GPS浮标波浪测量方法研究
GPS 接收机波浪浮标
GPS 接收机波浪浮标姓名：王志光学号：21140911022 摘要：波浪浮标是一种无人值守，自动检测的常用的海洋监测设备。
首先，介绍GPS波浪浮标测波方法和海洋环境对GPS测波的影响。
然后，分析了单点GPS 接收机测波浮标的测量原理。
最后，提出了单点GPS 接收机测波浮标的初步设计方案，进一步推动这项测波技术的在国内的应用。
关键词：波浪浮标；全球定位系统；波高；波周期Wave buoy Based on GPS ReceiverAbstract:Wave buoy is a unmanned，automatic and common marine monitoring equipment. First,the paper introduces the method of GPS wave buoy and the impact on the GPS wave measurement in the marine environment. Then,the principle of wave buoy based on single-point GPS receiver is analyzed. Finally, a prototype design of wave buoy with a GPS receiver is proposed. This is a fundamental design for the application system.Key words: wave buoy; GPS; wave height; wave period1 引言在海洋工程领域，海浪属于地球上最复杂的自然现象，其特性为我们的海洋工程工作提供重要的参考。
波浪浮标是一种无人值守的测量系统，它在固定的时间和地点连续自动采集波形数据[1]。
除了传统的利用内置加速度计来测量波浪之外，国外又新开发了单点GPS 接收机测波浮标[2-4]，使用GPS 接收机从多个方向多个卫星接收GPS 信号，根据多普勒频偏原理计算出GPS 信号的频率变化量，从而能够得到浮标体高精度的三维运动参数，进而求解出波浪的信息。
基于GPS单点测速的海浪测量方法初探
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｉ ｐ ｐ ｒａ ａ ｙ ｅ ｈ ｘ ｓｉ ｇ ｍｅ ｈ ｄ ｆｗａ ｅ ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ ａ ｄ ｄ ｓ ｒｂ ｄ ｔ ｅ ａ ｖ ｎ ａ ｅ ｆＧＰ ｏ ｓｒ ｃ ： ｈ ｓ ａ ｅ ｎ ｌ ｚ ｄ ｔ ｅ ｅ ｉｔ ｔ ｏ ｓ ｏ ｖ ａ ｕ ｅ ｎ ， ｎ ｅ ｃ ｉ ｅ ｄ ａ ｔ ｇ ｓ ｏ Ｓ ｔ ｎ ｈ
，
（． ｙＬａｏ ａｏｙｏ Ｍ ａｉｅＨｙ ｒ ｃ ｂ ｎＲｅｏ ｒｅ ｎ １ Ｋｅ ｂ ｒｔｒ ｆ ｒｎ ｄｏ ａ ｏ ｒ ｓｕｃ ｓａ ｄＥｎ ｉ ｎ ｎａ Ｇｅ ｌｇ ， ｉｉ ｒ ｆ ａ ｄａ ｄＲｅｏ ｒｅ ， ｎ ｄ ｏ２ ６ ７１Ｃｈｎ ； ｖｒ ｍｅ ｔｌ ｏｏ ｙ Ｍ ｎｓ ｙｏ Ｌ ｎ ｎ ｏ ｔ ｓ ｕｃ ｓＱｉｇ ａ ６ ０ ， ｉａ
＝
） ｐ（＋ 即 ）ｃ （ ｉｔ ｃ ｊ） 一 ｆ ｆ ） ２ １
＋△ ， （） ｒ ＋△ ， （）
２ ｊ ５（ ＋ ） ｃ Ｄ ／ ｔ ｃ 一 ｉ）
＋△ ， ｆ ＋ ， ） 。 ， ） 十￡ （
（ ３ ）
。
。 ，ｃ ｚ
］一 ｒ［４ ［萋 萎 喜 誊ｉ ｉ］ ］
２ Ｑｉｇ ａ ｎｔｕｅ ｆ ｒ ｅ ｅ ｌｇ ， ｉｇ ａ ６ ０ １ Ｃ ｉａ ３ Ｔ ｅ ｉ ｔ ｎ ｔ ｔ ｏ Ｏ ｅｎ ｇａ ｈ ＯＡ Ｑ ｎ ｄ ｏ ６ ０ １ Ｃ ｉａ ． ｎ ｄ ｏＩｓ ｔｔ ｏ Ｍａｉ Ｇ ｏｏ ｙ Ｑ ｎ ｄ ｏ２ ６ ７ ， ｈｎ ； ． ｈ Ｆｒ Ｉ ｓ ｔ ｅ ｆ ｃ ａ ｏ ｒ ｙ Ｓ ， ｉｇ ａ ６ ６ ， ｈｎ ） ｉ ｎ ｓ ｉ ｕ ｐ ２
５０ ３
海 洋 通 报
仪 以及 声 学测波 仪 等…。 目测 法 要 求 观 测 人 员 要 有 较 丰 富 的 海 浪 背 景 知 识和 较 高 的 目测 能力 ，所测 结果 具有 很 强 的主观 性 ， 同时 ，此 方 法在遇 到较 大 风浪 等环 境 恶劣 的天
海浪对GPS浮标性能的影响分析
1
引言
随着探测海底地形地貌、 建设海洋工程、 开发海
洋资源、 开展海洋科学研究等方面的需要, 作为与一 切海洋 开发 活 动及 海 洋高 技术 发 展 有关 的 海 洋 GP S 定位导航技术受到越来越多的关注 , 并已成为 世界新科技革命的主要领域之一。 现有的水下声学导航定位测量系统主要有长基 线系统、 短基线系统和超短基线系统。而水下目标 的测量技术主要有水下目标速度的多谱勒导航、 水 下目标位置随时间变化的惯性导航与水下目标相对 于海底位置变化的相干声纳技术等。这些技术已在 海洋资源开发与利用、 海洋工程建设、 海洋军事技术 中发挥了重要作用。但是这些水下定位导航系统定 位精度不太理想、 作用范围有限。因此可以说 , 现有 的水下定位导航与定姿技术还不能充分满足现代海 洋资源开发的需要。 20 世纪 70 年代由美国军方研制的新一代全球 卫星导航定位系统 ( GPS) , 其主要目的是为陆、 海、 空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务 , 为用户连续提供精确的位置、 速度和时间的信息, 从 根本上解决人类在地球上的导航和定位问题
[ 3]
也可分为平均分量
和长S 卫星的载波波长 以得到长、 短周期距离变化分量: ^= = ^ = - ex x ^ - ey y ^ - ez ^ z = - ex x - ey y - ez z
( 4)
4
解决海浪对 GPS 浮标性能影响的 建议
海浪对水下 GP S 定位系统的影响主要是长、 短 周期变化分量。对于水下 GP S 定位 , 长周期变化分 量可视为系统误差, 短周期变化分量可视为随机误 差。系统误差可以采用许多方法处理, 因此在实际 应用中应主要考虑滤掉短周期变化分量。 要滤掉短周期变化分量 , 建议方法一是可以考 虑选取合适的高通滤波器对原始载波相位观测量进 行滤波, 这样就可以滤除其中的平均分量和长周期 变化分量 , 从而得到 载波相位的短 周期变化分量。
基于谱分析的GPS浮标测量参数提取方法
浮标 定位测 量获 得 的海 水 面高 度 序 列 ， 采用 滑 动 平 均法 提取 Ｇ Ｓ浮标 高度测 量值 的低频 （ 流 、 Ｐ 潮 潮位 ） 和高 频 （ 浪 ） 量信 息 ， 海 分 最后 根 据 高频 信 息采 用 谱
利用 浮标来采集 海 洋环境 参 数 已有 一个 多 世 纪 的历史 。全球海洋监 测系统发展迅 速 ， 目前 可以提供 全球覆盖 、 高分 辨率 、 高精 度 的海 洋环 境 数据 。尽 管
充 分成长 阶段并 不严 格满 足这 种条 件 ｊ 。采 用 傅 里 叶变 换得 到 的 海 浪 谱 只 反 映 平 均 意 义 上 的海 浪结 构 ， 小波 变换则 将 非 平稳 信 号 分 解 成各 种 小 波 的 而 线 性 组合将 半 平 稳 信 号 分 解 成 “ 一频 小 波 ” 时 的组 合 ， 瞬时 信 号 或 具 有 分 型 结 构 的信 号 分 解 成 “ 将 时
时差 分动 态定位 Ｒ Ｋ技 术 ， 以使 海水 面 高度 测 量 Ｔ 可
一
如此 ， 海面浮标测量仍然是 空间遥感 测量 系统 的一 个
重要补充 。因为尽 管空间技术可提 供较高 的分辨 率 ，
却难 以对某个 区域实 行连续 观测 。随着 Ｇ Ｓ的发 展 Ｐ 和完善 ， 在 浮 标上 安 装 Ｇ Ｓ进行 海 洋监 测 受 到 通过 Ｐ
越来越广泛 的关 注。 目前 Ｇ Ｓ浮标测 量可 以分 为三 Ｐ 类 ： 是仅 利用 Ｇ Ｓ提供 位置 ， Ｐ 一 Ｐ Ｇ Ｓ安装 于 浮标 上 ， 采用 其他传 感器 如风力 仪 、 流仪 、 洋 压力 机等测 量 海 洋参 数 ，’ 二是 用来测 量 平均 海水 平 面 ； 是 通 Ｈ； 三 过 浮标 的漂 移运 动进行 海 流研 究 。此外 还有 许多研 究人 员利用 Ｇ Ｓ确 定 平 均 海 平 面 ， 于潮 水 监 测 、 Ｐ 用 船 舶 导 航 服 务 ” 以 及 作 为 卫 星 遥 感 器 的 校
基于高精度GPS的海上浮标位置检测研究
基于高精度GPS的海上浮标位置检测研究一、引言海上浮标是一种在海洋中用于定位、测量和监测海洋水域状态的设备。
它们通常被放置在海底或海面上，以提供准确的海洋数据，如水流、潮汐、海浪、水温、水深等。
这些数据对于海洋科学、海洋工程和海上交通等领域非常重要。
因此，准确测量海上浮标的位置是至关重要的。
在过去，基于传统GPS技术的浮标位置检测受到了许多限制。
然而，随着高精度GPS技术的发展和应用，基于高精度GPS的海上浮标位置检测的研究成为了热点领域。
二、高精度GPS技术GPS（Global Positioning System）是一种基于卫星的定位系统，可用来确定地球上物体的位置。
GPS由美国空军所建，由多颗卫星、地面控制站和接收设备组成。
GPS接收机通过接收多颗卫星的信号，计算其位置，并提供准确的时钟信息，从而计算出接收器的位置。
高精度GPS是一种通过使用差分GPS技术，可提供相比传统GPS更高的精度的GPS技术。
它利用两个或多个接收器，一个位于已知位置，另一个位于未知位置，来解决信号误差问题。
高精度GPS技术可提高浮标位置的可靠性和准确度，特别是在海上位置检测领域。
三、基于高精度GPS的海上浮标位置检测方法1. RTK（Real-Time Kinematic）RTK是一种采用相位差分技术，可提供高精度位置信息的GPS 技术。
RTK技术利用GPS接收机之间的信号传输，在实时计算接收机的位置，并作为基础参考站对比在移动接收机上接收到的信号，从而确定位置。
这种技术通常需要至少两个接收器，一个用于作为基础参考站，另一个用于检测移动接收器的位置。
RTK技术可提供高达1厘米的定位精度，因此被广泛应用于航海、测绘、地形测量和精确农业等领域。
2. PPP（Precise Point Positioning）PPP技术是一种利用单一接收机，可提供高精度位置信息的GPS技术。
与RTK技术不同，PPP技术不需要基础参考站，而是利用全球参考框架和大量的历史卫星轨道信息，来计算接收器的位置。
GPS技术在海洋测绘中的运用效果研究
GPS技术在海洋测绘中的运用效果研究摘要：随着目前国内卫星通信技术的不断发展进步，海洋测绘面临着一次巨大的改变，首先利用GPS突破了海洋测绘的技术层面，使海洋测绘全面进入数字技术时代。
以GPS技术为代表的现代海洋测量新技术，已成为精确测量海岸地形和精确进行海上定位不可或缺的技术手段。
GPS技术通过计算机技术来进行辅助，从而在海洋测绘中为其提供了广阔的应用。
本文主要针对GPS技术在海洋测绘中的运用效果进行简要分析。
关键词：GPS技术；海洋测绘；运用；效果1GPS的测量原理介绍GPS技术是由美国国防部研发的一种全球性，全天候的高精确导航定位系统。
该技术由24颗GPS卫星组成，分为军民两用系统，提供两个等级的服务。
美国政府为了加强其技术在全球导航市场的竞争力与控制力，从而撤销了对GPS的干扰技术，大大提高了GPS的精准度。
并试图提出以GPS技术和美国政府的增强系统作为国际市场使用的标准。
GPS的具体工作原理是由24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，按照一定的周期环绕地球转动。
使得在任意时刻上的地球任意一个点，都可以同时观测到四个不同的GPS卫星。
由于卫星的精确度比较高，所以可以计算出卫星到接收机之间的距离，通过利用三维坐标中的距离公式。
仅仅利用三颗卫星就可以组成三个方式来计算出观测点的具体位置。
在实际的计算过程中，还需要排除一些比较小的误差，从而提高计算的精准度。
最后在许多的计算结果中，挑选出误差最小的一组用于定位导航。
2 GPS技术在海洋测绘中的应用2.1海上定位在进行海洋测绘工作前期，需要进行海上定位工作，保证能够更为详细和准确的判断出船舶的位置，也能为船舶导航工作的有效执行提供重要依据。
所以，要促使海洋测绘工作的顺利执行，实施海上定位是非常必要的，在很大程度上，都会提高海洋测绘工作的质量。
当前，进行的海上定位工作主要为对海面、水下进行定位。
对于海面定位来说，能对船舶、岸边的距离进行判断。
海洋工程中的海浪测量技术研究
海洋工程中的海浪测量技术研究引言：海洋工程是指在海洋环境中建设和操作各种工程设施的学科，其中海浪测量是海洋工程中不可或缺的一项技术。
海浪测量技术的研究对于海洋工程的规划、设计和运营具有重要意义。
本文将探讨海洋工程中的海浪测量技术的研究现状、方法和应用，并对未来的发展进行展望。
一、海洋工程中的海浪测量技术的重要性海洋工程是一个复杂而危险的领域，其施工和运营过程中需要考虑海浪的波高、波浪方向和周期等参数。
这些参数对于海洋结构物的设计、定位和安全运行至关重要。
海洋测量技术的精确性能决定着海洋工程的可行性和可靠性。
二、现有的海浪测量技术1. 测浪浮标测浪浮标是一种在海面上浮动以测量波浪参数的仪器。
它可以通过测量浮标上的加速度、倾角或位移来估计波浪的参数。
测浪浮标广泛应用于海洋工程中，能够提供准确的波浪数据。
2. 远程遥感技术利用遥感技术可以从远距离获取大范围的波浪数据。
这些遥感技术包括雷达、卫星和无人机等。
雷达通过发送和接收电磁波来测量海面的高度，卫星则利用微波辐射进行测量，无人机则通过搭载传感器进行测量。
远程遥感技术可实现对海洋的全球范围内的连续监测，为海洋工程提供了重要的数据支持。
3. 水声测量技术水声测量技术是通过传播声波来测量海洋中波浪的参数。
传统的水声测量技术包括接收声波的音频引擎和测量声波到达时间的深度计。
近年来，声纳阵列和水声多普勒技术等新兴技术也得到了广泛的应用。
三、未来发展方向1. 海洋数值模式通过建立数学模型，可以模拟和预测海洋中的波浪行为。
这些海洋数值模型可以帮助工程师更好地规划和设计海洋工程。
未来，海洋数值模型的发展将更加精确和全面，提供更准确的波浪数据。
2. 机器学习和人工智能技术机器学习和人工智能技术在海洋工程中的应用正逐渐增加。
通过收集大量的海洋数据，机器学习算法可以帮助建立更准确的波浪模型，并预测未来的波浪行为。
这将帮助海洋工程师更好地预测和应对不同海况下的挑战。
3. 增加测浪设备的高精度和自动化水平随着科技的进步，测浪设备的精确性和自动化水平将不断提升。
波浪参数测量实验报告
波浪参数测量实验报告本实验旨在利用波浪参数测量方法，通过测量波浪的高度、周期和速度等参数，来研究波浪的特性，并探讨与海洋气象和海洋工程等学科的关系。
实验原理：波浪是海洋表面因风力或地震等因素形成的涨落起伏的现象。
波浪的高度、周期和速度等参数是描述波浪特性的重要指标。
在实验中，我们采用了浮标和计时器等仪器，以及一定的测量方法来测量波浪参数。
实验步骤：1. 在选定的海岸线上选取一个适宜的测量点，将浮标固定在该点，并注意固定方式要可靠。
2. 在逐渐增大的海浪中，将浮标释放到水面上，然后开始计时，记录下浮标经过固定点的时间。
3. 重复进行多次测量，计算出平均周期和平均速度，然后计算出平均波高。
4. 根据浮标的轨迹和测量点的位置，可以绘制出波浪的形态。
实验结果：通过多次实验测量得到的数据，我们可以计算出平均波高、平均周期和平均速度等参数。
根据这些数据，我们可以了解波浪的特性以及波浪的形态。
同时，我们还可以通过对多个测量点进行测量，并比较不同点之间的参数，来分析波浪的传播规律和波浪的变化趋势。
实验讨论：在进行实验过程中，我们可以发现一些与波浪参数相关的现象。
例如，浅水区的波长较短，而波高较大；而在深水区，波长较长，波高较小。
这与波浪的传播规律和波浪理论相一致。
此外，我们还可以根据测量得到的波浪参数，来分析波浪对海洋气象和海洋工程的影响。
例如，波浪的高度和速度等参数，可以作为海洋气象学中研究风暴、风浪等自然灾害的重要参考依据；而波浪对海洋工程的影响，可以通过研究波浪力学和波浪参数分析来理解和预测。
实验总结：通过本实验，我们了解了波浪参数测量方法，并通过实际测量，得到了一些关于波浪的重要参数。
通过对这些参数的分析和研究，我们可以进一步了解波浪的特性，并探讨波浪与海洋气象和海洋工程等领域的关系。
同时，本实验还锻炼了我们的实验操作能力和数据分析能力，培养了我们科学研究的素质。
通过实验的结果和讨论，我们更加深入地认识到波浪是海洋中一种重要的运动形式，对于海洋学和相关学科的研究有着重要的意义。
基于GPS高频数据的海浪测量方法
基于GPS高频数据的海浪测量方法
王俊杰
【期刊名称】《海洋测绘》
【年(卷),期】2015(35)6
【摘要】研究了基于GPS高频数据进行海浪测量的方法.利用TRACK解算得海上载体高精度的垂向位移,经浪潮分离提取海浪信号,分别采用相关函数法和周期图法估计海浪信号的功率谱,并计算海浪要素.利用实测数据进行试验,结果表明,周期图法推算的平均波高和平均周期精度较高,与测波仪结果差异分别小于2cm和0.25s,基于GPS高频数据的海浪测量方法可有效反演海浪要素.
【总页数】4页(P37-40)
【作者】王俊杰
【作者单位】河海大学卫星及空间信息应用研究所,江苏南京210098
【正文语种】中文
【中图分类】P228.4
【相关文献】
1.基于TRACK的GPS海浪测量方法 [J], 王俊杰;何秀凤;刘焱雄
2.GPS高频数据处理方法及其在地震学中的应用研究进展 [J], 孟国杰;任金卫;金红林;李鹏
3.基于GPS单点测速的海浪测量方法初探 [J], 单瑞;刘焱雄;赵铁虎;冯义楷
4.基于GP2X陀螺全站仪改正的井下双导线测量方法研究 [J], 何军泉
5.海浪波高测量方法 [J], 蒋松鹰;郑正奇;李翊翔;康伟
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
波浪浮标测波方法比较
波浪浮标测波方法比较作者：唐原广康倩来源：《现代电子技术》2014年第15期摘要：波浪浮标是一种无人值守，自动检测的常用的海洋监测设备。
在介绍国内外波浪浮标研究使用现状的基础上，对比分析了基于加速度传感器和GPS传感器的两种波浪浮标的共同点和不同点。
关键词：波浪浮标； GPS；加速度传感器；海洋监测设备中图分类号： TN911.7⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2014）15⁃0121⁃02Comparison between two wave measurement methods for wave buoyTANG Yuan⁃guang， KANG Qian（School of Engineering， Ocean University of China， Qingdao 266100， China）Abstract： Wave buoy is a unmanned， automatic and common marine monitoring equipment. The research and application status of wave buoys made in China and other countries is introduced in this paper. The similarities and differences of two wave buoys respectively based on accelerometer sensor and GPS sensor were analyzed.This paper compared two methods of and differences.Keywords： wave buoy； GPS； ccelerometer sensor； marine monitoring equipment0 引言在海洋工程建设、海洋灾害预防、航海安全等领域中，海浪是最重要且最复杂的一种海洋气象要素。
GPS实时差分定位系统在浮标流向测量中的应用研究
现状调查表
序号 1 2 3 3 4 5
调查内容 水文特性 江中障碍 测量范围
天气条件 测量方法 工期要求
现状
问题
感潮河段、水情由中水位期过 度到汛期、流速大、水位高
来往船舶多、施工船舶密集 每条流向线长约7km
多雨、多大风、晴天多雾、气 温高
GPS差分定位系统浮标流向测 量法 任务急、工期紧
测量船只不安全、 浮标易被击沉
序号
要因
目标
检查结果
1
浮标与测量定位 保持偏距在10米内， 测量船与浮标的距离基本上控制在5米
船的偏距是否适 即在图上误差为2毫 左右，测量船的方位基本保持在浮标的
中。
米。
后方。
2
浮标投放位置是 使绘制的流向图中流 绘制的流向图中流向线均匀分布整个测
否均匀分布测流 向线均匀分布整个测 流断面，没有重叠或分布不均的现象，
2.1.3课题可行性
GPS差分定位系统无论在硬件和软件上都已成 熟，我院已在水上数字化测量和宽阔水域钻探 定位中应用多年，本小组成员都能熟练操作该 设备，并且积累了应用该测量技术的丰富经验。
GPS差分定位系统具有全天候作业的优势，而 且只须设置一台基准站，需要3~5人参与工作， 能够最大限度地克服常规浮标流向测量的种种 弊端。本小组经过详细调查研究，认为我们完 全有能力运用QC理论和方法完成本项目的工作。
分布于测流 断面
时分布不均匀， 不能很好反映 该区域水流流 向
定浮标投放 位置。
匀分布整个测 8月 流断面，准确 代表水流流向。
李剑坤
3
来往船舶较 来往船舶分 在港监船的 尽量避免船舶 2003 年 6 李 书 银 、
多、施工船 时间段、施 协助下通指 对浮标的干扰。 月～2003年 向 克 敏 、
波浪浮标系统设计与测波方法研究
波浪浮标系统设计与测波方法研究刘国栋【摘要】The general design of wave buoy system and the operating principle of each functional module was introduced. Highlights of the wave buoy acquisition system circuit design, realization method and working principle, including the microprocessor module, GPS module, and the acceleration sensor module are studied. Multi-sensor design made the wave buoy collected data more accurate is creatively proposed. The measurements of wave parameters of algorithms, including wave height, wave period, wave direction, power spectrum and direction map are introduced. Finally the software is introduced, through the actual measurement of the wave proved reasonable of the algorithm and effectiveness of the entire system.%介绍了波浪浮标系统的总体设计方案和各功能模块的主要工作原理,重点介绍了波浪浮标采集系统的电路设计,实现方法和工作原理,包括微处理器模块、GPS模块、加速度传感器模块.创造性地提出了多传感器的设计方案,使波浪浮标采集的数据更加的精确.介绍了波浪浮标对波浪参数的测量算法,包括波高、波周期、波向、功率谱和方向图等.最后介绍了波浪反演软件,通过实际对波浪的测量证明了测波算法的合理性和整个系统的有效性.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2011(011)035【总页数】5页(P8805-8809)【关键词】海洋监测;测波方法;波浪浮标;功率谱【作者】刘国栋【作者单位】天津大学电子信息工程学院,天津300072【正文语种】中文【中图分类】U644.433海洋开发是一个具有战略意义的领域。
基于船载北斗导航仪测量波浪参数方法研究
船载测量波高对于远洋运输和军事行动意义重大， 但一直都没有很好解决，主要有两方面的原因：一是
传统的波高测量设备大多是接触式波高计或浪潮仪， 如浮标式波高计、压力传感式波高计/浪潮仪、超声波 波高计等等，它们或浮于海面，或沉于海底，不能跟 随船体移动，因此难以用于船载测量；是船体在海洋 中受到海浪的影响而产生颠簸，测量海浪波高时没有 静止参照物，因此不能正确地测量海浪波高[1 – 5]。
Abstract: It's very important to get wave parameters information for vessels' safety. But lack of vessels mounted equipments to measure wave parameters in real time and real spot make it difficult for crews. One new method is presented to solve the problem by dealing with vessel mounted compass navigator’s output data. This method deems that the change of altitude of antenna reflects the wave movements above mean sea level. First, to make a spectrum analysis of antenna altitude data, second, to design a band-pass filter according to the wave frequency-spectrum character to extract the signal in frequency-domain, third, to extract the data in time-domain via inverse Fourier transformation, at last, the wave parameters such as SWH and period can be resolved. The test results on a ship shows the methods is feasible, its SWH determination accuracy is better than 6%, and the period determination accuracy is better than 10%.
基于GPS高频数据的海浪测量方法
以替代传统传感器进行海浪测量 ＿ ６ 娟 ］ 。高频 Ｇ Ｐ Ｓ可
以观测 到周期 小 于 １ Ｓ的位 移量 ， 且没 有 饱 和现 象 与
Ｓ （ ０ ９ ） ＝Ｉ Ｒ （ ｒ ） ｅ － ｔ ｗ ｏ ＂ ｄ ＇ ｒ
一
（ ２ ）
。。
限幅约束 ， 用 于 海面位 移 动态观 测 的前景 广 阔 。
日常海浪观测 。 利用其加速度传感器和倾斜传感器
记 录 由海浪 引 起 的 浮标 位 移 。 近年 来 ， Ｇ Ｐ Ｓ传 感 器 由于体 积小 、 成本 低和 是其 自相关 函数 的 Ｆ ｏ ｕ ｒ ｉ ｅ ｒ 变换 ｌ １ ， 即：
＝
（ ｔ ） ， ｎ ＝ ０ ， １ ， …， Ｎ一 １ ， 并令 ７ ＝ ｖ Ａ ｔ ， 贝 ０ Ｒ（ ） 的
中 图分 类 号 ：Ｐ ２ ２ ８ ． ４ 文 献标 志 码 ： Ｂ 文章 编 号 ： １ ６ ７ １ — ３ ０ ４ ４ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ６ — ０ ０ ３ ７ — ４ ０
１ 引 言
计算海浪要素 ， 最后利用测波仪结果验证实试结果
的可靠 性 。
海 浪作 为一 种 重要 的海 洋 现象 ， 对 海 洋 工 程 建 设、 海洋 灾 害预 防 、 离 岸 资 源调 查 、 航 海 安 全 等 影 响 巨大 ］ ， 在海气 相 互 作 用 和 海 洋 动 力 环境 等 研 究 热点 中亦发 挥着 举 足轻 重 的作 用［ ４ ］ 。Ｐ ａ ｎ ｄ ｉ ａ ｎ等
据进行试验 ， 结 果表明 ， 周期 图法 推算 的平 均波高和平均周期精度较高 ， 与测波仪结果差异分别小 于 ２ ｃ ｍ和 ０ ． ２ ５ ｓ ，
基于 Ｇ Ｐ Ｓ高频数据 的海浪测量 方法可有效反演海浪要素 。 关键词 ： Ｇ Ｐ Ｓ ； 海浪测量 ； Ｔ Ｒ Ａ Ｃ Ｋ； 高频 ； 功率 谱 ； 相关 函数法 ； 周期 图法
基于北斗卫星系统的深远海GPS波浪浮标数据传输研究
基于北斗卫星系统的深远海GPS波浪浮标数据传输研究
党超群;张锁平;齐占辉;李明兵;孙东波
［摘要］国家海洋技术中心研制的GPS波浪浮标仅需一个GPS接收机，无需其他辅助传感器，其功耗低、尺寸小、布放方便、测量精度高、适用于大范围的对波浪进行精细化观测•为了解决GPS波浪浮标在深远海应用中的数据传输问题，通过对比Argos.錶星、北斗三种卫星系统的特点，该设备优先选用了基于：!泮卫星系统的数据传输方式•对系统构成、硬件电路设计、测量原理及数据传输流程分别进行了详细阐述.通过实验室实验和现场海上试验，特别是GPS波浪浮标在遭遇台风等恶劣环境下仍能正常通信，验证了北斗卫星系统在深远海数据传输上的可行与可靠性.
【期刊名称】《传感器与微系统》
【年(卷)，期】2016(035)001
【总页数】3页(P46-48)
【关键词】北斗卫星系统;深远海;GPS波浪浮标;数据传输
［作者】党超群;张锁平济占辉;李明兵;孙东波
【作者单位】国家海洋技术中心天津300112;国家海洋技术中心，天津300112;国家海洋技术中心天津300112;国家海洋技术中心，天津300112;国家海洋技术中心天津300112
【正文语种】中文
【中图分类】工业技术。
GPS卫星信号测量波浪技术研究
GPS卫星信号测量波浪技术研究
齐占辉;李明兵;邓卓雅;于建清
【期刊名称】《海洋技术学报》
【年(卷),期】2021(40)6
【摘要】随着我国沿海地区经济越来越发达,人口越来越密集,在历年的海洋灾害中,海浪造成的人员死亡失踪以及经济财产损失都高居第2位,增强沿海地区波浪的精细化监测和精细化预报具有十分重要的意义。
波浪浮标是最常用的波浪观测设备,本文给出了一种利用GPS卫星导航定位系统信号测量海浪的方法,它与传统上的利用重力加速度原理测量海浪的方法不同。
本文分析了GPS卫星导航定位信号测量海浪的技术方案,并通过实验室试验和海上现场比测试验,进一步验证了技术方案的可行性,为GPS卫星测波浮标的下一步大范围应用提供了科学的技术资料支撑。
【总页数】8页(P25-32)
【作者】齐占辉;李明兵;邓卓雅;于建清
【作者单位】国家海洋技术中心;国家海洋标准计量中心
【正文语种】中文
【中图分类】P715
【相关文献】
1.GPS卫星导航系统多频姿态测量技术研究
2.基于北斗卫星系统的深远海GPS波浪浮标数据传输研究
3.利用GPS卫星信号测量车辆航向
4.接收GPS卫星信号测量电离层总电子含量结果的初步分析
5.GPS卫星反射信号增强技术研究
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
GPS浮标波浪测量方法研究厉峰1周兴华2林旭波2孙强2（1.北京数联空间科技股份有限公司，北京100085；2.国家海洋局第一海洋研究所，青岛266061）摘要浮标是目前对海洋波浪进行长期、实时、定点观测的主要设备，发展波浪浮标是发展海洋观测的必然需求。
针对实际波浪测量是在远离大陆的海洋深处进行的，本文采用基于GPS精密单点定位方法求取海水面高度变化，进行浪潮分离获取波浪高度变化序列，并用频谱分析的方法获取波浪参数。
经海上实测验证的结果可知，本方法获取的波浪要素精度与测波仪所得结果精度相当，两者平均波高偏差约4cm，平均周期偏差0.3s。
关键词GPS精密单点定位；波浪测量；频谱分析Study on wave measurement with GPS buoyLi Feng1, Zhou Xing-hua2, Lin Xu-bo2,Sun Qiang2（1. Beijing iSpatial Co.,Ltd，Beijing,100085；2. First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao, Shandong,266061）Abstract：Buoy is the main equipment of observation on the ocean wave for long-term, real-time, fixed-point.The development of the wave buoy is the inevitable demand for the development of ocean observing.Based on the actual work conditions that our measurement is far away from the mainland and located in the depths of the ocean, this paper based on the theory of Precise Point Positioning （PPP）to get the height changes in the sea surface. Then we can separate the wave from the sea-surface height changes to obtain the wave displacement, and the wave parameters are obtained by the spectral estimation.Its verified results of wave measurement shows that it has equivalent accuracy with the results obtained by the wave gauge, and the mean wave height differential is close to 4cm, the mean wave period differential is 0.3s.Key words：GPS precise point positioning,wave measurement, spectrum analysis1 引言海浪是发生在海洋中的一种波动现象。
我们这里指的海浪是由风产生的波动，其周期为0.5秒至25秒，波长为几十厘米到几百米，一般波高为几厘米到20米，在罕见的情况下波高可达30米以上。
海浪是十分复杂的现象，研究海浪对海洋工程建设、海洋开发、交通航运、海洋捕捞与养殖等活动具有重大意义。
研究海浪就必须要获得大量准确的实测海浪资料，而获得这些资料，各种获取手段就起着关键作用，因此研究海浪测量方法和仪器的意义就十分重大。
纵观海浪研究历史，海浪计算方法大致可以分为三类：一是半经验半理论的方法，这种方法提出最早，比如有效波方法、我国港口水文设计规范中的海浪计算方法等。
虽然这些方法理论不够严密，但是使用方便，计算结果与实测资料符合较好，因此有较大的应用价值，至今仍被广泛使用；二是直接从观测资料入手，建立一些经验统计的方法计算海浪。
这种方法在观测手段越来越先进观测资料精确度越来越高的情况下，其计算方法相比早期的方法更为可靠，比如Wilson公式、Bretschneides公式等；三是海浪的数值计算。
20世纪60年代以来，国内外许多海洋学家转向了海浪数值计算方法研究：①是将海浪作为随机过程来研究，②是研究海浪和风之间的关系，③是研究海浪和地形之间的关系。
2 波浪测量的现状早期的波浪观测方法是目测法，用目视直接观测波浪波高、周期等信息。
随着测量技术的进步和观测仪器的发明，波浪观测逐渐进入了一个新的阶段。
目前常见的波浪观测仪器有资料浮标、水压式波浪计、重力式测波仪、遥感测波仪以及声学式测波仪等。
其中，重力式测波仪是目前较通用的一种测波仪器，在我国也是使用最多的一种测波仪器。
各种不同的测波仪器都是依据不同的原理制作而成，都有其自身的局限性，如目测法和光学式手段带有较强的主观性，对观测人员要求较高，不能满足恶劣天气及夜间观测的要求；重力式、水压式、声学式测波仪价格昂贵，使用条件较为苛刻。
GPS 具有信号覆盖广、全天候、实时精密三位导航和高精度定位能力等诸多优点，随着GPS 精密单点定位技术的不断发展，其在波浪及潮位观测中的应用也得到了较好的发展和改进。
武汉大学的程世来、张小红提出了利用精密单点定位技术结合Trip 软件对实测浮标数据进行处理，探讨了海啸预警的新方法[1]。
台湾成功大学的邱冠维探讨了利用精密单点定位技术进行GPS 浮标近实时精密定位的研究，并与DGPS 观测资料，潮位站观测资料进行了对比，证明了采用PPP 技术进行波浪测量的可行性[2]。
本文采用GPS 精密单点定位技术将GPS 接收机安装在浮标上，不需要其他传感器，不受基站限制，来实时获取波浪信息。
3 GPS 浮标测波技术3.1 精密单点定位原理精密单点定位（Precise Point Positioning-PPP ）技术是近年来全球定位技术方面研究的热点，其原理即是只用一台GPS 接收机，利用GPS 双频观测值和IGS 事后精密卫星轨道、钟差改正信息进行单点定位，就可以达到厘米级的定位精度[3,4,5]。
精密单点定位数学模型如下：在测站k 上跟踪到GPS 卫星i 的双频伪距和相位观测方程分别为：i k i Fk i k i k i Fk I c c P ρδδρ∆++-+= （1）i Fk F i k i Fk i k i k iFk N I c c L λρδδρ+∆+--+= （2）式中i k ρ表示站星之间的几何距离，c 为光速，i k δδ,分别为接收机钟差和卫星钟差，iFk I 表示电离层延迟改正，且i k ik I f f I 122212=，2121,,,λλf f 分别为21,L L 的频率和波长。
需要说明的是，在实际卫星钟差估计过程中，为了消除电离层影响，常用双频伪距和相位的消电离层组合作为基本观测值。
3.2 浪潮分离利用GPS 精密单点定位方法获得了测点处的三维位置变化，然后经过坐标系转换，可以转换为当地坐标系下的测点三维位置变化，从而得到其天顶方向上的位置变化，即海面瞬时高程变化。
其中海水面高度变化包含潮汐和波浪，潮汐反映的是一个变化相对稳定的水位面，所以海面的瞬时高程H 是包含了波浪和潮汐起伏变化的，即瞬时海面高程H 是潮汐T 和波浪W 综合作用的结果。
在海洋观测数据处理方法中，通常采用快速傅立叶变换（FFT ）来分离波浪和潮汐。
离散傅立叶变换（DFT ）在数字信号处理中起着极其重要的作用，它是利用数字计算机对信号进行分析提取的理论依据。
但直接使用DFT 定义计算信号频谱时，计算量太大，无法满足工程实际中的实时性要求。
FFT 是实现DFT 的一种快速运算手段，能以较少的计算量实现DFT 的算法，在工程实际中运用比较广泛。
FFT 的滤波表达式为：()()(),,,G u v H u v F u v = （3）式中，),(v u F 是原始信号的傅立叶频谱；),(v u G 是平滑后信号的傅立叶频谱； ),(v u H 是滤波器的转移函数。
3.3 海浪要素的频谱分析以随机过程来研究海浪，海浪可以被视为很多振幅、频率、方向不同的简单波动的叠加，其总能量由各个频率的波的能量组成。
时域上的海浪表现出整体上的随机性，而海浪能量相对于频率的分布则是确定的，因此通常从频域的角度来研究海浪。
随机过程从时域向频域转换即是随机过程的谱分析。
采用周期图法可获得海浪频谱S （ω），其形式为20)(21)(⎰-=Tt i dt e t x T S ωπω （4）其离散形式为 210/2)(2)(∑-=-∆=N n N mn i n m e tx N t S ππω （5） 其中，t n t tN m n m ∆=∆=,2πω。
因此该谱的n 阶谱矩n m 为：⎰∞=0)(ωωωd S m n n （6） 而平均波高H 和平均周期T 及有效波高S H 和波浪的谱矩n m 关系如下[6,7,8]。
⎪⎭⎪⎬⎫===02004/22m H m m T m H s ππ （7） 4 实验结果与分析实验采用了Leica SR530型GPS 接收机、DataWell 测波仪等仪器。
其中GPS 接收机的采样率设为1s 采样率，DataWell 测波仪是一种加速度式测波仪，是常用的波浪测量仪器，被海洋界称为测波的标准仪器。
GPS 接收机架设于浮标处，同时将测波仪器安置浮标上。
为与测波仪的观测时间相吻合，特选取15点58分至16点18分的GPS 观测数据进行计算，计算得到相邻历元间位置差如图1所示。
图1 相邻历元间位置差波浪高度变化序列如图2所示。
图2 波浪高度变化序列采用频谱分析法，在对上述波浪高度变化序列进行谱估计后，得到频谱图如图3所示。
圆频率ω（rad/s ）S (ω)（单位：m 2·s ）图3 原始频谱图对上述粗谱进行平滑，得到频谱图如图4所示。
-3圆频率ω（rad/s ）S (ω)(单位：m 2·s )图4 平滑后频谱图按照公式（4）-（7），可以计算得到平均波高 =0.3853m,平均周期为T=3.0877s。
而测波仪在相同时间段内测得的平均波高为0.34m，平均周期为3.38s。
两者结果平均波高相差4cm，平均周期相差0.3s。
由此可见通过精密单点定位的GPS测波法可以得到与测波仪比较一致的结果。
5 结论采用精密单点定位方法获取的波浪高度变化序列，经过频谱分析得到的波浪要素，其结果与测波仪所得结果相一致，精度相当。