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GNSS浮标多普勒速度测波技术研究

刘会  
【摘要】:海洋浮标作为一种现代化的海洋监测手段,可以通过远程遥控实现观测数据的自动采集和无线安全传输,具备全天候、全时段稳定可靠收集海洋环境资料的能力,为建立我国海洋牧场、无人岛礁、关键出海通道等关键海域的多源立体监测网,提供了重要参考。随着GNSS卫星导航定位技术的飞速发展,GNSS浮标作为一种种低成本的新型海洋测量仪器随之出现。因此,本文提出了一种基于GNSS浮标三维速度进行海浪谱分析获取波浪信息的方法,并开展GNSS浮标海上试验验证本文方法的有效性。主要内容和成果如下:(1)基于GNSS测速各类误差影响,系统对比了常用的三种GNSS测速模型:位置差分,原始多普勒,导出多普勒测速精度以及适用条件。在GNSS接收机低动态运动模式下,PPK位置差分和单站导出多普勒测速精度较高,测速精度优于1cm/s,而单站原始多普勒测速精度较差,U方向速度误差可达1dm/s。位置差分测速容易受测站位置精度影响,而原始多普勒容易受GNSS接收机自身噪声的影响,单站导出多普勒实质为相邻历元间的载波相位差分,因此观测精度受采样频率影响。(2)提出了一种自适应抗差卡尔曼滤波测速算法,该算法以PDOP以及历元卫星观测数量作为判断条件,将速度解算方案分为三种情况展开讨论。其中抗差等价权模型选择IGGIII抗差模型,自适应权选择单因子三段式自适应模型,分别从静态和动态两方面对该滤波方法展开评价。当运动目标状态发生变化时,卡尔曼滤波较最小二乘解算结果轨迹偏差更小,在控制载体的异常扰动、提高滤波的精度方面具有较好的效果。(3)在已有研究基础上,从谱的再现性和有效性两方面,系统的对比了目前常用的海浪功率谱和方向谱估计方法。对于海浪功率谱,经典谱分析和现代谱分析的估计结果受谱估计方法自身参量,采样过程时长、频率等参量选取影响。对于浮标的海浪方向谱,贝叶斯方法目前精度最好,扩展最大熵浮标算法次优于贝叶斯浮标算法,但计算效率远远高于贝叶斯方法。(4)提出了一种基于GNSS浮标多普勒速度进行海浪方向谱和功率谱分析观测海浪的方法。采用基于AR模型的Burg方法进行海浪功率谱分析得到平均波高和平均周期等参数。采用扩展最大熵法浮标算法对速度序列进行方向谱分析。通过与波浪骑士浮标实测对比,证明GNSS不仅具有高精度导航定位功能,还可用以波浪观测以及海洋预报,为研发低成本高精度的单GNSS浮标提供了一定参考。


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