信号中伪距和载波相位具有相同参量，使用组合差分技术，实现公有误差项的剔除。
4.根据权利要求1所述的利用GNSS测高浮标确定波浪参数的方法，其特征在于，所述步骤S3中，高通滤波截断长度设置60s及以上，有效消除长周期信号并保留海浪信息。
5.根据权利要求1所述的利用GNSS测高浮标确定波浪参数的方法，其特征在于，所述步骤S6中，SWH时间序列最终得到150秒时间间隔，精确到cm。
6.根据权利要求1所述的利用GNSS测高浮标确定波浪参数的方法，其特征在于，所述步骤S7中，海浪谱反应不同频率海浪的能量大小信息。
7.根据权利要求1所述的利用GNSS测高浮标确定波浪参数的方法，其特征在于，所述步骤S8中，若海浪谱的峰值存在多个波峰，则说明海浪存在多个不同周期的波的叠加，需通过波数谱进行不同周期的波浪的分离。
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