本發(fā)明涉及海洋監(jiān)測技術(shù)和資源與環(huán)境領(lǐng)域，具體涉及一種基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的潮汐預(yù)報裝置。
背景技術(shù)：
：潮汐的實時、準(zhǔn)確預(yù)報對于航運、生產(chǎn)、海洋測繪等具有重要意義。潮汐會改變航行區(qū)域的水深，進(jìn)而影響船舶航行的經(jīng)濟(jì)性和安全性：在航運方面，有些水道和港灣須在高潮前后才能航行和進(jìn)出港；在軍事方面，有時為了選擇有利的登陸地點和時間，就必須準(zhǔn)確對潮汐進(jìn)行預(yù)報；在生產(chǎn)方面，沿海的漁業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)業(yè)、鹽業(yè)、資源開發(fā)、港口工程建設(shè)、環(huán)境保護(hù)和潮汐發(fā)電等，都要求掌握潮汐變化的特征和規(guī)律。潮汐對于多波束測深具有至關(guān)重要的影響，多波束測深是一種具有高效率、高精度和高分辨率的海底地形測量技術(shù)，目前淺水多波束測深系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于重要的海峽、航道、港口、碼頭和錨地等海區(qū)，在大陸架和專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)勘測、海上油田的井場調(diào)查、海底管路由調(diào)查等方面，多波束測深系統(tǒng)也得到了大量的應(yīng)用。在多波束測深精度的多種影響因素中，潮汐校正是否科學(xué)準(zhǔn)確對其條帶的拼接具有重要影響，是影響多波束測深精度的最主要因素之一。由于潮汐觀測資料極其有限，若想掌握大面積潮汐的分布特征和變化規(guī)律，就必須借助潮波動力學(xué)的基本方程組進(jìn)行數(shù)值計算，即潮波數(shù)值模擬。潮波數(shù)值模擬中的一個主要難點在于開邊界和底摩擦條件的確定。在一般的數(shù)值模擬工作中，對開邊界和底摩擦的處理主要是依靠經(jīng)驗的積累和主觀的判斷，工作量大并且難以取得更好的結(jié)果，而潮波伴隨同化模型(參考文獻(xiàn)[1-19])可以把開邊界和底摩擦條件的確定變成依賴于區(qū)域內(nèi)部觀測值的數(shù)值迭代過程，實現(xiàn)了確定開邊界和底摩擦條件的自動化。依據(jù)二維潮波伴隨同化模型所得到的結(jié)果與一般的數(shù)值模擬方法所得到的結(jié)果相比，數(shù)值模擬結(jié)果與觀測結(jié)果的誤差總體上是最小的。雖然國內(nèi)學(xué)者對中國近海的潮波做了大量的理論研究和數(shù)值計算工作，計算精度已經(jīng)達(dá)到實用化要求，但目前市場上卻沒有對海上任意位置潮汐進(jìn)行實時預(yù)報的裝置和方法。現(xiàn)有的潮汐預(yù)報數(shù)據(jù)產(chǎn)品如潮汐表等僅能預(yù)報沿海某些地點在未來一定時期內(nèi)每天的潮汐情況，尚不能預(yù)報任意位置、任意時刻的潮汐，對于航運、生產(chǎn)、海洋測繪等需要實時獲取所關(guān)注區(qū)域位置潮汐的需求無法滿足。技術(shù)實現(xiàn)要素：為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的潮汐預(yù)報裝置，本裝置能夠在二維潮波伴隨同化模型獲取的高精度潮汐調(diào)和常數(shù)的基礎(chǔ)上，采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)實時獲取高精度的衛(wèi)星定位信息，并依據(jù)衛(wèi)星定位信息和潮汐調(diào)和常數(shù)等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對該位置潮汐的實時預(yù)報及預(yù)報數(shù)據(jù)的實時輸出。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的潮汐預(yù)報裝置，包括衛(wèi)星定位單元、潮汐預(yù)報單元和數(shù)據(jù)傳輸單元，其中：所述衛(wèi)星定位單元包括GPS模塊、北斗模塊和定位信息控制模塊，用于進(jìn)行GPS的實時定位或北斗的請求定位，對定位信息進(jìn)行檢測、分析，并將定位信息發(fā)送至潮汐預(yù)報單元；所述潮汐預(yù)報單元包括數(shù)據(jù)存儲模塊和潮汐計算模塊，用于進(jìn)行實時的潮汐數(shù)值預(yù)報，依據(jù)存儲的潮汐調(diào)和常數(shù)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星定位單元發(fā)送的定位信息，預(yù)報該位置、該時刻的潮汐情況；所述數(shù)據(jù)傳輸單元，用于與所述潮汐預(yù)報單元進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，并輸出潮汐預(yù)報數(shù)據(jù)。進(jìn)一步的，所述GPS模塊，用于接收GPS衛(wèi)星信號，同時進(jìn)行GPS定位計算，并將定位信息發(fā)送至定位信息控制模塊；進(jìn)一步的，所述北斗模塊，用于與北斗衛(wèi)星進(jìn)行信息交互，向北斗衛(wèi)星發(fā)送定位請求及接收定位信息，并將定位信息發(fā)送至定位信息控制模塊；進(jìn)一步的，所述定位信息控制模塊，用于對定位信息進(jìn)行檢測、分析，將接收的北斗定位信息或分析處理后的GPS定位信息發(fā)送至潮汐預(yù)報單元。進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)存儲模塊，用于存儲衛(wèi)星定位信息、潮汐調(diào)和常數(shù)數(shù)據(jù)以及潮汐預(yù)報數(shù)據(jù)；進(jìn)一步的，所述潮汐計算模塊，包含潮汐計算程序，用于在讀取數(shù)據(jù)存儲模塊內(nèi)的衛(wèi)星定位信息及潮汐調(diào)和常數(shù)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實時的潮汐預(yù)報。進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)傳輸單元包括串行數(shù)據(jù)接口，用于所述數(shù)據(jù)存儲模塊內(nèi)的潮汐調(diào)和常數(shù)數(shù)據(jù)及衛(wèi)星定位信息等數(shù)據(jù)的交互，可輸出潮汐預(yù)報數(shù)據(jù)。進(jìn)一步的，所述衛(wèi)星定位信息包括當(dāng)前的時間、經(jīng)度、緯度、高度、航向和航速等信息之一或它們的組合。進(jìn)一步的，所述潮汐計算程序以潮汐調(diào)和常數(shù)和衛(wèi)星定位信息為輸入數(shù)據(jù)，所述潮汐調(diào)和常數(shù)包括分潮振幅和遲角，通過二維潮波伴隨同化模型同化驗潮站和衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)獲取。進(jìn)一步的，所述基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的潮汐預(yù)報裝置還包括內(nèi)置電池和電源穩(wěn)壓模塊，其中，所述內(nèi)置電池和穩(wěn)壓模塊同時與電源相連，作為可充電的備用電源，在無法滿足供電要求時，提供備用電源。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明填補了目前市場上沒有科學(xué)實用的潮汐預(yù)報裝置的空白，可實現(xiàn)對海上任意位置、任意時刻潮汐的科學(xué)預(yù)報，達(dá)到為航運、生產(chǎn)、海洋測繪等提供實時潮汐預(yù)報服務(wù)的目的，此外，本發(fā)明可以促進(jìn)潮汐理論研究成果的市場化轉(zhuǎn)化，創(chuàng)造可觀的社會和經(jīng)濟(jì)效益。附圖說明圖1是基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的潮汐預(yù)報裝置的具體結(jié)構(gòu)圖。其中，1-GPS衛(wèi)星，2-北斗衛(wèi)星，3-衛(wèi)星定位單元，4-GPS模塊，5-北斗模塊，6-定位信息控制模塊，7-水深數(shù)據(jù)，8-驗潮站和衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)，9-潮汐預(yù)報單元，10-潮汐計算模塊，11-數(shù)據(jù)存儲模塊，12-衛(wèi)星定位信息，13-潮汐調(diào)和常數(shù)，14-潮汐預(yù)報數(shù)據(jù)，15-二位潮波伴隨同化模型，16-數(shù)據(jù)傳輸單元。具體實施方式：為使本發(fā)明的使用過程、技術(shù)方案和有益效果更加清晰，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明。為了解決實時預(yù)報海上任意位置潮汐的問題，實現(xiàn)為航運、生產(chǎn)、海洋測繪等提供實時潮汐預(yù)報服務(wù)的目的，本發(fā)明提供了一種基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的潮汐預(yù)報裝置。如圖1所示，該裝置包括衛(wèi)星定位單元3、潮汐預(yù)報單元9和數(shù)據(jù)傳輸單元16，其中：所述衛(wèi)星定位單元3包括GPS模塊4、北斗模塊5和定位信息控制模塊6，所述衛(wèi)星定位單元3用于進(jìn)行GPS的實時定位或北斗的請求定位，對定位信息進(jìn)行檢測、分析，并將定位信息發(fā)送至潮汐預(yù)報單元；所述潮汐預(yù)報單元9包括數(shù)據(jù)存儲模塊11和潮汐計算模塊10，用于進(jìn)行實時的潮汐數(shù)值預(yù)報，依據(jù)存儲的潮汐調(diào)和常數(shù)13的數(shù)據(jù)和衛(wèi)星定位單元發(fā)送的定位信息，預(yù)報該位置、該時刻的潮汐情況；所述數(shù)據(jù)傳輸單元16，用于與所述潮汐預(yù)報單元9進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，并輸出潮汐預(yù)報數(shù)據(jù)。進(jìn)一步的，所述GPS模塊4，用于接收GPS衛(wèi)星信號，同時進(jìn)行GPS定位計算，并將定位信息發(fā)送至定位信息控制模塊7；進(jìn)一步的，所述北斗模塊5，用于與北斗衛(wèi)星2進(jìn)行信息交互，向北斗衛(wèi)星2發(fā)送定位請求及接收定位信息，并將定位信息發(fā)送至定位信息控制模塊6；進(jìn)一步的，所述定位信息控制模塊6，用于對定位信息進(jìn)行檢測、分析，將接收的北斗定位信息或分析處理后的GPS定位信息發(fā)送至潮汐預(yù)報單元9。進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)存儲模塊11，用于存儲衛(wèi)星定位信息12、潮汐調(diào)和常數(shù)13的數(shù)據(jù)以及潮汐預(yù)報數(shù)據(jù)14；進(jìn)一步的，所述潮汐計算模塊10，用于在讀取數(shù)據(jù)存儲模塊11內(nèi)的衛(wèi)星定位信息及潮汐調(diào)和常數(shù)13的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實時的潮汐預(yù)報。進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)傳輸單元16包括串行數(shù)據(jù)接口，用于與所述數(shù)據(jù)存儲模塊11內(nèi)的潮汐調(diào)和常數(shù)13的數(shù)據(jù)及衛(wèi)星定位信息12等數(shù)據(jù)的交互，可輸出潮汐預(yù)報數(shù)據(jù)。進(jìn)一步的，所述衛(wèi)星定位信息12包括當(dāng)前的時間、經(jīng)度、緯度、高度、航向和航速等信息之一或它們的組合。進(jìn)一步的，所述潮汐計算模塊10以潮汐調(diào)和常數(shù)13和衛(wèi)星定位信息12為輸入數(shù)據(jù)，所述潮汐調(diào)和常數(shù)13包括分潮振幅和遲角，通過二維潮波伴隨同化模型同化驗潮站和衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)獲取。進(jìn)一步的，所述基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的潮汐預(yù)報裝置還包括內(nèi)置電池和電源穩(wěn)壓模塊，其中，所述內(nèi)置電池和穩(wěn)壓模塊同時與電源相連，作為可充電的備用電源，在無法滿足供電要求時，提供備用電源。該裝置的工作流程為：裝置啟動后，首先通過衛(wèi)星定位單元3進(jìn)行GPS的實時定位或北斗的請求定位，對定位信息進(jìn)行檢測、分析，并將定位信息發(fā)送至潮汐預(yù)報單元9；然后依據(jù)潮汐預(yù)報單元9存儲的潮汐調(diào)和常數(shù)13數(shù)據(jù)和衛(wèi)星定位單元3發(fā)送的衛(wèi)星定位信息12，由潮汐計算模塊10對該位置進(jìn)行實時的潮汐預(yù)報；最后通過數(shù)據(jù)傳輸單元16的串行數(shù)據(jù)接口輸出預(yù)報數(shù)據(jù)。本實施算例通過同化T/P高度計資料提供的潮汐調(diào)和常數(shù)，優(yōu)化模式開邊界條件及空間分布的底摩擦系數(shù)，分別模擬了渤、黃、東海(模擬范圍：117.50-131.5°E，24-41°N，分辨率1/12°)和南海(模擬范圍：99°-121°E，2°-25°N，分辨率：1/6°)的M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1共8個分潮，得到各分潮在計算網(wǎng)格點的潮汐調(diào)和常數(shù)(振幅、遲角)。任意位置的調(diào)和常數(shù)采用距離加權(quán)反比法插值獲取，預(yù)報的時間間隔可通過潮汐計算程序的參數(shù)文件設(shè)置。下面給出二維潮波伴隨同化模型及潮汐計算模塊計算過程的具體介紹：1、潮汐模型控制方程及其數(shù)值解計算所依據(jù)的二維潮波控制方程為：其中t代表時間；x,y是Cartesian坐標(biāo)，本計算中分別取向東和向北為正；h(x,y)表示(x,y)處的靜水深度；ζ(x,y,t)表示自由表面相對于靜止位置的升高；u(x,y,t)和v(x,y,t)分別表示潮流在x,y方向的分量；f≡2Ωsinφ是Coriolis參數(shù)，Ω是地球自轉(zhuǎn)角速度，φ是地理緯度；k是底摩擦系數(shù)，A是側(cè)向渦動粘性系數(shù)；是考慮了固體潮效應(yīng)后的引潮勢。對于半日分潮：對于全日分潮：其中，φ為緯度；χ為經(jīng)度；Vn為天文初相角；k、h'、Hn取值如表1：表1各分潮k、h'、Hn取值分潮kh'HnM20.3020.6090.24408S20.3020.6090.11355K10.2560.5200.14246O10.2980.6030.10128N20.3020.6090.04674K20.3020.6090.03090P10.2870.5810.04713Q10.2980.6030.01940我們利用ArakawaC網(wǎng)格，即水位取在網(wǎng)格的中心，而流速則取在網(wǎng)格的邊緣。為了敘述方便，我們給出水位的控制場Cζ(m,n)和流速的控制場Cu(m,n)、Cv(m,n)。具體做法如下：Cu(m,n)＝Cζ(m,n)·Cζ(m+1,n)，Cv(m,n)＝Cζ(m,n)·Cζ(m,n+1).本算例所利用的有限差分方程為：這里，Sζ,Su,Sv分別表示水位ζ及流速u和v的內(nèi)部點。初始條件和開邊界條件的設(shè)置見文獻(xiàn)[1,2]。閉邊界條件為：2、潮汐模型伴隨方程及其數(shù)值解潮汐模型伴隨方程的推導(dǎo)以經(jīng)典的拉格朗日乘子法為理論基礎(chǔ)，將有約束最小值問題轉(zhuǎn)化為無約束最小值問題，首先構(gòu)造代價函數(shù)：其中Kζ是常數(shù)(一般取Δt的倒數(shù))，是數(shù)值模擬得到的值，是觀測值，Dζ是驗潮站所在點的集合。在此基礎(chǔ)上，再構(gòu)造Lagrange函數(shù)，經(jīng)過推導(dǎo)可以得到與控制方程(1)相對應(yīng)的伴隨方程：其中，λ,μ,ν分別為ζ,u,v的伴隨變量。對于伴隨方程(12)，我們設(shè)計的差分形式為：其中，由于代價函數(shù)沿著其控制變量的負(fù)梯度方向下降，因此可得到開邊界點Fourier系數(shù)的校正關(guān)系式：{ai,l,bi,l:i＝1,...,M0}是經(jīng)過同化得到的Fourier系數(shù)，{ai',l,bi',l:i＝1,...,M0}是先驗(即經(jīng)驗給出)的Fourier的系數(shù)。在反演開邊界條件的同時，也可對給定的底摩擦系數(shù)進(jìn)行訂正。經(jīng)過推導(dǎo)，可得到底摩擦系數(shù)的校正關(guān)系式：其中是先驗(即經(jīng)驗給出)的底摩擦系數(shù)。3、潮汐預(yù)報方法任意點的潮汐調(diào)和常數(shù)采用距離加權(quán)反比法插值計算，即：其中，di為待插點與其領(lǐng)域內(nèi)第i個點之間的距離；Zp、Zi為待插點與其領(lǐng)域內(nèi)點的潮汐調(diào)和常數(shù)，插值計算時m值取4，即任意點的調(diào)和常數(shù)由臨近的4個網(wǎng)格點插值得到。任意時刻潮汐由下式計算：其中，hj、gj為第j個分潮的調(diào)和常數(shù)(振幅、遲角)；L為分潮個數(shù)，本實施算例采用M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1共8個分潮，即L＝8；σj為各分潮角頻率；fj、uj、vj分別為各分潮交點因子、交點訂正角和初位相，本實施算例中fj、uj每小時計算一次。除此之外，本實施示例的潮汐預(yù)報裝置還包括內(nèi)置電池和電源穩(wěn)壓模塊，其中，所述內(nèi)置電池和穩(wěn)壓模塊同時與電源相連，作為可充電的備用電源，在無法滿足供電要求時，提供備用電源。上述雖然結(jié)合附圖對發(fā)明的具體實施方式進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 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