TWI356897B - - Google Patents

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1356897 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係為-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】 #，習知觀測並取得海域之相浪資訊，係湘浮體設有 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 φ '良’係依據波浪分析理論，分析加速度、東西向與南北向傾角時 序列資無得舰㈣料。引践理鱗，浮體題隨著波浪表 面運動’才得収確制則變化。惟此f知技術所制之浮體 必須限定為碟型浮體才能使觀漸果_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 鲁據依據波浪刀析理論計算出力σ速度譜，再經由頻率四次方倒數 轉換為水位譜，進而得到波高、週期資料。同時加速度譜雜訊也 同時經過頻率四次方倒數轉換後，令低頻處雜訊被放大之倍率較 咼頻處為大，進而得到錯誤的水位譜。 習知技術亦有利用RTK_GPS量測海面水位變化。當利用 ,RTK_GPS時’使用兩部以上之GPS接收器.，並將其中一部設立在已 '知位置=固定點稱為GPS基準站，該GPS基準站以接收到的觀測 資料計算大氣縣（獅層、對流層延遲）與财誤差造成的影 5 響’並透過地面無線電或電m將誤差改正值傳送至其他各 =PS接收器，即時解算出接收器與基準站位置之相對向量求 传冋精度之位置#^然而RTK GPS在使㈣有其限制即當基 準站與接收g之間的輯增加，域誤絲料改變，使得接收 器只能距絲準站約㈣公里才能達到公分級精度。因此，利用 RTK GPS測波系統只能應用於沿海海域，將此技術應用於深海區 域，量測精度將大幅下降。 有鑑於此，吾等發明人為解決習知觀測技術所產生之問題， 在經過不斷設計及改良後而有未發明之問世。 【發明内容】 羞是本發明提供-種GPS海面波動觀測方法，其目的在於使 設於浮體之觀測裝置不受GPS基準站之限制及低讎訊之干擾， 於任何海域猶海©波動㈣，且只需作為祕之浮體能隨波浪 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 訊。 為此實現上述之發明目的，本發明係為一種Gps海面波動觀 ’則方法，其方法包含：GPS模組偵測取得χ軸向、γ轴向及2軸向 之波浪運動迷度變化量，並轉換輸出波浪運動速度時序列，由分 析處理模_除運祕度時序_含之低頻雜，保留真正屬於 波/良之運動速度時序列，並將該運動逮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迷度譜、一維水位譜、示性波 面、平均週期及方向波譜等波浪資料。 1356897 依據上述之構想，其中該GPS海面波動觀測方法更包含：速声 譜、一維水赠、示性波高、平均職及方向波鮮波^料: 该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 1依據上述之構想，其中該儲械組係為硬式磁碟機或以打她 記憶卡、Compact Flash記憶卡為記錄媒體之讀卡機。 依據上述之構想，其中該GPS海面波動觀測方法更包含：嗲分 析處理模組輸出該資料字串給傳輸模組，由該傳輸單元以無ϋ 輸方式將該資料字串傳送給遠端基地台。 依據上述之構想，其t爾倾·_為鱗電機、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，_—健實施例配合圖式於下文 進行詳細說明Μ牟供鈞上深入了解並認同本發明。 首先，請參閱第-圖所示，係為本發明Gps海面波動觀測方 法較佳實施麻賴。於本健實施财，_測方法必須藉由 設於浮體·之觀測裝们00實施。該觀測裝置⑽係包含有奶 模組Η)、分析處理模組2G、館存模組3G、傳輸模組4G以及電力 模組50。其中： 該奶模經10設有全球定位系統（Giobai Positioning SySteffl，GPS)。該GPS模組10與該分析處， 用以當該浮體細在預定觀測海域漂浮時，即時侧該浮體· 7 1356897 .之X轴向、γ軸向及Z軸向之水粒子速度變化，並同時對應輸出該 二軸向之運動速度時相給該分析處職組2G^該X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軸向在本例中是預設為南北向，即GPS模組1G偵測南 北向之水粒子速賴化。該Z轴向在本财是職為垂直於海平 面之方向，即GPS模組1〇偵測水位垂直速度變化。 . 該分析處理模組2〇與該GPS模組1〇、儲存模組3〇、傳輸模 鲁組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1〇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轴向及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 竭轉換為資料字串，同時輸出給該傳輸模組4G及該儲存模組30。 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30係為硬式磁碟機，或以Flash 記憶卡、Compact Flash記憶卡為記錄媒體之讀卡機。 該傳輸模組4〇係接收該分析處理模組2〇輸出之資料字串。 該傳輸模組40即以無線傳輸方式傳送給遠端基地台。該傳輸模組 如係為無線電機、GSM數據機、GPRS數據機或衛星傳輸裝置。 該電力模組40與該GPS模組10、分析處理模組2〇、儲存模 組30及傳輸模組40為電性連接，用以提供該等模組1〇 ' 2〇、3〇 所需之電源。 8 1356897 如第二圖所示’當該觀測裳置100設於該浮體謂，並被置放 於預定觀測海域時，該浮體㈣面漂浮並隨著波浪水粒子運 動’同時該分析處理模組2〇在預設之時間週期定時啟動該Gps模 組10與該傳輸魅40，使該GPS模組1〇即時制該海域之水粒 子在X軸向、Y轴向及2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，該分析處理模組20之分析運算步驟如下： 步驟-S歡該分減理漁2G轉三㈣絲子運動速度 B寺序列。該GPS模組1〇偵測取得X軸向、γ轴向及z轴向之水粒 子速度物理量’並傳送運動逮度時序列給該分析處理模組。該 分析處理敝20似鮮速度物理量做為運算處理之輸入值。 步驟二S2GG:該分析處理触2Q在對三躺絲？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⑽抑㈣

Loss)。所謂GPS訊號偏移（GPS Signal Loss)，指當GPS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 時序列則會出現-整段往上或往下偏移的現象（Gps抑㈣

Loss)。當該分析處理模組20運用移動平均法偵測判斷運動速度 時序列有GPS 號偏移時，則進入齡Gps訊號偏移之程序。反 之，則該分析處理模組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 :當該分析處理模組20判斷運動速度時序列有 9 1356897 GPS訊號偏移時’則該分析處理模組2()進一步將其，而保留 真正屬於波浪速度的峨，即針對該滅進行波浪資訊之 -算。 ··· 轉四議：於此步驟中，該分析處理模組20對三轴向之運 =速度時序顺運算處理取得速度譜。_波浪中水位的變動具 定常性（stationary)、統—性（erg()dic)及高__咖_ ㈣謂）’難時壯與郎上的麟性[致。將波狗視為 無限多個㈣振巾i、頻率、她及人做_餘弦函數疊加來表 示，如下式： 7(X，#)= 吨一(θ> + _>卜娜 + 〜} ( S4-1) 其中，7卜，兄0為波形函數，此函數與位置及時間有關，力為 成份波頻率、〇對應^的波數，H人射波的波向Ά為 對應於鮮及波向的振幅及相位。當本較佳實關之雜2〇〇完 • 全跟隨、海面移動標浮，則該觀測震置100戶斤觀測Ζ轴向之速度F:可 以由（S4-1)式對時間微分1次而得： V^yAx=y=, = ΣΧ(2^ )αΰ sin(2^；.i + £..) ( S4-2 ) y=i /-1 ’ κ(ο之自相關函數（aut〇-correlationfunction)定義如下 式所示： ' =)κ W· Vz (t + ^ (S4-3) 其中r為時距，則波譜密度函數可由自相關函數的傅立葉轉換 1356897 求得，其為舰在某辭範_所含之能量 〜⑺=2 [ ^WexpG，2折)办 其中/為頻率，心⑺為Z軸向之 （S4_4) 上轉換函數(2心得-維水位物，如軸向之速祕 (Q4-5 ) 步驟五S500 ··於此步驟中，該分析處理模組20對三軸向之運 動速度時序料理取㈣向分布函數，㈣得到方向波 譜Γ交錯她綠⑽ 之傅立倾換’交錯相關函數从)的定義如下： ^7 ^Μ^λί+τ^ί (S5-1) 上式中外)代表波形函數，峨表稽延時間則交錯 下式獲得： 么⑺=£ά匆w 上 (S5-2) 將交錯譜以複數形式表示為如下所示： W，，.(/) (S5_3) 其中’训稱為同位譜’ α⑺稱為轉向譜。藉由交錯譜_ 與方向波譜办θ)具有如下式所示之關係： 7 φΜ)= le'ihCu 'S{f,e)de (S5-4) 當該模組10觀測該浮體200位於海面定點位置之χ轴 向、Y軸向及Z轴向之水粒子運動速度則交錯譜可為下式表示： 1356897 ,~π (S5-5) 當該GPS模組l〇觀測波面之χ軸向、γ軸 速度時，係可得出六組交錯譜，並將六 °，以向之_ 彳尨* > 錯谱分別代入（S«Sw 式後，再以有限傅利葉級數法，假設方向分布 、U5'3) 限階數的傅利葉級數，如下列所示： 5 β 乂展開成有 办，· α。⑺+ &⑺c咖θ 4 (/)如μ 再以GPS模組10觀測所得之三軸 瓜6) 式解至二階，各項之係數分別以下^^8^代入 «〇(/)

Cn(f) (2πί)2π α丨(，)-么(/) {2nffnh a2(f)~ ^22(/)-^3(/) (2φ)2π (/)- ^3(/) (2<)2 忒 hif) = 2C23 ⑺ {2φ)2π CS5-7a) (S5-7b) (S5-7c) (S5-7d) CS5-7e) 其中^為水深，&以下式計算 c22(f)+c33(f) i Cu(f) 方向譜可視為一維能譜與方向分佈函數之内積 5(/，θ) = μ/)4(θ|/) C S5~8) (S5'9) 12 丄糊97 丄糊97 又 其中Μ/)為一維波譜；乃⑷|乃為波浪能量的方向 切為如下叙絲.· _ (S5，） 5(/) = 1 S{Le)de = Cu{f)K27tff=a0{f)n 又〇(θ|/)為如下式之表示： 娜。sf (Θ-馨•❶夸—，侧}⑼⑴ 其中，η(/)、(/)代表波浪方向分佈寬度。⑽ 凌浪傳遞&切方向。 2(/)代表 算取:於此_，該分析處理馳2G _步驟四運 如下後，^水位譜推算示性波高HS與平均週期L， (S6-1) (S6-2) ^ =4.004 = ν^〇7^7 則所。和分別為水位譜能量之零次矩與二次矩 2 ===柯麟後，㈣轉量紐最大處賴應之料 1當該分析處理模組2G經由上述之程序運算出速度譜、水位 :、不性波平均週期及方向波譜等波浪資料後，該分析處理 字=20即將將讀之波浪資料進行編碼為資料字串，並將該資料 同時輪出於該儲存模、组3〇儲存備查及該傳輸模組4〇。該傳輸 、、、且4〇接收咐料字串後’即以無線傳輸方式將資料字串傳送給 13 傳送 之資 遂端基地台。該遠端基輸卩將所接收到由該觀測裝置卿 2料字串經運算處理轉換為專業人員可直接判讀或記錄 綜上所述可得知’本㈣具打浙叙優點： 本翻GPS海面波_财法係·奶“分析取得X轴 動向Μ軸向（南北向）及2軸向（上下向）之水粒子運 林·料，崎到波㈣料。只要浮體能隨著波浪水粒 =運動即可，科受浮_紅_。再者，本發明之方法藉由 ，並配合以波浪理論為基礎之分析方法，而無需架設奶 基準站，即能精確取得波浪資訊，且亦無低頻雜訊之干擾問題。 综觀上述’本發明就其整體之組合及特徵而言，既未曾見諸 於同類產品巾，巾請前絲見公開，誠已符合專槪之法定要件， 菱依法提出發明專利申請。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實_，當不能以此限定本 ☆實知之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明書内 乍之等效變化與修飾’皆應仍屬本發料利之涵蓋範圍内。 【圖式簡單說明】 加第-圖係本發明GPS海面波動觀測方法較佳實施例之觀測震置 木構方塊®。說明觀測裝！之架構關係。 “第圖係本發明GPS海面波動觀測方法較佳實施例之觀測裒置 設於浮體’而浮體漂浮於海面之使·態示意圖。 第二嶋本發明GPS海面波練财法触實細之分析處理 1356897 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

Claims (1)

1356897 • 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模組伽取得x轴向、Y轴向及Z軸向之波浪·變化 量，並轉換輪出波浪運動速度時賴，砂析處賴域除運動 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’並運鱗度時序列細傅立_換分析法並配: 理論推算取得速度譜、—維水位譜、雜波高平均週期及方向 波谱等波浪資料。 2. 如申叫專利範圍第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： 〇 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。 3. 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 儲存模組係為硬式磁碟機，或以FlashK憶卡、c〇mpact Flash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 GPS海面波動觀測方法更包含： 該分析處理模組輸出該資料字串給傳輸模組，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。 5·如申請專利範圍第4項所述之GPS海面波動觀測方法，其中該 1356897 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。

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