GPS接收机波浪浮标.docx

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???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