基于GPS单点测速的海浪及潮位测量应用研究

摘要

海浪和潮汐作为海洋中重要的运动现象，对人类在海上活动及近岸活动有着巨大影响，到目前为止，已经出现了各式各样的海浪、潮位测量仪器和方法。尽管现有方法能对海浪进行有效测量，但缺点也很明显。目测法和光学式手段不能满足恶劣天气及夜间观测的要求，重力、声学和水压式测波设备价格一般较贵，且若想得到位置信息还需另外加装GPS定位设备。传统潮位测量技术都需在已知点处验潮，受条件制约较为明显。GPS具有全天候、高精度、简单、廉价等诸多优势，且GPS可以对载体速度进行有效的测量。通过船载或浮标的GPS多普勒测量，可以实时测定载体的三维瞬时速度，积分变换后可以反演出测点处的波面起伏，结合谱分析的方法可以获取平均波高、平均周期等海浪参数。同时，利用上述观测数据也可以实现潮汐信息提取。相比传统的潮位测量技术GPS在航潮位测量可随时随地进行，方便有效。
　　不同的GPS接收机类型产生不同的测速噪声，即使同种类型的GPS接收机也会产生测速噪声差异，因此应进行测速噪声测定。利用原始多普勒观测值进行单点测速，精度较低，建议改用导出多普勒数据重新进行速度计算。采用导出多普勒值测速，用户利用单频机单点观测即可实现。只要保证数据的采样率，其能达到的测速精度是较高的，可以达到1～2cm/s。本文介绍了GPS单点测速的原理和方法，分析对比了已有测速方法的精度，并对影响测速精度的误差做出了分析，将GPS单点测速方法引入到海浪及潮位测量实验，结合谱分析的方法，提取了海浪平均周期、平均波高以及潮位变化值。与现有技术手段做了对比分析。采用GPS测速的方式，可以有效获取海浪和潮汐信息，与测波仪和验潮仪的结果表现出较好的一致性。本文的试验结果显示，GPS测量潮汐与验潮仪的结果相关性高达0.98，平均误差为-1.6cm；GPS测量海浪与测波仪的结果在浪高上仅仅相差5cm，周期上互差0.7s。

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Contents

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 GPS单点测速原理

2.1 引言

2.2 常用坐标系及其转换

2.3 载体位置测定

2.4 卫星位置和速度的计算

2.5 GPS单点测速方法

2.6 GPS 单点测速误差分析

2.7 本章小结

3 海浪及潮位测量原理

3.1 引言

3.2 海浪观测

3.3 潮位测量

3.4 本章小结

4 单点波浪谱分析

4.1 引言

4.2 随机海浪基本理论

4.3 波面位移的获取

4.4 海浪功率谱估计

4.5 海浪交叉谱估计

4.6 海浪方向谱估计

4.7 本章小结

5 测速及海浪测量实验

5.1 软件编制

5.2 测速试验及分析

5.3 海浪及潮位测量实验与分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间主要成果