基于近岸GPS RTK技術的潮位和波浪提取算法研究

黨超群，齊占輝，李明兵，趙江濤

（國家海洋技術中心 天津　300112）

基于近岸GPS RTK技術的潮位和波浪提取算法研究

黨超群，齊占輝，李明兵，趙江濤

（國家海洋技術中心 天津300112）

基于實現潮位和波浪信息的同步提取目的，采用仿真方法來獲得近岸GPS RTK技術測得的實時海面高程數據，鑒于潮汐和波浪的周期相差甚遠，對仿真數據進行相應的低通和帶通濾波即可提取。通過對仿真數據進行平滑濾波、中值濾波、小波濾波等低通濾波，以及橢圓、巴特沃斯等帶通濾波結果分析表明：1）近岸GPS RTK技術可用于潮位和波浪同步測量；2）對于潮位信息的提取方面，平滑、小波、巴特沃斯低通濾波對仿真數據處理結果較好，經驗模式分解（EMD）起始階段結果較差，后續效果較好，效果最差的是中值濾波；3）對于波浪信息的提取方面，橢圓濾波、巴特沃斯、切比雪夫Ⅰ型效果較好，巴特沃斯Ⅱ型效果較差，equiripple和開爾文帶通濾波效果最差。

GPS RTK；潮位和波浪信息提取；濾波算法；仿真

GPS潮位測量是采用GPS RTK技術，通過測得一段時間內水面上的測船或浮球（稱為標體）上的GPS天線的系列高程值，計算出潮位。國外在20世紀90年代初首次出現了GPS潮位測量的概念，并相繼開展了船載及浮標式潮位測量的可行性試驗，試驗證明GPS潮位測量可以達到厘米級的精度［1-2］。

GPS波浪浮標利用GPS衛星信號的多普勒頻偏原理測量浮標的運動狀態［3-4］，進而反演出波浪譜，最后由波浪譜算出波浪的特征值數據并把特征值數據存儲和發送。當前，國家海洋技術中心研制的GPS波浪浮標已進入國家海洋局業務化試運行。

文中基于GPS技術在潮位和波浪測量方面的應用，提出了基于近岸GPS RTK技術的潮位和波浪提取算法研究。

1　基于近岸GPS RTK技術的潮位和波浪測量原理

1.1GPS RTK技術

GPS RTK技術是以載波相位觀測值為基礎的實時差分GPS（GPS RTK）技術。實時動態定位（RTK）系統是由基準站和流動站組成，RTK定位技術實現的關鍵在于數據的傳輸和數據的實時處理，建立無線數據通訊是實時動態測量的保證。

1.2潮位測量原理

GPS水上潮位測量采用載波相位差分技術［6-7］，獲取水面標體的瞬時高程值，對瞬時高程值進行低通濾波處理即可提取其中的潮位信息，其測量原理如圖1所示。

圖1　基于近岸GPS RTK技術的潮位測量原理Fig．1　Theory of tide measuring based on off-shore GPS RTK technology

如果在流動站上測得重力異常值，或者有精細的局部重力場模型，就可以計算出高程異常值，否則，在基準站和流動站相距不長的情況下（受RTK的限制，一般在30 km以內），認為與基站上的ξr相同，即

1.3波浪測量原理

GPS RTK波浪測量利用之前獲取的水面標體瞬時高程值，經帶通濾波后提取出波浪信息，進而通過波浪信息反演出波浪譜，最后由波浪譜計算出波浪的特征值數據。

2　基于仿真數據的潮位和波浪信息提取算法研究

2.1仿真的水面瞬時高程數據

設水面瞬時高程數據［6］（12 h的觀測的水面高程數據）由兩個周期分別為12 h和6 h的潮位、周期為2、8、14、20 s的波浪和姿態等引起的均值為0，方差為0．05 m2的隨機噪聲引起，具體組成如下：

其中，ft1、ft2為潮汐函數；fw1、fw2、fw3、fw4為波浪函數；fn為隨機噪聲。其時域和頻域圖如圖2所示。

圖2　觀測的水面高程數據的時域和頻域圖Fig．2　Time-domain and frequency-domain plot of observing sea level altitude data

2.2潮位信息的提取

觀測的水面高程數據，受到海浪譜等外界的干擾和噪聲的影響，其精度不能完全滿足潮位觀測要求，需要對數據進行濾波處理。潮位信息相對于波浪信息屬于低頻信息，文中分別使用EMD濾波、中值濾波、小波濾波、平滑濾波、巴特沃斯濾波等方法對觀測的水面高程數據進行濾波處理，并對結果進行了對比，如圖3所示。

圖3　觀測的水面潮汐信息與低通濾波后的仿真數據對比圖Fig．3　Comparison plot of the tide information of observing sea level with the simulation data which has gone through the low pass filter

對比結果顯示，經過低通濾波算法處理后潮位數據有一定程度的改善，詳如表1。根據濾波后的潮位數據與觀測的水面高程數據中的潮位信息作對比，平滑濾波、小波濾波的濾波效果較好；EMD濾波在數據起始階段濾波效果較差，后續的濾波效果較好；巴特沃斯濾波和中值濾波效果較差。因此真實海況下GPS RTK測量的觀測的水面高程數據中的潮位信息的提取建議采用平滑或小波濾波器。

表1　不同濾波方式的數據對比Tab.1　Data comparison of different types of filtering

2.3波浪信息的提取

觀測的水面高程數據，受到潮汐等外界的干擾和噪聲的影響，其精度不能完全滿足海浪觀測要求，需要對數據（1 h的觀測的水面高程數據）進行濾波處理。本文采用了切比雪夫Ⅰ型、橢圓、巴特沃斯、equiripple、切比雪夫Ⅱ型、開爾文等帶通濾波進行濾波，成功提取到觀測的水面高程數據中的波浪信息。如圖4所示。

圖4　觀測的水面波浪信息與帶通濾波后的數據對比圖Fig．4　Comparison plot of the wave information of observing sea level with the data which has gone through the band pass filter

根據帶通濾波后的提取的波浪信息與觀測的水面高程數據中的波浪信息作對比，橢圓、巴特沃斯、切比雪夫Ⅰ型濾波效果較好；切比雪夫Ⅱ型稍差一些；開爾文和equiripple濾波效果最差，尚留有低頻潮位信息。因此真實海況下GPS RTK測量的觀測的水面高程數據中的波浪信息的提取建議采用橢圓、巴特沃斯或切比雪夫Ⅰ型帶通濾波器。

3　結束語

仿真結果表明，基于近岸GPS RTK技術測量的水面載體高程數據，通過預置的低通和帶通濾波后可提取出潮位和波浪信息，進而開展潮位和波浪的計算，最終完成潮位和波浪的同步觀測。

由于GPS RTK方法測量潮位和波浪的核心是GPS雙差技術［8-9］，受到解算距離和通信鏈路的限制，這種方式的作用范圍比較有限，適用于近海地區，所以對于近岸的潮位和波浪測量實用價值非常高。

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Research on algorithms of tide and wave extraction based on off-shore GPS RTK technology

DANG Chao-qun，QI Zhan-hui，LI Ming-bing，ZHAO Jiang-tao
（National Ocean Technology Center，Tianjin300112，China）

In order to achieve the extraction of tide and wave information，we simulated the real-time sea level altitude data which measured by GPS RTK technology．As the period cycle of which had a wide difference，it was not complicated to extract tide and wave information from the simulation data by the way of corresponding low pass and band pass filter．After executing and analyzing the low pass filter of moving average，median，wavelet and the band pass filter of elliptic，Butterworth，it was general summarized as follows．（1）The technology of off-shore GPS RTK could be simultaneously applied to the measurement of tide and wave；（2）Low pass filter of moving average，median，wavelet performed well on extracting tide information from simulation data．In the beginning，Empirical Mode Decomposition（EMD）had a poor performance，afterwards，it became well．As a whole，median performed worst；（3）Band pass filter of elliptic，Butterworth，first type of Chebyshev performed well on extracting wave information from simulation data，second type of Chebyshev had a poor performance，as a whole，equiripple and Kelvin performed worst．

GPS RTK；tide and wave information extraction；algorithms of filtering；simulation

TP391

A

1674－6236（2016）02-0006-03

2015-07-09稿件編號：201507073

國家自然科學基金（41406114）；天津市自然科學基金項目（13JCQNJC03800；12JCQNJC02400）

黨超群（1987—），男，安徽碭山人，碩士研究生，助理工程師。研究方向:海洋觀測技術。