[发明专利]利用GNSS测高浮标确定波浪参数的方法

权利要求书

1.一种利用GNSS测高浮标确定波浪参数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：在近岸锚系GNSS浮标观测，同时记录下锚系点原始坐标(x₀，y₀)；

S2：通过差分PPK技术处理GNSS资料，获得cm级精度的三维坐标信息，包含海面高度SSH以及平面位置(x_i，y_i)信息，其中差分PPK技术处理技术包括如下小步：

S21：高精度GNSS数据处理中常用基于载波相位的双差观测组合，其线性观测方程为：

式中：i、j表示两个不同测站，p、q表示两颗不同卫星，为t时刻的双差观测值，分别表示二次差分后的整周模糊度、电离层及对流层延迟残差；

S22：考虑参考站和GNSS浮标之间三维定位误差在短距离内的空间相关性，采用差分定位技术获得GNSS浮标精确的三维坐标：

式中：为GNSS浮标起始相位模糊度；为GNSS浮标起始历元至观测历元的相位整周数；为GNSS浮标相位观测的小数部分；dρ为同一观测历元各项残差；

S3：进行SSH的高通滤波剔除潮汐信号，得到相对海面高SSE，设置高通滤波截断长度不低于两倍的最短海浪周期；

S4：通过三倍中误差的粗差探测方法检测高通滤波后SSE的系统粗差，剔除异常值；

S5：按照四倍标准差算法，从高通滤波和剔除粗差后的SSE计算有效波高SWH，包括如下小步：

S51：设置单位时间窗口为5分钟，叠加时间长度为2.5分钟，即单位时间长度的一半；

S52：计算单位时间窗口内的标准差σ，并按照叠加时间长度的步长在全部时间范围内进行计算标准差σ；

S6：通过时间窗口滑动，计算得到SWH时间序列计算公式如下：

SHW＝4σ (3)

S7：对SSE进行功率谱计算，并计算方差守恒的功率谱，获得频率域内的海浪能量分布信息，即为海浪谱；

S8：计算海浪谱的峰值，得到能量峰值处对应的波浪周期；此处如果存在长周期的波峰，则为涌浪；

S9：利用波数和频率的深水频散关系计算得到海浪波长，其中，深水频散关系的适用条件为水深大于波长的一半：

式中：k表示波数，f表示频率，ω表示角速度，g表示重力加速度，λ表示海浪波长；f通过GNSS浮标观测的海面高度的功率密度谱来计算得到，进而得到空间上的波数k和波长λ；

S10：对GNSS测高浮标记录的平面坐标和锚系点的原始坐标进行差分，计算空间向量(Δx，Δy)，进一步计算得到海浪传播方向；

Δx＝x_i-x₀；Δy＝y_i-y₀ (6)

计算传播方向θ：

2.根据权利要求1所述的利用GNSS测高浮标确定波浪参数的方法，其特征在于，所述步骤S1中，近岸锚系GNSS浮标观测设置数据采样频率不低于1Hz。

3.根据权利要求1所述的利用GNSS测高浮标确定波浪参数的方法，其特征在于，所述步骤S21中，使用国际GNSS服务中心的精密星历和钟差文件，静态解算GNSS参考站在ITRF参考框架下的三维坐标，GNSS接收机接收到的信号中伪距和载波相位具有相同参量，使用组合差分技术，实现公有误差项的剔除。

4.根据权利要求1所述的利用GNSS测高浮标确定波浪参数的方法，其特征在于，所述步骤S3中，高通滤波截断长度设置60s及以上，有效消除长周期信号并保留海浪信息。

5.根据权利要求1所述的利用GNSS测高浮标确定波浪参数的方法，其特征在于，所述步骤S6中，SWH时间序列最终得到150秒时间间隔，精确到cm。

6.根据权利要求1所述的利用GNSS测高浮标确定波浪参数的方法，其特征在于，所述步骤S7中，海浪谱反应不同频率海浪的能量大小信息。

7.根据权利要求1所述的利用GNSS测高浮标确定波浪参数的方法，其特征在于，所述步骤S8中，若海浪谱的峰值存在多个波峰，则说明海浪存在多个不同周期的波的叠加，需通过波数谱进行不同周期的波浪的分离。