黨超群，齊占輝，李明兵，趙江濤

（國(guó)家海洋技術(shù)中心 天津　300112）

基于近岸GPS RTK技術(shù)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(guó)家海洋技術(shù)中心 天津300112）

基于實(shí)現(xiàn)潮位和波浪信息的同步提取目的，采用仿真方法來(lái)獲得近岸GPS RTK技術(shù)測(cè)得的實(shí)時(shí)海面高程數(shù)據(jù)，鑒于潮汐和波浪的周期相差甚遠(yuǎn)，對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的低通和帶通濾波即可提取。通過(guò)對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)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(jié)果分析表明：1）近岸GPS RTK技術(shù)可用于潮位和波浪同步測(cè)量；2）對(duì)于潮位信息的提取方面，平滑、小波、巴特沃斯低通濾波對(duì)仿真數(shù)據(jù)處理結(jié)果較好，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓‥MD）起始階段結(jié)果較差，后續(xù)效果較好，效果最差的是中值濾波；3）對(duì)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(kāi)爾文帶通濾波效果最差。

GPS RTK；潮位和波浪信息提??；濾波算法；仿真

GPS潮位測(cè)量是采用GPS RTK技術(shù)，通過(guò)測(cè)得一段時(shí)間內(nèi)水面上的測(cè)船或浮球（稱為標(biāo)體）上的GPS天線的系列高程值，計(jì)算出潮位。國(guó)外在20世紀(jì)90年代初首次出現(xiàn)了GPS潮位測(cè)量的概念，并相繼開(kāi)展了船載及浮標(biāo)式潮位測(cè)量的可行性試驗(yàn)，試驗(yàn)證明GPS潮位測(cè)量可以達(dá)到厘米級(jí)的精度［1-2］。

GPS波浪浮標(biāo)利用GPS衛(wèi)星信號(hào)的多普勒頻偏原理測(cè)量浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)［3-4］，進(jìn)而反演出波浪譜，最后由波浪譜算出波浪的特征值數(shù)據(jù)并把特征值數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和發(fā)送。當(dāng)前，國(guó)家海洋技術(shù)中心研制的GPS波浪浮標(biāo)已進(jìn)入國(guó)家海洋局業(yè)務(wù)化試運(yùn)行。

文中基于GPS技術(shù)在潮位和波浪測(cè)量方面的應(yīng)用，提出了基于近岸GPS RTK技術(shù)的潮位和波浪提取算法研究。

1　基于近岸GPS RTK技術(shù)的潮位和波浪測(cè)量原理

1.1GPS RTK技術(shù)

GPS RTK技術(shù)是以載波相位觀測(cè)值為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)差分GPS（GPS RTK）技術(shù)。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（RTK）系統(tǒng)是由基準(zhǔn)站和流動(dòng)站組成，RTK定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)的傳輸和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，建立無(wú)線數(shù)據(jù)通訊是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的保證。

1.2潮位測(cè)量原理

GPS水上潮位測(cè)量采用載波相位差分技術(shù)［6-7］，獲取水面標(biāo)體的瞬時(shí)高程值，對(duì)瞬時(shí)高程值進(jìn)行低通濾波處理即可提取其中的潮位信息，其測(cè)量原理如圖1所示。

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

如果在流動(dòng)站上測(cè)得重力異常值，或者有精細(xì)的局部重力場(chǎng)模型，就可以計(jì)算出高程異常值，否則，在基準(zhǔn)站和流動(dòng)站相距不長(zhǎng)的情況下（受RTK的限制，一般在30 km以內(nèi)），認(rèn)為與基站上的ξr相同，即

1.3波浪測(cè)量原理

GPS RTK波浪測(cè)量利用之前獲取的水面標(biāo)體瞬時(shí)高程值，經(jīng)帶通濾波后提取出波浪信息，進(jìn)而通過(guò)波浪信息反演出波浪譜，最后由波浪譜計(jì)算出波浪的特征值數(shù)據(jù)。

2　基于仿真數(shù)據(jù)的潮位和波浪信息提取算法研究

2.1仿真的水面瞬時(shí)高程數(shù)據(jù)

設(shè)水面瞬時(shí)高程數(shù)據(jù)［6］（12 h的觀測(cè)的水面高程數(shù)據(jù)）由兩個(gè)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(tài)等引起的均值為0，方差為0．05 m2的隨機(jī)噪聲引起，具體組成如下：

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

圖2　觀測(cè)的水面高程數(shù)據(jù)的時(shí)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(cè)的水面高程數(shù)據(jù)，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(cè)要求，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。潮位信息相對(duì)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(duì)觀測(cè)的水面高程數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如圖3所示。

圖3　觀測(cè)的水面潮汐信息與低通濾波后的仿真數(shù)據(jù)對(duì)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(duì)比結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)低通濾波算法處理后潮位數(shù)據(jù)有一定程度的改善，詳如表1。根據(jù)濾波后的潮位數(shù)據(jù)與觀測(cè)的水面高程數(shù)據(jù)中的潮位信息作對(duì)比，平滑濾波、小波濾波的濾波效果較好；EMD濾波在數(shù)據(jù)起始階段濾波效果較差，后續(xù)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(shí)海況下GPS RTK測(cè)量的觀測(cè)的水面高程數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)對(duì)比Tab.1　Data comparison of different types of filtering

2.3波浪信息的提取

觀測(cè)的水面高程數(shù)據(jù)，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(cè)要求，需要對(duì)數(shù)據(jù)（1 h的觀測(cè)的水面高程數(shù)據(jù)）進(jìn)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(kāi)爾文等帶通濾波進(jìn)行濾波，成功提取到觀測(cè)的水面高程數(shù)據(jù)中的波浪信息。如圖4所示。

圖4　觀測(cè)的水面波浪信息與帶通濾波后的數(shù)據(jù)對(duì)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(jù)帶通濾波后的提取的波浪信息與觀測(cè)的水面高程數(shù)據(jù)中的波浪信息作對(duì)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(kāi)爾文和equiripple濾波效果最差，尚留有低頻潮位信息。因此真實(shí)海況下GPS RTK測(cè)量的觀測(cè)的水面高程數(shù)據(jù)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(jié)束語(yǔ)

仿真結(jié)果表明，基于近岸GPS RTK技術(shù)測(cè)量的水面載體高程數(shù)據(jù)，通過(guò)預(yù)置的低通和帶通濾波后可提取出潮位和波浪信息，進(jìn)而開(kāi)展潮位和波浪的計(jì)算，最終完成潮位和波浪的同步觀測(cè)。

由于GPS RTK方法測(cè)量潮位和波浪的核心是GPS雙差技術(shù)［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(qū)，所以對(duì)于近岸的潮位和波浪測(cè)量實(shí)用價(jià)值非常高。

［1］李浩，肖付民，夏偉，等．GPS浮標(biāo)高程數(shù)據(jù)濾波窗函數(shù)選取方法［J］．海洋測(cè)繪，2012，30（6）:10-12．

［2］柴洪洲，崔岳．GPS動(dòng)態(tài)定位實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)海平面檢測(cè)的研究［J］．全球定位系統(tǒng)，2001，26（3）:18-21．

［3］張鎖平，齊占輝．GPS測(cè)波技術(shù)分析與初步實(shí)驗(yàn)研究［J］．海洋技術(shù)，2010，29（3）:14-18．

［4］JJ de Vries．Designing a GPS-based mini wave buoy．International ocean system［J］．2007，May/June:21-23．

［5］陸洋．海洋衛(wèi)星測(cè)高新概念——GPS浮標(biāo) ［J］．海洋技術(shù)，2000，19（4）:28-33．

［6］李杰．GPS潮汐測(cè)量及應(yīng)用．北京：國(guó)家海洋局第一海洋研究所，2009：19-40．

［7］陽(yáng)凡林，趙建虎．GPS驗(yàn)潮中波浪的誤差分析和消除［J］．海洋測(cè)繪，2003，23（3）:1-4．

［8］馮義楷，李杰，楊龍，等．遠(yuǎn)程GPS驗(yàn)潮方法研究［J］．海洋測(cè)繪，2010，30（1）:4-6．

［9］Teruyuki Kato，Yukihiro Terada，Masao Kinoshita，etc．Realtime observation of tsunami by RTK-GPS［J］．Earth Planets Space，2000（52）:841-845．

［10］王生輝．GPS RTK技術(shù)在電力線路測(cè)量中的應(yīng)用［J］．陜西電力，2007（9）:49-51．

［11］王葵，翟榮剛，王道斌，等．基于激光測(cè)距雷達(dá)和車載GPS的動(dòng)態(tài)障礙物檢測(cè)［J］．工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2013（2）: 10-13，18．

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(hào)：201507073

國(guó)家自然科學(xué)基金（41406114）；天津市自然科學(xué)基金項(xiàng)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(cè)技術(shù)。