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 Receiver
Abstract: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 period
1 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。单点GPS 接收机测波浮标只用GPS 接收机作为运动测量传感器，不需要其他的传感器，与加速度计测波浮标相比，其性能相当并在部分指标上略优[2-4]，具有系统简单、体积小和成本低的特点，成为一种方便可行的海浪监测方法，具有很好的应用前景。
本文首先介绍了GPS波浪浮标测波方法及海洋环境对GPS测波的影响。然后介绍，单点GPS 接收机浮标测波的原理。最后对单点GPS 接收机测波浮标进行了初步的设计，为进一步推动这项测波技术的国产化奠定了基础。
2 GPS波浪浮标测波方法
GPS提供全天候测量，测量所得三维数据具有较高精度。现行的波浪浮标有单点GPS，差分GPS，实时动态GPS 等多种。荷兰Datawell 公司出产的差分GPS 浮标只含一个GPS传感器，体积较小，成本低，内部没有移动部件，更加轻便，获得的数据质量也更精确[5]。GPS
浮标的核心就是GPS 接收机。在2000 年之前，GPS 接收机精确度只能达到分米每秒。2000年5月之后，美国政府取消了选择可用性干扰，价格较低的GPS接收机的精确度也可以达到厘米每秒量级，可以
获得较高精度的测量结果，GPS浮标的使用更加普遍[6?7]。武汉大学的程世来、张小红等探讨了使用精密单点定位技术，并用Trip软件对浮标数据进行调整计算，从而为预警海啸提供了极具可行性的新方法。中国台湾成功大学的邱冠维提出了对精密单点定位技术进行研究，而且把结果与差分GPS观测结果，岸站数据进行分析比较，证明了该方法的可行性。
因为GPS接收机与卫星做相对运动，使GPS接收机接收到的频率与卫星信号发射器信号频率不相同，产生了多普勒效应。GPS浮标使用多个卫星接收GPS信号，将接收机发射的数据进行调整后发送到数据控制中心。数据控制中心通过计算处理得出收发机的三维位置，各个水质点的瞬时速度，多普勒原理得出频率变量，计算得出各种海浪参数，从而达到海洋监测的目的。
3 海洋环境对GPS波浪浮标的影响
在GPS波浪浮标在海上测量时，除了会由全球定位系统引起的测量错误，也将会受到全球定位系统的波动和来往船只的影响。然而，由于它们有不同的频率，这些错误可以通过选择适当的高通和低通滤波器分离出去。
由大风浪导致的恶劣海况，通常会引起浮标的大幅摆动。如果全球定位系统接收装置被安装在浮标上，它会偶尔由于浮标处于水下，同时全球卫星定位系统的信号又不能通过水导致全球定位系统接收
器不能接收到取样点信号，从而产生巨大的数据误差，并会影响到
GPS波浪浮标的数据质量。为了有效地控制数据质量，可直接用在未出现间隙的数据进行修补；当数据收集中断较长一段的时间时，后续正常的样本值可以向前移动，以确保数据的连续性。
当在船上配备GPS波浪浮标展开小调查的时候，GPS接收器遇到大波浪时，也不会位于水下，但船体本身会起到过滤微小的波浪的作用，因此收集到的数据可能并不反映真实的海浪。同时，船上的电机设备会带来高频抖动，这会增加数据采集的噪声。所以建议使用测波浮标作为测量平台。
4 GPS 接收机浮标测波原理分析
GPS 接收机测波浮标在海面上随波运动，通过GPS 接收机测量
载波相位变化率而测定GPS 信号的多普勒频偏，从而计算出GPS 接
收机的运动速度。理论上GPS 接收机测速的精度可以达到cm/s 量级，因此，可以根据随波运动参数来获取波浪信息。图1 为单点GPS 接
收机浮标测波的示意图。
图1 GPS 接收机浮标测波的示意图
实际上，单点GPS 接收机浮标的测波原理与传统加速度计测波
浮标的测量原理相同，只是采集的浮标在海面上随波运动参数不同。传统加速度计测波浮标是采用重力加速度传感器采集运动参数来计
算波浪。而理论上，只要得到位移、速度与加速度任何一种运动参数，都可以计算波浪。
从谱的理论关系分析，位移谱、速度谱与加速度谱之间可以相互转换，转换关系分析如下：
设位移信号为x（t），速度信号为x（t）对时间t 的一阶微
分x'（t）：
（1）加速度信号为速度信号x'（t）对时间t 的一阶微分，即位
移信号的二阶微分：
（2）位移、速度、加速度信号的Fourier 变换分别为：
（3）
（4）
（5）由傅里叶逆变换，可以从频谱计算时域信号：
位移（6）
速度（7）
加速度（8）速度推导有：
（9）
速度频谱（10）
位移频谱（11）加速度推导：
（12）加速度频谱：
（13）
速度频谱（14）
位移频谱（15）以此为根据，得到了加速度频谱、速度频谱和位移频谱
的转换关系：
（16）加速度功率谱、速度功率谱和位移功率谱的转换关系：
（17）上述分析说明，如果能够用单点GPS 接收机实现较高精度的速度测量，就能够实现较高精度的海浪测量。
5 GPS 测波系统的初步设计
GPS 接收机将以椭球形浮标体为载体。如图2 (a) 中初步设计了GPS 测波系统组成部分，数据传输以GPRS 为例子，可以根据具体情况更换通信模块，选用其它通信方式。
根据GPS 定位信息，可以加设动态报警功能，预先设置分等级的安全半径，作为保护设备安全的措施，图2(b)中为初步设计的动态报警功能示意图。
图2 GPS 测波系统组成部分
6 结语
本文介绍了GPS波浪浮标测波方法，GPS波浪浮标的内在就是高性能的GPS接收机，它所占体积很小，如荷兰“波浪骑士”浮标直径只需40 cm。但GPS波浪浮标在海浪较高时使用信号不稳定，不能接收足够多的卫星信号的问题。重点介绍了单点GPS 接收机测波浮标的测量原理。并初步设计GPS 波浪浮标测波系统。
参考：
[1] Ocean Technology: Model SZF wave buoy system.
[2] De Vries J, Waldron J, Cunningham V. Field Tests of the New Datawell DWR-G GPS Wave Buoy［J］. Sea Technology, 2003:50-55.
[3] De Vries JJ. Designing a GPS-based mini wave buoy ［J］.International Ocean Systems, 2007,11(3):20-23.
[4] Jeans G, I Bellamy, JJ de Vries, P van Weert. Sea Trial of the new Datawell GPS directional Waverider［C］// IEEE/OES 7th Working Conference on Current Measurement Technology. San Diego, CA, USA, 2003:145-147.
[5] DE VRIES J，WALDRON J，CUNNINGHAM V. Field tests
of the new Datawell DWR?G GPS wave buoy [J]. Sea Technolo?gy，2003（12）：101?103.
[6] HARALD E，STEPHEN F，ERIK S，et al. Some recent develop ?ments in wave buoy measurement technology [J]. Coastal Engi ?neering，1999，37：309?329.
[7] SERRANO I，KIM D，LANGLEY R B. AGPS velocity sensor：how accurate can it be a first look [C]// Proceedings of 2004 IONNTM. San Diego，USA：[s.n.]，2004：111?121.