JP3760243B2 - GPS type ocean wave measurement method - Google Patents

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この発明は、GPSシステムを利用して、海洋波の特に周期を計測するGPS式海洋波計測方法に関する。   The present invention relates to a GPS-type ocean wave measuring method for measuring a period of ocean waves, in particular, using a GPS system.

海難救助等のために海難救命艇が海上に着水する際には、海洋波浪の波高、周期、波長及び波向が海難救命艇の着水を可能にする範囲にあるか否かが、重要なファクターとなっている。しかしながら、こうした海洋波浪の特徴については、航空機からのパイロットの目視による経験的、直感的な分析に頼っているのが現状である。一般的には、海上を上空から撮影した画像に基づいて、海洋波浪の波長を分析している。   When marine lifeboats land on the sea for rescue, etc., it is important that the wave height, period, wavelength and direction of the ocean waves are within a range that allows the marine lifeboat to land. It is a big factor. However, the current state of ocean waves relies on empirical and intuitive analysis of pilots from aircraft. In general, the wavelength of ocean waves is analyzed based on an image taken over the sea from the sky.

GPSシステムを利用して海洋波の周期等の計測方法の一例として、ディファレンシャルGPS方式を用いた計測がある(特許文献1参照)。この計測方法においては、各波浪観測海域毎の浮遊物標にGPS受信機及びトランスポンダ子局を含む波浪観測装置を搭載し、また陸上にトランスポンダ親局及び波浪データ処理装置を設置し、トランスポンダ子局はGPS受信機が測定した浮遊物標の緯度、経度、高度の各データ及び測定時刻データをトランスポンダ親局に送信し、トランスポンダ親局はトランスポンダ子局から受信した浮遊物標の受信データを波浪データ処理装置に供給し、波浪データ処理装置は、供給される各波浪観測海域毎の波浪観測データに基づいて波浪解析を行っている。
特開2001−27665号公報([0013]〜[0019]、図1,図2)
As an example of a method for measuring the period of ocean waves using a GPS system, there is a measurement using a differential GPS method (see Patent Document 1). In this measurement method, a wave observation device including a GPS receiver and a transponder slave station is mounted on a floating target for each wave observation sea area, a transponder master station and a wave data processing device are installed on land, and a transponder slave station is installed. Transmits the latitude, longitude, altitude data and measurement time data of the floating target measured by the GPS receiver to the transponder master station. The transponder master station receives the received data of the floating target received from the transponder slave station as wave data. The wave data processing apparatus supplies the data to the processing apparatus, and performs wave analysis based on the wave observation data for each supplied wave observation sea area.
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-27665 ([0013] to [0019], FIGS. 1 and 2)

GPSを用いた従来の波浪観測は、位置が正確に判明している地上局にGPS衛星からの電波を受信する受信機を配置して、GPS信号の時間誤差等の誤差情報(ディファレンシャルデータ)をUHF帯の電波を発信しておき、浮遊物標は、GPS衛星からの電波と同時にディファレンシャルデータを受信して、GPS衛星から得るデータを補正することで測位精度を向上している。しかしながら、ディファレンシャルデータを発信する地上局施設を設ける必要がある外、ディファレンシャルデータを受信するには、専用の受信機を搭載する必要があり、システムが複雑化して費用も高価になる等の問題も含んでいる。   In conventional wave observation using GPS, a receiver that receives radio waves from a GPS satellite is placed on a ground station whose position is accurately known, and error information (differential data) such as time error of the GPS signal is placed. The UHF band radio wave is transmitted, and the floating target receives differential data simultaneously with the radio wave from the GPS satellite and corrects the data obtained from the GPS satellite to improve the positioning accuracy. However, it is necessary to provide a ground station facility for transmitting the differential data, and in order to receive the differential data, it is necessary to install a dedicated receiver, which causes problems such as complicated system and high cost. Contains.

本発明者らは、先に、GPSを用いて、海洋上又は湖沼上での任意の位置で、波高と流向流速を正確に測定することを可能にするGPS式波高・流向流速計測装置及びそれを用いたシステムを提案している(特願2002−103593号)。海洋上又は湖沼上に浮遊する浮体に設けた1台のGPS受信機で受信したGPS信号に対して高域濾過フィルタとスムージング処理とを行うことによって、GPS信号に含まれる誤差を取り除いているので、波高・流向流速を精度良く計測することを可能としている。   The present inventors have previously described a GPS-type wave height / flow direction flow velocity measuring device and a GPS wave height / flow direction flow velocity measuring apparatus that can accurately measure the wave height and the flow direction flow velocity at an arbitrary position on the ocean or lake using GPS. (Japanese Patent Application No. 2002-103593) has been proposed. Since the high-pass filter and smoothing processing are performed on the GPS signal received by one GPS receiver provided on a floating body floating on the ocean or lake, errors contained in the GPS signal are removed. This makes it possible to accurately measure the wave height and flow direction flow velocity.

また、本発明者らは、GPS測位データに基づいた波向解析アルゴリズムを持つGPS式波向計測方法を提案している(特願2002−362806号)。この提案の中で、GPS測位によるZ軸方向の時系列データ(時間領域データ)である高度データから、ゼロアップクロス法によって波の1周期を取り出すこと、及びその周期で取り出したデータの最大ピーク点の前後の数点における横方向変位から波向を推定することを開示している。   The present inventors have proposed a GPS type wave direction measuring method having a wave direction analysis algorithm based on GPS positioning data (Japanese Patent Application No. 2002-362806). In this proposal, one period of wave is extracted by altitude data that is time series data (time domain data) in the Z-axis direction by GPS positioning, and the maximum peak of the data extracted in that period The wave direction is estimated from the lateral displacement at several points before and after the point.

そこで、ディファレンシャルデータのような他の信号に依ることなく、ブイに搭載した単独GPS受信機で受信したGPS信号に基づいて、ブイの揺れ動きから海洋波の周期、更にはそうして得られた周期に基づいて海洋波の波長、波速を得る点で解決すべき課題がある。   Therefore, based on the GPS signal received by the single GPS receiver mounted on the buoy, without depending on other signals such as differential data, the period of the ocean wave from the buoy movement, and the period thus obtained There is a problem to be solved in terms of obtaining the wavelength and wave velocity of ocean waves based on this.

この発明の目的は、ディファレンシャルデータのような他のシステムからの信号に依ることなく、ブイに搭載された単独GPS受信機が受信するGPS信号に基づいて、低コストで、海洋波の周期、更にはそうして得られた周期に基づいて波長、波速を求めることができるGPS式海洋波計測方法を提供することである。   The object of the present invention is to provide a low-cost, ocean wave cycle based on GPS signals received by a single GPS receiver mounted on a buoy, without relying on signals from other systems such as differential data. Is to provide a GPS type ocean wave measuring method capable of obtaining the wavelength and wave velocity based on the period obtained in this way.

上記の課題を解決するため、この発明によるGPS式海洋波計測方法は、ブイに搭載した単独GPS受信機が受信したGPS信号に対し、GPS衛星の数の変化に基づくジャンプを取り除いた修正上下方向運動データを生成し、次いで該修正上下方向運動データに対し高域フィルタ処理を行い前記ブイが海洋波によって揺れ動くときの前記ブイの上下方向運動データを生成し、次に該上下方向運動データに対し周波数スペクトル解析を施すことによって前記海洋波の周期を求めることから成っている。 To solve the above problems, GPS offshore wave measuring method according to the invention, against the GPS signals received by the single GPS receiver mounted on the buoy, corrected vertical removal of the jump based on the change in the number of GPS satellites Generating movement data, and then performing high-pass filtering on the modified vertical movement data to generate vertical movement data of the buoy when the buoy is swayed by ocean waves, and then generating the vertical movement data It consists of obtaining the period of the ocean wave by performing frequency spectrum analysis.

このGPS式海洋波計測方法によれば、ブイに搭載される単独GPS受信機が受信したGPS信号に基づいて、ブイが海洋波によって揺れ動くときのブイの上下方向運動データを生成し、上下方向運動データにスペクトル解析を施すことによって、ブイが浮遊する海洋波の周期が求められる。上下方向運動データのスペクトル解析によれば、周波数領域で分布した特性が得られるので、一例としてその分布のピーク値を付ける周波数に対応する周期を、海洋波の周期とすることができる。周波数領域において、ピークは単一のピークに限らず、複数のピーク(極大値)を付ける場合もある。   According to this GPS type ocean wave measurement method, based on the GPS signal received by a single GPS receiver mounted on the buoy, the buoy's vertical motion data when the buoy is shaken by the ocean wave is generated, and the vertical motion By performing spectral analysis on the data, the period of ocean waves in which the buoy floats is determined. According to the spectrum analysis of the vertical motion data, the characteristics distributed in the frequency domain can be obtained. For example, the period corresponding to the frequency to which the peak value of the distribution is applied can be set as the period of the ocean wave. In the frequency domain, the peak is not limited to a single peak, and may have a plurality of peaks (maximum values).

このGPS式海洋波計測方法において、前記海洋波の前記周期を、前記周波数スペクトル解析によって得られる周波数領域における波高パワーにおいて、前記波高パワーが最大ピーク値を付ける前記周波数の逆数として求めることができる。 In this GPS offshore wave measuring method, the period of the ocean waves, the wave height power in the frequency domain obtained by the frequency spectrum analysis, the wave height power can be obtained as the inverse of the frequency to give the maximum peak value.

このGPS式海洋波計測方法において、前記海洋波の波長を、前記周期と水深との間で成り立つ下記の関係式から前記海洋波の周期毎に推定することができる。

Figure 0003760243
ここで、Tは周期、Lは波長、hは水深である。
上記関係式は、海洋波の周期と波長、及びその海洋波が水面に存在する海洋の水深を関係づける海洋工学上の式である。水深は、海図又は実測で求めることができる。したがって、求めた海洋波の周期に基づいて、或いはスペクトル別に、関係式を満たすような波長を求めることができる。 In this GPS type ocean wave measurement method, the wavelength of the ocean wave can be estimated for each period of the ocean wave from the following relational expression established between the period and the water depth.
Figure 0003760243
Here, T is the period, L is the wavelength, and h is the water depth.
The above-mentioned relational expression is an expression in ocean engineering that relates the period and wavelength of the ocean wave and the depth of the ocean where the ocean wave exists on the water surface. The water depth can be determined by chart or actual measurement. Therefore, a wavelength that satisfies the relational expression can be obtained based on the obtained ocean wave period or for each spectrum.

このGPS式海洋波計測方法において、前記海洋波の周期毎に前記海洋波の波速を、前記海洋波の前記周期と前記波長とから求めることができる。具体的には、波長をその周期で除することで海洋波の波速を求めることが可能である。波長は周期に応じて異なる値を示すので、海洋波の波速は各周期に応じて、或いはスペクトル別に求められる。   In this GPS type ocean wave measuring method, the wave speed of the ocean wave can be obtained from the cycle of the ocean wave and the wavelength for each cycle of the ocean wave. Specifically, the wave velocity of the ocean wave can be obtained by dividing the wavelength by the period. Since the wavelength shows a different value depending on the period, the wave velocity of the ocean wave is obtained according to each period or for each spectrum.

このGPS式海洋波計測方法において、前記スペクトル解析によって求められた前記周期Tを用いた前記関係式の右辺において水深hが無限大としたときの前記波長の初期値を求め、前記周期Tと水深hを用いた前記関係式の右辺において、前記波長Lに前記初期値を代入して前記波長の更新値を求め、その後、前記波長Lに前記更新値を代入して前記波長Lの更なる更新値を求める計算を繰り返し、収束したと判定される前記更新値を前記水深hの海洋上における前記周期Tを持つ海洋波の波長であると推定することができる。上記関係式は、超越方程式であるので一般的には解析的な解析解を求めることはできないが、左辺と右辺に波長Lを含んでおり、しかも左辺が波長Lそれ自体であるという式構造を利用して、繰り返し計算法が適用可能である。こうした繰り返し計算法によって、更新値が収束したと判定されるときにその更新値を方程式の解に十分近似した近似解とすることができる。なお、実際の水深としては、海図又は実測によって求めた水深が用いられる。   In this GPS type ocean wave measurement method, an initial value of the wavelength when the water depth h is infinite on the right side of the relational expression using the period T obtained by the spectrum analysis is obtained, and the period T and the water depth are calculated. In the right side of the relational expression using h, the initial value is substituted for the wavelength L to obtain the updated value of the wavelength, and then the updated value is substituted for the wavelength L to further update the wavelength L The calculation for obtaining the value is repeated, and the updated value determined to have converged can be estimated as the wavelength of the ocean wave having the period T on the ocean at the depth h. Since the above relational expression is a transcendental equation, an analytical analytical solution cannot be generally obtained. However, an equation structure in which the wavelength L is included on the left side and the right side, and the left side is the wavelength L itself. It is possible to apply an iterative calculation method. By such an iterative calculation method, when it is determined that the updated value has converged, the updated value can be made an approximate solution sufficiently approximating the solution of the equation. In addition, as an actual water depth, the water depth calculated | required by the chart or measurement is used.

この発明によるGPS式海洋波計測方法は、海洋波の周期、更にはその周期に基づいた波長及び波速を推定する方法を提案している。単独GPS受信機が受信したGPS信号に基づいて単独GPS受信機を搭載したブイの揺れ動き運動の上下方向運動データを生成し、その上下方向運動データについてスペクトル解析を施すことによって、海洋波の振動数が特定される。また、その振動数から海洋波の周期が求められ、その結果から、近似式を用いてスペクトル別の波長が計算され、更には波速も計算される。海難救助の際には、航空機から単独GPS受信機を搭載した投下型のブイを海難位置に投下することで、このGPS式海洋波計測方法を適用することができる。海難位置の海面の波浪状況は直ちに定量的数値で把握でき、海難救助艇のパイロットや沿岸陸地に送信することが可能となって、救助の成功率の向上や二次的遭難・災害の防止に役立つことが期待される。   The GPS type ocean wave measuring method according to the present invention proposes a method for estimating the period of ocean waves, and further the wavelength and wave speed based on the period. Based on the GPS signal received by the single GPS receiver, the vertical motion data of the swaying motion of the buoy equipped with the single GPS receiver is generated, and the frequency analysis of the vertical motion data is performed to analyze the frequency of the ocean wave. Is identified. Further, the period of the ocean wave is obtained from the frequency, and from the result, the wavelength for each spectrum is calculated using an approximate expression, and the wave speed is also calculated. In the case of maritime rescue, this GPS type ocean wave measurement method can be applied by dropping a drop-type buoy equipped with a single GPS receiver from an aircraft to a marine accident position. The state of the ocean surface at the marine accident location can be immediately grasped with quantitative values, which can be transmitted to the rescue boat pilot or coastal land, improving the success rate of rescue and preventing secondary distress and disasters. Expected to be useful.

以下、添付した図面に基づいて、この発明によるGPS式海洋波速計測方法の実施例を説明する。図1は、この発明によるGPS式海洋波計測方法を適用することができるシステムの概要を示す図である。単独GPS受信機2を搭載した投下型ブイ(以下、「GPS式ブイ」と略す。)1が海洋に浮遊せられ、単独GPS受信機2は軌道を周回する複数のGPS衛星3からのGPS信号を逐次切り替えて受信可能である。GPS式ブイ1は、図示しないが、その近海を航行する船舶や上空を飛行する航空機との間で通信が可能である。符号hは海面から海底4までの水深を、符号Lは海洋波5の波長を示す。   Hereinafter, embodiments of a GPS type ocean wave velocity measuring method according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a diagram showing an outline of a system to which a GPS type ocean wave measurement method according to the present invention can be applied. A drop type buoy (hereinafter abbreviated as “GPS buoy”) 1 equipped with a single GPS receiver 2 is suspended in the ocean, and the single GPS receiver 2 receives GPS signals from a plurality of GPS satellites 3 orbiting the orbit. Can be received by sequentially switching. Although not shown in the figure, the GPS buoy 1 can communicate with a ship that navigates in the vicinity of the buoy and an aircraft that flies over the sea. The symbol h indicates the water depth from the sea surface to the sea floor 4, and the symbol L indicates the wavelength of the ocean wave 5.

図2は、この発明によるGPS式海洋波計測方法の全体流れを示すフローチャートである。このGPS式海洋波計測方法は、GPS式ブイ1を用いて海洋波の周期・波長及び波速を測定する方法であって、図2に示す全体流れによれば、先ず、GPS式ブイ1に搭載されている単独GPS受信機2が受信したGPS信号に基づいて、海洋上に浮遊するGPS式ブイ1の3次元位置情報(正確にはGPS受信機2の3次元位置情報)が取得される(ステップ1、「S1」と略す。以下同じ)。S1で取得されたGPS式ブイ1の3次元位置情報に基づいて、GPS式ブイ1の高度方向(Z軸方向)、即ち、上下方向運動のデータが生成され、その上下方向運動データについてスペクトル解析が行われる(S2)。十分な時間にわたって3次元位置情報が得られれば、上下方向運動データについて周波数毎に解析が可能である。S2におけるスペクトル解析において、波の振動数毎の波高パワーが計算される(S3)。S3で計算された波高パワーについては、例えば振動数領域でグラフ化することで、波高パワーの振動数分布を得ることができる。波高パワーのピーク値に対応した波の振動数が海洋波の代表的な振動数とみなされ、その代表的な振動数の逆数として海洋波の周期が求められる(S4)。   FIG. 2 is a flowchart showing the overall flow of the GPS type ocean wave measurement method according to the present invention. This GPS type ocean wave measuring method is a method of measuring the period / wavelength and wave velocity of ocean waves using the GPS type buoy 1. According to the overall flow shown in FIG. Based on the GPS signal received by the single GPS receiver 2, the three-dimensional position information of the GPS buoy 1 floating on the ocean (more precisely, the three-dimensional position information of the GPS receiver 2) is acquired ( Step 1, abbreviated as “S1” (hereinafter the same). Based on the three-dimensional position information of the GPS buoy 1 acquired in S1, the altitude direction (Z-axis direction) of the GPS buoy 1, that is, the vertical motion data is generated, and the vertical motion data is spectrally analyzed. Is performed (S2). If the three-dimensional position information is obtained over a sufficient time, the vertical motion data can be analyzed for each frequency. In the spectrum analysis in S2, the wave height power for each wave frequency is calculated (S3). The wave height power calculated in S3 can be graphed in the frequency region, for example, to obtain a frequency distribution of the wave height power. The frequency of the wave corresponding to the peak value of the wave height power is regarded as the typical frequency of the ocean wave, and the period of the ocean wave is obtained as the reciprocal of the typical frequency (S4).

予め波長と周期との間で判明している関係式に基づいて、S4で求めた周期を用いて海洋波の波長及び波速が求められる(S5)。関係式は、水深hと、海洋波の周期及び波長Lとの関係を定める式であり、波長を求める解析フローチャートとともに後述する。波長が求まれば、波長を周期で除算することで波速を求めることができる。海洋波について得られた情報は、海洋波浪情報として航空機や沿岸基地局へ伝送される(S6)。伝送手段としては、特小無線や携帯電話のパケット通信機能を利用することができる。   Based on the relational expression previously known between the wavelength and the period, the wavelength and wave velocity of the ocean wave are obtained using the period obtained in S4 (S5). The relational expression is an expression that defines the relation between the water depth h, the period of the ocean wave and the wavelength L, and will be described later together with an analysis flowchart for obtaining the wavelength. Once the wavelength is determined, the wave velocity can be determined by dividing the wavelength by the period. The information obtained about the ocean wave is transmitted to the aircraft and the coastal base station as ocean wave information (S6). As a transmission means, a packet communication function of extra-small radio or a mobile phone can be used.

図3はGPS式ブイの上下方向の運動から波の周期を求める一例を示すデータ図、図4はGPS式ブイの上下方向運動データの波高スペクトル解析による振動数の求め方の一例を示すグラフである。図3に示すデータ図において、(A)は図1に示すGPS式ブイ1に搭載されている単独GPS受信機2が受信するGPS衛星3の数の変化を示す連続データ図、(B)はGPS信号から求めたGPS式ブイ1の高さ(Z方向)の変化を示す生データ(生の上下方向運動データ)図、(C)は(B)に示す連続データ図からGPS衛星3の数の変化に基づくジャンプを取り除いたときのGPS式ブイ1の高さの変化を示す連続修正データ(修正上下方向運動データ)図、(D)は(C)に示す連続修正データに対してフィルタ処理を施したときのGPS式ブイ1の高さの変化を示すフィルタ処理データ図である。   FIG. 3 is a data diagram showing an example of obtaining the wave period from the vertical movement of the GPS buoy, and FIG. 4 is a graph showing an example of how to obtain the frequency by wave height spectrum analysis of the vertical movement data of the GPS buoy. is there. In the data diagram shown in FIG. 3, (A) is a continuous data diagram showing the change in the number of GPS satellites 3 received by the single GPS receiver 2 mounted on the GPS buoy 1 shown in FIG. A raw data (raw vertical motion data) diagram showing a change in the height (Z direction) of the GPS buoy 1 obtained from the GPS signal, (C) is the number of GPS satellites 3 from the continuous data diagram shown in (B). FIG. 4D is a continuously corrected data (corrected vertical motion data) diagram showing a change in the height of the GPS buoy 1 when a jump based on the change in the distance is removed. FIG. 4D is a filter process for the continuously corrected data shown in FIG. It is a filter processing data figure which shows the change of the height of the GPS type buoy 1 when it gave.

図3(A)から判るように、この例では、時間264秒の付近で受信するGPS衛星3の数は、8から7に減少している。図(B)に示すGPS信号から求めたGPS式ブイ1の生の上下方向運動データから判るように、GPS式ブイ1は海洋波によって絶えず上下方向に動いており、しかも、GPS衛星3の数が変化するときに対応して、GPS式ブイ1の高さの変動の水準が変化(ジャンプ現象)することが判る。こうした変動水準の不連続な変化を取り除いたときの修正上下方向運動データが図(C)に示されており、図(C)のデータに対してフィルタ処理(超長周期のうねりのような波をカットする高域フィルターによる処理)を施すことによって、図(D)に示すようなフィルタ処理後の上下方向運動データが得られ、このデータから波の1周期を測定することができる。周期Tの定義としては、一般には、上下方向運動の中立点を下から上に通過してその後再び下から上に通過するまでにかかった時間とする、所謂、ゼロアップクロス法が適用されるが、ここでは、以下のスペクトル解析法を適用して求められる。 As can be seen from FIG. 3A, in this example, the number of GPS satellites 3 received in the vicinity of time 264 seconds has decreased from 8 to 7. As can be seen from the raw vertical motion data of the GPS buoy 1 obtained from the GPS signal shown in FIG. 3 (B), the GPS buoy 1 is constantly moving up and down due to ocean waves. It can be seen that the level of fluctuation of the height of the GPS buoy 1 changes (jump phenomenon) in response to the number changing. Fig. 3 (C) shows the corrected vertical motion data after removing such discontinuous changes in the fluctuation level. The data shown in Fig. 3 (C) is subjected to filtering (such as an ultra-long period swell). 3 ), the vertical motion data after the filter processing as shown in FIG. 3D is obtained, and one wave period can be measured from this data. . As a definition of the period T, in general, a so-called zero-up cross method is used in which the time taken from passing through the neutral point of the vertical movement from the bottom to the top and then from the bottom to the top again is applied. However, it is obtained here by applying the following spectral analysis method.

フィルタ処理後の上下方向運動データ(波高データ)についてスペクトル解析を施すことによって、周波数領域における波高パワーの分布が得られる。即ち、図4に示すように、横軸に振動数を縦軸に波高パワーを目盛ることにより、振動数に応じた波高パワーの分布が得られる。図4に示す例では、0.22Hz付近に最も高い第1ピーク(周期4.5秒)が現れており、0.17Hz付近に次に高い第2ピーク(周期5.8秒)、更に0.12Hz付近に次に高い第3ピーク(周期8.4秒)が現れているのが判る。この場合、波高パワーが最も大きい周期4.5秒の波が代表する海洋波として定められる。   By performing spectrum analysis on the vertical motion data (wave height data) after the filter processing, a distribution of the wave height power in the frequency domain can be obtained. That is, as shown in FIG. 4, by distributing the frequency on the horizontal axis and the crest power on the vertical axis, a distribution of the crest power according to the frequency can be obtained. In the example shown in FIG. 4, the highest first peak (period 4.5 seconds) appears near 0.22 Hz, the second highest peak (period 5.8 seconds) near 0.17 Hz, and 0 It can be seen that the third highest peak (period 8.4 seconds) appears in the vicinity of .12 Hz. In this case, it is determined as an ocean wave represented by a wave having a period of 4.5 seconds with the highest wave power.

周期が求められると、波長と周期、水深とを関係付ける関係式から波長を求めることができる。即ち、水深が十分深く、波動現象を微小振幅表面波と仮定できる場合、その波長L(図1に示す)と周期T、水深hとの間には、gを重力加速度として、式(1)として示す関係式が存在する。

Figure 0003760243
If a period is calculated | required, a wavelength can be calculated | required from the relational expression which relates a wavelength, a period, and water depth. That is, when the water depth is sufficiently deep and the wave phenomenon can be assumed to be a micro-amplitude surface wave, between the wavelength L (shown in FIG. 1), the period T, and the water depth h, g is the gravitational acceleration and the equation (1) There exists a relational expression shown as
Figure 0003760243

式(1)は超越方程式であって解析的には解くことができないが、以下のような本発明による繰り返し計算によって数値的に解くことが考えられる。式(1)には、右辺と左辺の両方に波長Lが含まれており、特に、左辺は波長Lそれ自体である。そこで、波長Lを未知数xと書き直すと、式(1)は次の(2−1)と(2−2)とから成る式(2)で表されるような連立方程式、即ち、一つの直線と一つの曲線との交点を求める問題に帰着する。

Figure 0003760243
Although equation (1) is a transcendental equation and cannot be solved analytically, it can be considered to be solved numerically by the following iterative calculation according to the present invention. In the formula (1), the wavelength L is included in both the right side and the left side, and in particular, the left side is the wavelength L itself. Therefore, when the wavelength L is rewritten as an unknown number x, the equation (1) is a simultaneous equation represented by the following equation (2) consisting of (2-1) and (2-2), that is, one straight line. And the problem of finding the intersection of one curve.
Figure 0003760243

図5はこの発明によるGPS式海洋波計測方法において用いられる数値解析手法を表す解析フローチャートであり、図6は図5に示される解析フローチャートによって実行される繰り返し計算の収束性を示す図である。図5に示す解析フローチャートにおいて、計算が開始される(ステップ11、「S11」と略す。以下同様)と、先ず、海図又は実測によって水深hが求められる(S12)。求めた水深hが、式(2−2)に与えられる(S13)。上記した波高スペクトル解析によって求められた振動数の逆数を求めることで周期が算出される(S14)。算出された周期Tが、式(2−2)に与えられる(S15)。式(2−2)を演算することによって、波長Lの初期値x0が計算される(S16)。初期値x(0)を式(2−2)の下式の右辺に代入して、得られたyを波長の更新値x(1)とする(S17)。前回求めた波長(最初では、初期値x(0))と今回求めた更新値(最初の場合、更新値x(1))との差(誤差)を評価する(S18)。誤差が定められた値以上であるときには、S17に戻って、更新値x(1)を再び式(2−2)の下式の右辺に代入し、得られたyを波長の更なる更新値x(2)とし、S18において更新値x(1)と更新値x(2)との誤差を評価する。以下、同様の更新値計算と誤差評価計算を繰り返し,x(n+1)とx(n)との差が十分小さくなったとき、波長Lを求める計算は収束したものとして終了する(S19)。   FIG. 5 is an analysis flowchart showing a numerical analysis method used in the GPS type ocean wave measurement method according to the present invention, and FIG. 6 is a diagram showing the convergence of iterative calculations executed by the analysis flowchart shown in FIG. In the analysis flowchart shown in FIG. 5, when the calculation is started (step 11, abbreviated as “S11”, the same applies hereinafter), first, the water depth h is obtained by a chart or actual measurement (S12). The obtained water depth h is given to equation (2-2) (S13). The period is calculated by obtaining the reciprocal of the vibration frequency obtained by the above-described wave height spectrum analysis (S14). The calculated period T is given to equation (2-2) (S15). By calculating the equation (2-2), the initial value x0 of the wavelength L is calculated (S16). The initial value x (0) is substituted into the right side of the lower expression of expression (2-2), and the obtained y is set as the wavelength update value x (1) (S17). The difference (error) between the previously obtained wavelength (initially, the initial value x (0)) and the updated value obtained this time (in the first case, the updated value x (1)) is evaluated (S18). When the error is equal to or larger than the predetermined value, the process returns to S17, and the update value x (1) is again substituted into the right side of the lower expression of the expression (2-2), and the obtained y is further updated the wavelength. x (2), and an error between the update value x (1) and the update value x (2) is evaluated in S18. Thereafter, the same update value calculation and error evaluation calculation are repeated, and when the difference between x (n + 1) and x (n) becomes sufficiently small, the calculation for obtaining the wavelength L is terminated as converged (S19).

一般に、GPS式ブイでは、測定可能な周期Tは3〜16秒である。図6には、例として、T=16とT=8としたときの超越方程式の解の収束性の様子が示されている。各周期Tに対して3本の線が示されているが、各線は、それぞれ水深hを50,100,500mに変化させたときに対応している。図6において、実際の水深hが実測又は海図から50mであるとし、海洋波の周期Tは16秒とする。波長Lの初期値x(0)として、h=∞としたときの各式の交点が利用される。即ち、x(0)は、式(2−2)においてh=∞と置くことにより、L=gT2 /(2π)として求められる。図6においては、h=500が十分深い水深であるとして周期Tが16秒のとき、直線(y=x)と、h=500mのときの曲線との交点(A)のx座標として求められる(x(0)=400m)。水深hを50mとするときに、初期値x(0)(=400m)を式(2−2)に代入することによって、交点(B)のy座標としてy(1)(=260m)が得られる。式(2−1)により、y(1)をx(0)の更新値x(1)とする(交点(C))。更新値x(1)と元のx(0)との差|x(1)−x(0)|(=140m)が評価される。十分収束していないと判断されると、水深hが50mであるときに、更新値x(1)(=260m)を式(2−2)に代入することによって、交点(D)のy座標としてy(2)(=330m)が得られる。式(2−1)により、y(2)をx(1)の更新値x(2)とする(交点(E))。更新値x(2)と更新前の値x(1)との差|x(2)−x(1)|(=70m)が評価される。以下、同様に繰り返し計算をしていき、更新値x(n+1)と更新前の値x(n)との誤差が予め設定された設定値よりも小さくなったとき、波長の計算は収束したと判断してそのときの更新値を波長Lと近似する。図6の例では、波長の初期値x(0)=400mから繰り返し計算を開始して、8回目で誤差1%以内に収束した。 Generally, in the GPS buoy, the measurable period T is 3 to 16 seconds. FIG. 6 shows, as an example, how the solution of the transcendental equation converges when T = 16 and T = 8. Three lines are shown for each period T, and each line corresponds to when the water depth h is changed to 50, 100, and 500 m, respectively. In FIG. 6, it is assumed that the actual water depth h is 50 m from the actual measurement or the chart, and the period T of the ocean wave is 16 seconds. As the initial value x (0) of the wavelength L, the intersection of each equation when h = ∞ is used. That is, x (0) is obtained as L = gT 2 / (2π) by setting h = ∞ in the equation (2-2). In FIG. 6, when h = 500 is a sufficiently deep water depth and the period T is 16 seconds, the x coordinate of the intersection (A) between the straight line (y = x) and the curve when h = 500 m is obtained. (X (0) = 400 m). When the water depth h is 50 m, by substituting the initial value x (0) (= 400 m) into the equation (2-2), y (1) (= 260 m) is obtained as the y coordinate of the intersection (B). It is done. According to Expression (2-1), y (1) is set as an updated value x (1) of x (0) (intersection (C)). The difference | x (1) −x (0) | (= 140 m) between the updated value x (1) and the original x (0) is evaluated. If it is determined that the water has not converged sufficiently, when the water depth h is 50 m, by substituting the update value x (1) (= 260 m) into the equation (2-2), the y coordinate of the intersection (D) As a result, y (2) (= 330 m) is obtained. According to Expression (2-1), y (2) is set as an updated value x (2) of x (1) (intersection (E)). The difference | x (2) −x (1) | (= 70 m) between the update value x (2) and the value x (1) before the update is evaluated. Thereafter, the calculation is repeated in the same manner, and when the error between the update value x (n + 1) and the value before update x (n) becomes smaller than a preset value, the wavelength calculation has converged. The updated value at that time is approximated to the wavelength L. In the example of FIG. 6, the calculation was repeatedly started from the initial wavelength value x (0) = 400 m, and converged within an error of 1% at the eighth time.

このような繰り返し計算では、計算の収束性は図6における式(2−1)に示されるy=xと、式(2−2)に示される曲線の交点での曲線側の傾きに依る。一般には、曲線側の傾きが−1以上、0以下であれば問題がないことが判っているが、本問題では、T=16(最大)で水深hが50mの場合でも、曲線の傾きは−0.58で収束性が保証される。水深hは一般的にはこれ以上であると考えられ、水深hが深くなればなるほど、グラフはフラットになる、即ち、傾きは0に近づくため、収束性が崩れることはない。また、周期Tが小さくなると、図6に示すグラフでは更に傾きが減少する方向にあるので、やはり収束性は保証されるが、今回のように、GPS式ブイは十分に水深のある海域に投入されることを考えると、本手法による繰り返し計算で問題がないことが判かる。   In such repeated calculation, the convergence of the calculation depends on y = x shown in Expression (2-1) in FIG. 6 and the slope on the curve side at the intersection of the curves shown in Expression (2-2). In general, it is known that there is no problem if the slope on the curve side is −1 or more and 0 or less. However, in this problem, the slope of the curve is T even when T = 16 (maximum) and the water depth h is 50 m. Convergence is guaranteed at -0.58. The water depth h is generally considered to be higher than this, and the graph becomes flatter as the water depth h becomes deeper, that is, the slope approaches 0, and the convergence is not lost. In addition, as the period T becomes smaller, the slope in the graph shown in FIG. 6 is further reduced, so convergence is still guaranteed, but the GPS buoy is thrown into a sufficiently deep water area like this time. In view of this, it can be seen that there is no problem with the repetitive calculation by this method.

波数毎の波長分布データの一例及び波数毎の波速分布データの一例が、それぞれ図7又は図8に示されている。図7及び図8において、横軸は、ブイの上下運動から計測できる1周期(中立点を下から上に通過してその後再び下から上に通過するまでにかかった時間)の波が基準時間間隔、例えば10分間で存在する数としての「波数」である。図7及び図8においては、それぞれ、個々の波に対応した波長又は波速が実線で示され、スペクトル解析によって現れる第1ピークから第3ピークまでのピークに対応する波の波長又は波速が区別して示されている。なお、有義波長とは、波の周期を大きい順に並べて大きい方から3分の1の平均を取った際の周期から計算した波長である。   An example of wavelength distribution data for each wave number and an example of wave velocity distribution data for each wave number are shown in FIG. 7 and FIG. 8, respectively. 7 and 8, the horizontal axis indicates the wave of one cycle (the time taken from passing through the neutral point from the bottom to the top and then from the bottom to the top again) that can be measured from the vertical movement of the buoy. “Wave number” as an interval, for example, the number present in 10 minutes. In FIGS. 7 and 8, the wavelength or wave speed corresponding to each wave is indicated by a solid line, and the wavelength or wave speed of the wave corresponding to the peak from the first peak to the third peak appearing by spectral analysis is distinguished. It is shown. The significant wavelength is a wavelength calculated from the period when the wave periods are arranged in descending order and an average of one third is taken from the larger one.

この発明によるGPS式海洋波計測方法が適用される海洋波計測システムの一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the ocean wave measurement system to which the GPS type ocean wave measurement method by this invention is applied. この発明によるGPS式海洋波計測方法の全体流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the whole flow of the GPS type ocean wave measuring method by this invention. GPS式ブイの上下方向の運動から波の周期を求める一例を示すデータ図である。It is a data figure which shows an example which calculates | requires the period of a wave from the motion of the up-down direction of a GPS type buoy. GPS式ブイから送信された信号からの波高スペクトル解析による振動数の求め方の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of how to obtain | require the frequency by the wave height spectrum analysis from the signal transmitted from the GPS type buoy. この発明によるGPS式海洋波計測方法において用いられる数値解析手法を表す解析フローチャートである。It is an analysis flowchart showing the numerical analysis method used in the GPS type ocean wave measuring method by this invention. 図4に示される解析フローチャートによって実行される繰り返し計算の収束性を示す図である。It is a figure which shows the convergence of the iterative calculation performed with the analysis flowchart shown by FIG. 波数毎の波長分布データの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the wavelength distribution data for every wave number. 波数毎の波速分布データの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the wave velocity distribution data for every wave number.

符号の説明Explanation of symbols

1 GPS式ブイ
2 単独GPS受信機
3 GPS衛星
4 海底
5 海洋波
T 海洋波の周期
L 海洋波の波長
h 水深
1 GPS type buoy 2 Single GPS receiver 3 GPS satellite 4 Sea floor 5 Ocean wave T Ocean wave cycle L Ocean wave wavelength h Water depth

Claims (4)

ブイに搭載した単独GPS受信機が受信したGPS信号に対し、GPS衛星の数の変化に基づくジャンプを取り除いた修正上下方向運動データを生成し、次いで該修正上下方向運動データに対し高域フィルタ処理を行い前記ブイが海洋波によって揺れ動くときの前記ブイの上下方向運動データを生成し、次に該上下方向運動データに対し周波数スペクトル解析を施すことによって前記海洋波の周期を求めることから成るGPS式海洋波計測方法。 Against the GPS signals equipped with single GPS receiver has received the buoy, to generate a modified vertical motion data obtained by removing the jump based on the change in the number of GPS satellites, then the high pass filtering to the modified vertical movement data And generating the vertical motion data of the buoy when the buoy is swayed by the ocean wave, and then determining the period of the ocean wave by performing frequency spectrum analysis on the vertical motion data. Ocean wave measurement method. 前記海洋波の前記周期を、前記周波数スペクトル解析によって得られる周波数領域における波高パワーにおいて、前記波高パワーが最大ピーク値を付ける前記周波数の逆数として求めることから成る請求項1に記載のGPS式海洋波計測方法。 2. The GPS type ocean wave according to claim 1, wherein the period of the ocean wave is obtained as a reciprocal of the frequency at which the peak power has a maximum peak value in a peak power in a frequency domain obtained by the frequency spectrum analysis. Measurement method. 前記海洋波の波長を、前記周期と水深との間で成り立つ下記の関係式x(n)の収束値から前記海洋波の周期毎に推定することからなる請求項1又は2に記載のGPS式海洋波計測方法。
x(0)=g×T /(2π)
x(n+1)=g×T /(2π)×tanh(2πh/x(n))(n=0,1,・・・・)
ここで、Tは周期、hは水深である
The GPS formula according to claim 1 or 2 , wherein the wavelength of the ocean wave is estimated for each cycle of the ocean wave from a convergence value of the following relational expression x (n) established between the cycle and the water depth. Ocean wave measurement method.
x (0) = g × T 2 / (2π)
x (n + 1) = g × T 2 / (2π) × tanh (2πh / x (n)) (n = 0, 1,...)
Here, T is the period and h is the water depth .
前記海洋波の波速を、前記海洋波の周期毎に前記周期と前記波長とから求めることからなる2又は3に記載のGPS式海洋波計測方法。 The GPS type ocean wave measurement method according to 2 or 3 , wherein the wave velocity of the ocean wave is obtained from the cycle and the wavelength for each cycle of the ocean wave.
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