一种基于卫星导航定位的波向反演方法
技术领域
本发明涉及波向测量
技术领域
，特别涉及一种基于卫星导航定位的波向反演方法。背景技术
波浪观测手段从最早的目测观测方式发展到现在已经有多种多样，现有的波浪观测手段从观测传感器的安装位置分为：水面以下，水面附近和水面上。从传感器原理可分为：光学式、电容电阻测波仪(测波杆)、压力式、声学式、重力式、雷达、无线遥感和航拍等方式。从载体可分为接触式和非接触式。
波浪是海洋最基本的要素之一，是海洋科学研究的重要内容和海洋工程设计的重要参数。海浪也是水文气象要素中最难获取的参数之一。海浪有三要素：波高、波周期及波向。目前测量波高和波周期的方法很多，但波向的测量是世界技术难题，一般是采用基于重力加速度原理的波浪浮标测量。是由于浮标会跟随波浪一起运动，能够比较真实的测出表面波参数，并不受水深的限制，特别是可获得恶劣海况下海浪的资料，可全天候工作，获得广泛的应用。
目前采用GPS或北斗技术的波浪浮标方法测量波浪，但只能测量波高和波周期两个参数，缺少波向参数，因此针对此问题，本发明提出一种基于卫星导航定位的波向反演方法，采用浮标安装卫星导航定位接收模块模拟波浪水质点运动，分析测量浮标的运动轨迹，获知波浪方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于卫星导航定位的波向反演方法，采用浮标安装卫星导航定位接收模块模拟波浪水质点运动，分析测量浮标的运动轨迹，获知波浪方向。
本发明提供了一种基于卫星导航定位的波向反演方法，包括以下步骤：
在海面布放测量浮标，测量浮标上安装卫星导航定位接收模块；
载有卫星导航定位接收模块的测量浮标随海面的波动做升沉运动，通过卫星导航定位接收模块实时接收导航定位信息，获取测量浮标的运动轨迹；其中，所述浮标的运动轨迹为模拟的波浪水质点运动轨迹；
根据浮标的运动轨迹和对应的导航定位信息，确定每个卫星导航定位接收模块在水平面的X、Y两个方向上的投影位移；
根据X、Y两个方向上的投影位移，拟合X、Y两个方向的投影线得出波浪方向。
进一步地，还包括：
根据波浪在水平面上X、Y两个方向上的投影位移和运动轨迹在X、Y两个方向上的分量，采用数据融合方法进行波向数据拟合，修正浮标体因外界干扰带来的波向测量误差。
进一步地，通过最小二乘法拟合X、Y两个方向的投影线得出波浪方向。
进一步地，卫星导航定位接收模块获取的数据包含高程数据、经纬度数据、潮位信息、自身噪声和海洋噪声信息。
进一步地，通过高通滤波滤掉卫星导航定位接收模块获取的潮位信息。
进一步地，采用上跨零法对过滤后的数据进行处理，获得单个波信息；
其中，所述单个波信息包括：波高为单波波峰值减波谷值；按波高进行排序，统计最大波高和对应的周期、1/10大波波高和对应的周期、1/3波高和对应的周期以及平均波高和对应的周期。
(一)本发明提出的一种基于卫星导航定位的波向反演方法，通过卫星导航定位接收模块实时接收的导航定位信息解析出测量浮标在空间的运动轨迹，并计算接收模块在水平面上X、Y两个方向上的投影位移，通过最小二乘法拟合X、Y两个方向投影线得出波浪方向。
(二)本发明提出的一种基于卫星导航定位的波向反演方法，根据波浪在水平面上X、Y两个方向上的投影位移和波面曲线在X、Y两个方向上的分量，通过数据融合技术进行波向数据拟合，以修正浮标体受到的外界干扰带来的波向测量误差。
附图说明
图1为本发明实施例提供的波浪水质点的运动轨迹图；
图2为本发明实施例提供的波浪的传播运动图；
图3为本发明实施例提供的波高与周期统计方法图。
具体实施方式
下面结合本发明中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
在我国海洋波浪观测史上人工光学测波法一直沿用至上世纪90年代，此种仪器属于人工目测的范围，其观测的结果要受到观测者主观作用的影响，近年来已逐渐被自动化波浪观测仪器所替代。目前能测量波浪的仪器及方法主要有：
1.光学测波浮筒；
2.波浪浮标(含GPS测波浮标)；
3.压力式测波仪；
4.声学式测波仪；
5.悬线测波杆；
6.雷达测波仪。
上述方法大部分只能测量波高和周期，不能测量波向，仅有波浪浮标和声学式测波仪可实现波向的测量。
其中光学测波浮筒是采用人工方法进行观测，光学测波仪主要由望远镜瞄准机构、俯仰微调机构、方位指示机构、调平机构和浮筒等组成。
悬线测波杆一般是用在海洋平台上，仅能测量波高和周期，使用起来有局限性。
压力式测波仪是布放在海底观测的，目前世界上使用的压力式测波仪仅能测量波高和波周期。
压力式测波仪被视为恶劣环境海区中波浪的理想测量仪器，目前得到了一定的应用。国内使用的压力式测波仪几乎全部依赖进口，如挪威Aanderaa Instruments的WTR9、美国InterOcean Systems的S4、美国Woods Hole Group的SeaPac 2100。目前这些压力式测波仪均不能测量波向，美国Woods Hole Group的SeaPac 2100和InterOcean Systems的S4需要额外加装电磁海流计才能测波向。
声学式测波仪目前国产的仅能测波高和周期，国际上有挪威NORTEK公司的AWAC(浪龙)可以测量波向。声学测波仪目前存在着在大浪情况下测量误差太大的问题，主要原因是当海况变大时，波浪破碎产生浪花同时水中产生气泡，导致声波遇到气泡和破碎波也会产生反射波，造成测量误差变大。
近年来，新出现的岸用雷达测波仪由于原理自身的缺陷，使用起来不是很理想，还处在调试完善阶段，主要存在在小浪和大浪情况下误差太大的缺点。
目前采用GPS或北斗技术的波浪浮标测量波浪，基本上是只能测量波高和波周期两个参数，缺少波向参数，本发明提出的采用单点卫星导航定位接收模块模拟波浪水质点做椭圆运动和波面曲线运动进行波向反演技术是本发明第一次提出。
参照图1-3，本发明提供了一种基于卫星导航定位的波向反演方法，包括以下步骤：
在海面布放测量浮标，测量浮标上安装卫星导航定位接收模块；
载有卫星导航定位接收模块的测量浮标随海面的波动做升沉运动，通过卫星导航定位接收模块实时接收导航定位信息，获取测量浮标的运动轨迹；其中，所述浮标的运动轨迹为模拟的波浪水质点运动轨迹；
根据浮标的运动轨迹和对应的导航定位信息，确定每个卫星导航定位接收模块在水平面的X、Y两个方向上的投影位移；
根据X、Y两个方向上的投影位移，拟合X、Y两个方向的投影线得出波浪方向。
其中，卫星导航定位接收模块获取的数据包含高程数据、经纬度数据、潮位信息、自身噪声和海洋噪声信息，在数据处理过程中需要消除潮位的影响，保留海浪数据。
卫星导航定位接收模块可用于实时接收北斗、GPS(全球定位系统)、GLONAS(全球导航卫星系统格洛纳斯等导航定位信息)、GALILEO(伽利略卫星导航系统)等导航定位系统的卫星信号。卫星导航定位接收模块数据的获得需要采用高精度数据源，具体技术主要有RTK、PPK、PPP等。
波浪运动是指波浪主要水体的一种运动形式。是由于风吹刮水面产生的摩擦力和不均匀压力，使水体的表面(如海水面、湖水面等)出现周期性的波动(起伏)。当风停止时，即没有风外力作用时风浪逐渐转化为涌浪，一般海况下，风浪和涌浪是并存的。在有限水深内，当海浪波动时，波浪水质点基本以其平衡位置为中心做圆周运动，在水体表面则表现为上下的波动，圆周的直径相当于波高。波浪的大小与风力的大小、吹刮的时间及水面开阔程度等密切相关。水质点圆周运动的直径随深度的增加而减小，当达到一定深度就趋于零，即处于静止状态，当波浪向海岸方向传播时，由于海底的摩擦，水质点的运动轨迹由圆形变为椭圆形，波浪水质点在有限水深内做椭圆运动，随着水深的增加，波浪铅直位移振幅随着水深位置Z的增加而线性减小，如图1所述，波浪水质点的运动轨迹所示。
参照图2，当相邻的水质点依次运动至高峰时，波峰亦随之向前移动，发生了波的传播。波浪可以看成无数个不同周期、不同相位、不同振幅、不同方向上正弦波叠加而成。由于海浪是非平稳随机过程，不具有各态历经性，经验表明20分钟左右海浪信息可作为当前海浪状态的样本。
参照图3，波高、周期是按图3所示方法进行波浪统计的，首先对采样值求零线、通过采用上跨零或者下跨零法进行波高和周期的统计计算，得出最大波高以及对应的最大的波周期、十分之一大波波高以及对应的十分之一大波周期、有效波高以及对应的有效波周期、平均波高以及对应的波周期。
实施例1
根据波浪在水平面上X、Y两个方向上的投影位移和运动轨迹在X、Y两个方向上的分量，采用数据融合方法进行波向数据拟合，修正浮标体因外界干扰带来的波向测量误差。
通过最小二乘法拟合X、Y两个方向的投影线得出波浪方向。如图3所示通过空间运动轨迹解析出运动轨迹在X、Y两个方向上的分量，通过X、Y两个方向上的分量计算波面曲线上的法线在水平面上的投影，该水平投影即为波浪方向。
根据波浪在水平面上X、Y两个方向上的投影位移和运动轨迹在X、Y两个方向上的分量，采用数据融合方法进行波向数据拟合，修正浮标体因外界干扰带来的波向测量误差。
由于浮标在实际测量过程中，会受到风、海流及锚系对浮标运动的影响，导致浮标随波浪水质点做椭圆运动轨迹失真，根据上述计算波浪在水平面上X、Y两个方向上的投影位移和波面曲线在X、Y两个方向上的分量，并计算波面曲线上的法线在水平面上的投影两个方法解析出的X、Y，通过数据融合技术进行波向数据拟合，以修正浮标体受到的外界干扰带来的波向测量误差。
实施例2
通过高通滤波滤掉卫星导航定位接收模块获取的潮位信息，采用上跨零法对过滤后的数据进行处理，获得单个波信息，其中，所述单个波信息包括：波高为单波波峰值减波谷值，按波高进行排序，统计最大波高和对应的周期、1/10大波波高和对应的周期、1/3(有效)波高和对应的周期以及平均波高和对应的周期。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
