TW200928303A - Observation method for sea-level wave fluctuation by using GPS - Google Patents

Description

200928303 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係為一種GPS海面波動觀測方法，尤指一種適用於海 上偵測水粒子運動速度，進而取得水面波動資料之方法。 【先前技術】 按’習知觀測並取得海域之相關波浪資訊，係利用浮體設有 觀測裝置而進行觀測。該觀測裝置係運用習知加速度器觀測波 浪’係依據波浪分析理論，分析加速度、東西向與南北向傾角時 序列資料而得到波浪資料。引用此理論時，浮體須能隨著波浪表 面運動’才得以正確量測傾角變化。惟此習知技術所使用之浮體 必須限定為碟型浮體才能使觀測效果達到最佳，而不能使用其它 型態之浮體。 再者’習知觀測技術係運用加速度器觀測波浪。惟在觀測時

該加速度器會產生雜訊，使該加速度器所輸出之加速度時序列數 據依據波/良为析理論計算出加速度譜，再經由頻率四次方倒數 轉換為水位譜’ _制波高、週麟料。啊加速度譜雜訊也 同時、.’里過頻率四次方倒數轉換後令低頻處雜訊被放大之倍率較 高頻處為大’進而得到錯誤的水位譜。 習知技術亦有彻RTK Gps量騎面水_化。當利用 RTK-GPS 時，使用 + # 用兩部以上之GPS接收器，並將其中一部設立在已 知位置之固疋點稱為GpS基準站，該GPS基準站以接收到的觀測 資料計算大氣誤# + 、產（電離層、對流層延遲）與執道誤差造成的影 5 200928303 .響’並透過地面域電錢信緖，將誤纽正值傳送u他各 部GPS接收器’即時解算出接收器與基準站位置之相對向量，求 :得高精度之位置資料。細·-哪在制時有其關，即當基 準站與接收器之間的距離增加大氣誤差影響的改變使得接收 器只能距離基準站約㈣公里才能達到公分級精度。因此，利用 RTK GPS測波H、％應用於沿海海域將此技術應用於深海區 域，量測精度將大幅下降。 〇 練於此，吾等發日狀為解決㈣細技賴纽之問題， 在經過不斷設計及改良後而有本發明之問世。 【發明内容】 爰是本發明提供-種GPS海面波動觀測方法，其目的在於使 设於浮體之觀測裝置不受GPS基準站之限制及低頻雜訊之干擾， 於任何海域進行海面波動觀測，且只需作為載具之浮體能隨波浪 水粒子運動，亦不限定浮體之型態，即可獲得準確的海面變動資 ❹訊。 為能實現上述之發明目的，本發明係為一種Gps海面波動觀 測方法，其方法包含：GPS模組偵測取得X軸向、γ轴向及z軸向 之波浪運動速度變化量，並轉換輸出波浪運動速度時序列，由分 析處理模組濾除運動速度時序列内含之低頻雜訊，保留真正屬於 波浪之運動速度時序列，並將該運動速度時序列應用傅立葉轉換 分析法，並配合波浪理論推算取得速度譜、一維水位譜、示性波 高、平均週期及方向波譜等波浪資料。 200928303 • *依據上述之構想，其中該GPS海峨動觀測方法更包含：速度 上曰維水位4、不性波南、平均週期及方向波譜等波浪資料經 及刀析處理模組編碼為資料字串，並將該資料字串儲存於儲存模 組。 ' “雜上叙縣’射_顧_為硬式剌機，或以F㈣ 己隱卡Compact F1 ash記憶卡為記錄媒體之讀卡機。 依據上述之縣，其愤GPS細波她測方法更包含·該分 〇析處雜組輸出該請字串給傳輸模組，由該傳輸單元以無線傳 輸方式將該資料字串傳送給遠端基地台。 依據上述之縣，其中該傳键_為無線電機、GSM數據機、 GPRS數據機或衛星傳輸裝置。 【實施方式】 、關於本發明之技術手段’ _—健實施麻合圖式於下文 進行詳細說明，俾供鈞上深入了解並認同本發明。 ❹ 首先’請參閱第一圖所示，係為本發曰月GPS海面波動觀測方 法較佳實施例示意圖。於本較佳實施例中，該觀測方法必須藉由 設於浮體200之觀測裝置⑽實施。該觀測裝置⑽係包含有奶 模組10、分析處理模組20、儲存模組3〇、傳輸模組4〇以及電力 模組50。其中： 該GPS模組1〇設有全球定位系統（G1〇bal p〇s出⑽加 System ’ GPS)。該GPS模組10與該分析處理模組2〇為電性連接， 用以當該浮體200在預定觀測海域漂浮時，即時偵測該浮體· 7 200928303 之X軸向、Y軸向及Z軸向之水粒子速度變化，並同時對應輸出該 三軸向之運動速度時序列給該分析處理模組20。前述該χ轴向在 本例中是預設為東西向’即GPS模組10偵測東西向之水粒子速度 變化。該Y轴向在本例中是預設為南北向，即GPS模組1〇偵測南 北向之水粒子速度變化。該Z軸向在本例中是預設為垂直於海平 面之方向，即GPS模組10偵測水位垂直速度變化。 ❹ ❹ 該分析處理模組20與該GPS模組1〇、儲存模組3〇、傳輸模 組40為電性連接。該分析處理模組2〇以分析處理軟體分析計算 由該GPS模組10傳送之運動速度時序列作為輸入值，經處理運算 後得出水粒子在X軸向、γ軸向及z軸向之速度譜、水位譜、示性 波高、平均週期及方向波譜等波浪資料，並將該等波浪資料經編 碼轉換為雜料，同_狀_輸触4()及雜存模組3〇。 該儲存模組30係接收該分析處理模組2〇輸出之資料字串， 並儲存該資料字串。該儲存模組3G係為硬式磁碟機，或以❿油 記憶卡、Conpaet Fiash記針為記錄魏之讀卡機。 該傳輸模組40係接收該分析處魏㈣輸出之資料字串。 該傳輸模組40即以無線傳輸方式傳送給遠端基地台。該傳輸模组 4〇係為無線電機、GSM數據機、GpRS數據機或衛星傳輸裝置。 /電力模組40與該GPS模組1Q、分析處理模組2()、儲存模 組3〇及傳輸模組4G為電性連接，用以提供該等模組1G、20、30 所需之電源。 8 200928303 • 如第二圖所示，當該觀測裝置⑽設於該浮體，並被置放 於預定觀測海域時，該浮體200在海面漂浮並隨著波浪水粒子運 :動，同時該分析處理模組20在預設之時間週期定時啟動該GPS模 組10與該傳輸触40 ’使該GPS模組1〇即時偵測該海域之水粒 子在X軸向、Y轴向及Z軸向之速度變化，並同時對應輸出該三轴 之運動速度時序列給該分析處理模組2〇進行分析運算。 如第三圖所示’該分析處理模组2()之分析步驟如下： ❹ 师—湖：齡析處理概20轉三㈣絲子運動速度 時序列。該GPS模組10偵測取得χ軸向、γ轴向及z轴向之水粒 子速度物理量’並傳送運動速度時序列給該分析處理模組2〇。該 分析處理模組20則以該等速度物理量做為運算處理之輸入值。 步驟二S200:該分析處理模組2〇在對三軸向水粒子運動速度 時序列進行運算前，會先行判斷是否有Gps訊號偏移（咖响

Loss)。所謂GPS訊號偏移⑽L〇ss),指當啦衛星發 生偏移或訊號無法接收時，GPS模組1G所輸出之水粒子運動速度

時序列則會㈣-整段往上餘下偏移的現象⑽sigJ

Loss)。當該分析處理模組2G運用移動平均法_判斷運動速度 時序列有GPS訊號偏移時’則進人遽除Gps訊號偏移之程序。反 之’則該分析處賴組20即對該等運動時序列進行波浪資訊之分 析運算。 ° 步驟三S300 :當該分析處理模、组2〇判斷運動速度時序列有 9 200928303 GPS訊號偏移時’則該分析處理模組2〇進一步將其滤除，而保留 真正屬於波浪速度的減’即針對該訊缝行波浪資訊之分析運 算。 步驟四S400 :於此步驟中，該分析處理模組2〇對三抽向之運 動速度時序舰·處理取得速度譜。·波浪巾雜的變動具 定常性（伽i〇nary)、統-性（erg〇dic)及高斯過程（㈣如 process) ’則其時間上與空間上的統計性n將波形魏為 無限多個獨振幅、辭、她及人概向的餘弦函數疊加來表 不，如下式： + _於2約 +〜} (S4-1) 其中’ 為波形函數’此函數與位置及時間有關，乂為 〇 董份波頻率、_應於，的波數，〜為人射波的波向H為 :應於頻率及波向的振幅及相位。當本較佳實施例之浮體200完 、跟隨海面移動標浮，則該觀測裝置1〇〇所觀測Z轴向之速紅可 以由（S4-1)式對時間微分1次而得： “从〇丨巧=。=笔客(2办一11(2約+〜） （S4-2) W)之自相關函數（aut0—correlati〇n functi〇n)定義如下 式所示： \Vz{t)'Vz{t + r)dT (S4-3)

—T 其中7為時距’則波譜密度函數可由自相關函數的傅立葉轉換 200928303 求得，其為波浪在某頻率範_所含之能量，如下式表示： ^f(/)=2£/?(r)exp(-/2^v)i/r ( S4-4 ) 其中/為鮮，5v<y)^ z ，z 上轉換函數(¥2)可得-維水位譜办），如下式所示： S(f)=Sv(fh(2^ c、 ν〇4-〇) Ο 〇 步驟五S5〇〇 :於此步驟中，該分析處理模組20對三轴向之運 動速度時序列經運算處理取得方向分布函數，進而得到方向波 譜。交錯譜之定義為交錯相關函數（c簡c〇rrelatic)n Fusion ) 之傅立葉轉換’交錯相關函數Α(Γ)的定義如下： R^ = ^J^(^ + T)dt (S5]) 上式中，冰)代表波形函數，Γ代表稽延時間，則交錯譜可由 下式獲得： (S5-2) (S5-3) 。藉由交錯譜

<^(/)= LR^~2mfTdT 將交錯譜以複數形式表示為如下所示： ^(/)=c，(/)-^(/) 其中，d/)稱為同位譜，込⑺稱為轉向譜 與方向波譜具有如下式所示之關係·· _=P.S(/加 (S5-4) 當該GPS模組10朗該浮體·位於海面定點位置之χ轴 向、γ軸向及Ζ軸向之水粒子運動速度，則交錯譜可為下式表示· 200928303

Ο ΦίΜ)= _π (S5-5) 當該GPS模組10觀測波面之χ轴向、γ轴向及ζ轴向之運動 速度時，係可彳⑽六組交錯譜，並將六組故譜分職人（Μ) 式後，再財限傅㈣級數法，假設方向分布函數可以展開成有 限階數的傅利葉級數，如下列所示： s{f, 〇>a0{f)^an (/) cos ηθ + bn (/) sin n〇 (S5-6) 再以GPS模組1G觀測所得之三轴向運動速度時序列代入 (S5-3)式解至二階，各項之係數分別以下式計算： a(n- Cn(f) (· (S5-7a) a(f)- Qn(f) Αη~{2π[)27ώ (S5-7b) a (f\- ^22(/)- ^33(/) (2φ)2π (S5-7c) (S5-7d) w)--i2C£l , , cosh Λζ/ ， 其中hsinhW W為水深4以下式計算： (S5-7e) i / Q? (/)+^33(/) Ί cu(f) (S5-8) 方向譜可視為一維能譜與方向分佈函數之内積. S(/^) = S(/)-D(e\f) (S5-9) 12 200928303 又 其中町)為—輯譜；棒I/)為波絲量的方向分佈函數 町)為如下式之表示： (S5~i〇) (S5-11) &(/)代表 S(f) = i S{Le)de = Cu{f)K27tff=aQ{f)n 又乃州/)為如下式之表示： i{2+ri^Cos^~(^'^(/))]^2(/)cos^-(2<9-<92(/))]| 、中以’）、巧(/)代表波浪方向分佈寬度。巧(乃、 波浪傳遞出去的方向。 步驟六S600 : 昇取得水位譜後， 如下列式子： 於此步驟中，該分析處理模組20利用步驟四運 再由該水位譜推算示性波高Hs與平均週期t， ^ - 4.004

Tz =V«v^r (S6'2)

、’卜。與％分別為水位譜能量之零次矩與二次矩。另外， 量密度最大處所對應之方向 驟五運算得財肖賴後，㈣倾 , 即為主波向。 詳虽該分析處理模組2〇經由上述之程序運算出速度譜、水位 °曰、不性波高、平均聊及方向波譜等波浪資料後，該分析處理 =且20即將將前述之波浪資料進行編碼為資料字_，並將該資料 字串同時輸出於該儲存模組3Q儲存備查及該傳輸模組4Q。該傳輸 模、、且40接收到資料字串後，即以無線傳輸方式將資料字串傳送給 13 200928303 综上所述可得知，本_具打_述之優點

广哪海面波動觀測方法係運用奶模組分析取得X轴 ^西向）γ轴向（南柏）及2軸向（上下向）之水粒子運 =度時相資料1剌波浪㈣。只科體麟著波浪水粒 GP^l卩，可柯<讀_之限制。再者’本個之方法藉由 、.且並配口以波浪理論為基礎之分析方法而無需架設奶 土準站’即能精確取得波浪資訊，且亦無低頻雜訊之干擾問題。 綜觀上述’本發明就其整體之組合及特徵而言，既未曾見諸 於同類產品中，申請前絲見公開，誠已符合專利法之法定要件， 茇依法提出發明專利申請。 _ X_L所述者，僅為本發明讀佳實細，當不能以此限定本 =月實^之㈣，即大凡依本發明申請專利朗及發明說明書内 谷所作之等效變化與修飾，皆應域本發明專利之涵蓋範圍内。 【圖式簡單說明】 第-圖係本發明GPS海面波峨财法較佳實顧之觀測裝置 架構方塊圖。說明觀測裝置之架構關係。 $二_本發明GPS海面波動觀測方法較佳實施例之觀測裝置 設於浮體’而浮體漂浮贿蚊錢㈣示意圖。 第二圖係本發明GPS海面波動觀測方法較佳實施例之分析處理 200928303 • 模組之分析處理流程圖。 【主要元件符號說明】 100—觀測裝置 10 GPS模組 20 分析處理模組 30--- -一儲存單元 40------傳輸模組

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Claims (1)

1. 200928303 十、申請專利範圍： 1. 一種GPS海面波動觀測方法，其方法包含·· GPS模組偵測取得X軸向、γ轴向及%軸向之波浪運動速度變化 量’並轉才奐輪出波浪運動速度時序列，&分析處理模组瀘除運動 速度時序列内含之低頻雜訊，保留真正屬於波浪之運動速度時序 列，並將該運動速度時序列應用傅立葉轉換分析法，並配合波浪 理論推算取得速度譜、一維水位譜、示性波高平均週期及方向 ❹波譜等波浪資料。 2.如申明專利範圍第1項所述之Gps海面波動觀測方法，其中該 GPS海面波動觀測方法更包含： 欠速度谱、一維水位譜、示性波高、平均週期及方向波譜等波 浪身料經該分析處理模組編碼為資料字串，並將該資料字串儲存 於儲存模組。 q :如申明專利範圍第2項所述之GPS海面波動觀測方法，其中該 堵存模組係為硬式磁碟機，或以Flash記憶卡、㈣沾F馳記 憶卡為記錄媒體之讀卡機。 、4.如申請專利範圍第2項所述之GPS海面波動觀測方法，其中該 S海面波動觀測方法更包含： • 該分析處理概輸出該資料字串給傳輸模紐，由該傳輸單元以 …、線傳輪方式將該資料字串傳送給遠端基地台。 申请專利範圍第4項所述之Gp s海面波動觀測方法，其中該 200928303 ’ 傳輸模組係為無線電機、GSM數據機、GPRS數據機或衛星傳輸裝置。 〇

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