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)報方法。

背景技術(shù)：

潮汐的實(shí)時、準(zhǔn)確預(yù)報對于航運(yùn)、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(yùn)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(diǎn)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(diǎn)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(yàn)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(shí)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(shí)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(shí)時預(yù)報的裝置和方法?，F(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(diǎn)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(yùn)、生產(chǎn)、海洋測繪等需要實(shí)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(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的潮汐預(yù)報方法，該方法能夠依據(jù)二維潮波伴隨同化模型獲取高精度的潮汐調(diào)和常數(shù)，依據(jù)衛(wèi)星定位系統(tǒng)實(shí)時獲取高精度的衛(wèi)星定位信息，并能夠在此基礎(chǔ)上得出任意位置和任意時刻的潮汐預(yù)報數(shù)據(jù)，并實(shí)時輸出潮汐預(yù)報數(shù)據(jù)。

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)報方法，包括以下步驟：

步驟一：根據(jù)驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)、衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)，采用資料同化方法并基于二維潮波伴隨同化模型計算各分潮的高精度的潮汐調(diào)和常數(shù)；

步驟二：實(shí)時獲取高精度的衛(wèi)星定位信息；

步驟三：根據(jù)所述步驟一中得到的各分潮的潮汐調(diào)和常數(shù)和所述步驟二中得到的衛(wèi)星定位信息，采用距離加權(quán)反比法插值計算并得出任意位置的潮汐調(diào)和常數(shù)，再根據(jù)步驟一中所述的各分潮的潮汐調(diào)和常數(shù)得出任意時刻的潮汐預(yù)報數(shù)據(jù)；

步驟四：實(shí)時輸出所述步驟三中得到的潮汐預(yù)報數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步的，所述步驟一中資料同化方法是：

通過同化驗(yàn)潮站和衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)、水深數(shù)據(jù)，優(yōu)化模式開邊界條件及空間分布的底摩擦系數(shù)，分別模擬了半日分潮(M₂、S₂、N₂、K₂)和全日分潮(K₁、O₁、P₁、Q₁)，基于二維潮波伴隨同化模型得到各分潮在計算網(wǎng)格點(diǎn)的潮汐調(diào)和常數(shù)，所述潮汐調(diào)和常數(shù)包括振幅和遲角。

進(jìn)一步的，所述步驟一中二維潮波伴隨同化模型的控制方程為：

其中，t代表時間；x,y是Cartesian坐標(biāo)，分別取向東和向北為正；h表示(x,y)處的靜水深度；ζ表示自由表面相對于靜止位置的水位；u和v分別表示潮流在x,y方向的流速；f是地轉(zhuǎn)偏向力參數(shù)參數(shù)；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；g是重力加速度。

進(jìn)一步的，所述二維潮波伴隨同化模型的伴隨方程為：

其中，t代表時間；x,y是Cartesian坐標(biāo)，分別取向東和向北為正；h表示(x,y)處的靜水深度；ζ表示自由表面相對于靜止位置的水位；u和v分別表示潮流在x,y方向的流速；f是地轉(zhuǎn)偏向力參數(shù)參數(shù)；k是底摩擦系數(shù)，A是側(cè)向渦動粘性系數(shù)；λ,μ,ν分別為水位ζ、流速u和v的伴隨變量。

進(jìn)一步的，所述步驟二中通過實(shí)時接收衛(wèi)星信號進(jìn)行定位計算，衛(wèi)星定位信息輸出頻率是1次/秒；

進(jìn)一步的，所述步驟二中通過衛(wèi)星實(shí)時獲取授時信息，并以該時間對各個設(shè)備的時間進(jìn)行同步，對衛(wèi)星定位信息進(jìn)行檢測、分析，并將接收的衛(wèi)星定位信息或分析處理后的衛(wèi)星定位信息發(fā)送到所述步驟三中。

進(jìn)一步的，所述步驟三中任意位置的潮汐調(diào)和常數(shù)的計算表達(dá)式為：

其中，d_i為待插點(diǎn)與其領(lǐng)域內(nèi)第i個點(diǎn)之間的距離；Z_p、Z_i為待插點(diǎn)與其領(lǐng)域內(nèi)點(diǎn)的潮汐調(diào)和常數(shù)，插值計算時m值取4，即任意點(diǎn)的調(diào)和常數(shù)由臨近的4個網(wǎng)格點(diǎn)插值得到。

進(jìn)一步的，所述步驟三中任意時刻潮汐預(yù)報數(shù)據(jù)的計算表達(dá)式為：

其中，j是分潮指標(biāo)，h_j、g_j分別表示第j個分潮的分潮振幅、分潮遲角，由二維潮波伴隨同化模型可獲取各計算網(wǎng)格點(diǎn)的調(diào)和常數(shù)，任意點(diǎn)的調(diào)和常數(shù)采用距離加權(quán)反比法插值獲取；L為分潮個數(shù)；σ_j為各分潮角頻率；f_j、u_j、v_j、g_j分別為各分潮交點(diǎn)因子、交點(diǎn)訂正角、初位相和分潮遲腳；v₀為所取日期零時的量值，是恒量。

進(jìn)一步的，所述衛(wèi)星定位信息包括當(dāng)前時間、經(jīng)度、緯度、高度、航向和航速信息之一或它們的組合。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明實(shí)現(xiàn)對海上任意位置、任意時刻潮汐科學(xué)預(yù)報的功能，達(dá)到為航運(yùn)、生產(chǎn)、海洋測繪等提供實(shí)時潮汐預(yù)報服務(wù)的目的，依據(jù)本發(fā)明開發(fā)的潮汐預(yù)報裝置能夠填補(bǔ)目前市場上沒有科學(xué)實(shí)用的潮汐預(yù)報裝置的空白，促進(jìn)潮汐理論研究成果的市場化轉(zhuǎn)化，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的具體流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

為了解決實(shí)時預(yù)報海上任意位置潮汐的問題，實(shí)現(xiàn)為航運(yùn)、生產(chǎn)、海洋測繪等提供實(shí)時的潮汐預(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)報方法，如圖1所示，包括以下步驟：

步驟一：根據(jù)驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)、衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)，采用資料同化方法并基于二維潮波伴隨同化模型計算各分潮的高精度潮汐調(diào)和常數(shù)；

步驟二：實(shí)時獲取高精度的衛(wèi)星定位信息；

步驟三：根據(jù)步驟一中所述的各分潮的潮汐調(diào)和常數(shù)和步驟二中所述的衛(wèi)星定位信息，采用距離加權(quán)反比法插值計算并得出任意點(diǎn)的潮汐調(diào)和常數(shù)，再根據(jù)步驟一中所述的各分潮的潮汐調(diào)和常數(shù)得出任意時刻的潮汐預(yù)報數(shù)據(jù)；

步驟四：實(shí)時輸出所述步驟三中得到的潮汐預(yù)報數(shù)據(jù)。

(一)資料同化

通過同化驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)、衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)(渤海、黃海、東海和南海)，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°)的半日分潮(M₂、S₂、N₂、K₂)和全日分潮(K₁、O₁、P₁、Q₁)，基于二維潮波伴隨同化模型得到各分潮在計算網(wǎng)格點(diǎn)的潮汐調(diào)和常數(shù)(振幅、遲角)。

資料同化方法所基于的二維潮波伴隨同化模型為：

1、二維潮波伴隨同化模型控制方程及其數(shù)值解

計算所依據(jù)的二維潮波伴隨同化模型控制方程為：

其中，t代表時間；x,y是Cartesian坐標(biāo)，分別取向東和向北為正；h表示(x,y)處的靜水深度；ζ表示自由表面相對于靜止位置的水位；u和v分別表示潮流在x,y方向的流速分量；f是地轉(zhuǎn)偏向力參數(shù)參數(shù)；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；g是重力加速度。

對于半日分潮：

對于全日分潮：

其中，φ為緯度；χ為經(jīng)度；V_n為天文初相角；k、h'、H_n取值如表1：

表1各分潮k、h'、H_n取值

利用Arakawa C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，并給出水位的控制場C_ζ(m,n)和流速的控制場C_u(m,n)、C_v(m,n)，具體為：

C_u(m,n)＝C_ζ(m,n)·C_ζ(m+1,n)，C_v(m,n)＝C_ζ(m,n)·C_ζ(m,n+1)

其中，m,n分別表示水位ζ在控制點(diǎn)x,y向位置編號。

有限差分方程為：

其中，j是時間指標(biāo)；α是權(quán)重系數(shù)；Δt、Δx、Δy分別表示時間、東緯和北緯步長；S_ζ,S_u,S_v分別表示水位ζ及流速u和v的內(nèi)部點(diǎn)；的表達(dá)式為：

初始條件為：

閉邊界條件為：當(dāng)C_u(m,n)＝0時，當(dāng)C_v(m,n)＝0時，

開邊界條件取在水位點(diǎn)上，用水位值作為開邊界條件。假設(shè)開邊界點(diǎn)所處的位置為(m_l,n_l)，此處l＝1,2,3...,L。假定在第j時間步的開邊界條件是

其中，{ω_i:i＝1,...,M₀}是Fourier模態(tài)的角頻率，{a_i,l,b_i,l:i＝1,...,M₀}是邊界l處的Fourier模態(tài)的振幅；M₀表示分潮的調(diào)和常數(shù)的數(shù)量。

2、二維潮波伴隨同化模型的伴隨方程及其數(shù)值解

二維潮波伴隨同化模型的伴隨方程的推導(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，K_ζ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，D_ζ是驗(yàn)潮站所在點(diǎn)的集合；j是同化項(xiàng)指標(biāo)；I表示同化項(xiàng)的數(shù)量。

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，t代表時間；x,y是Cartesian坐標(biāo)，分別取向東和向北為正；h表示(x,y)處的靜水深度；ζ表示自由表面相對于靜止位置的水位；u和v分別表示潮流在x,y方向的流速；f是地轉(zhuǎn)偏向力參數(shù)參數(shù)；k是底摩擦系數(shù)，A是側(cè)向渦動粘性系數(shù)；λ,μ,ν分別為水位ζ、流速u和v的伴隨變量。

對于伴隨方程(12)的差分形式為：

其中，j是時間指標(biāo)，D_ζ是由所有觀測點(diǎn)構(gòu)成的集合，當(dāng)(m,n)∈D_ζ時，D_m,n＝1；當(dāng)時，D_m,n＝0；的表達(dá)式為：

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(diǎn)Fourier系數(shù)的校正關(guān)系式：

其中，{a_i,l,b_i,l:i＝1,...,M₀}是經(jīng)過同化得到的Fourier系數(shù)，{a'_i,l,b'_i,l:i＝1,...,M₀}是由經(jīng)驗(yàn)得出的Fourier的系數(shù)；K_b為待定常數(shù)；j是同化項(xiàng)指標(biāo)；I是同化項(xiàng)的數(shù)量；T_l^j的取值為：邊界點(diǎn)(m_l,n_l)在計算區(qū)域的左側(cè)時，邊界點(diǎn)(m_l,n_l)在計算區(qū)域的右側(cè)時，邊界點(diǎn)(m_l,n_l)在計算區(qū)域的下方時，邊界點(diǎn)(m_l,n_l)在計算區(qū)域的上方時，

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)k_m,n的校正關(guān)系式：

其中，是由經(jīng)驗(yàn)得出的底摩擦系數(shù)；K_k為待定常數(shù)。

(二)衛(wèi)星定位

衛(wèi)星定位系統(tǒng)用于實(shí)時獲取高精度的定位信息，并傳送至潮汐計算單元，包括的具體步驟如下：

1.進(jìn)行GPS定位，實(shí)時接收GPS衛(wèi)星信號，進(jìn)行GPS定位計算，定位信息輸出頻率是1次/秒

2.進(jìn)行定位信息控制，包括狀態(tài)檢測、GPS設(shè)置、區(qū)域設(shè)置、授時申請等，通過GPS衛(wèi)星實(shí)時獲取授時信息，并以該時間對各個設(shè)備的時間進(jìn)行同步，對定位信息進(jìn)行檢測、分析，并將接收的衛(wèi)星定位信息或分析處理后的衛(wèi)星信息發(fā)送到潮汐計算單元。

(三)潮汐計算

由步驟(一)所述的資料同化方法得到的各分潮在計算網(wǎng)格點(diǎn)的潮汐調(diào)和常數(shù)，任意點(diǎn)的潮汐調(diào)和常數(shù)采用距離加權(quán)反比法插值獲取，具體方法為：

其中，d_i為待插點(diǎn)與其領(lǐng)域內(nèi)第i個點(diǎn)之間的距離；Z_p、Z_i為待插點(diǎn)與其領(lǐng)域內(nèi)點(diǎn)的潮汐調(diào)和常數(shù)，插值計算時m值取4，即任意點(diǎn)的調(diào)和常數(shù)由臨近的4個網(wǎng)格點(diǎn)插值得到。

任意時刻潮汐預(yù)報數(shù)據(jù)由下式計算：

其中，j是分潮指標(biāo)；h_j、g_j分別第j個分潮的分潮振幅、分潮遲角；L為分潮個數(shù)，本實(shí)施算例中采用M₂、S₂、K₁、O₁、N₂、K₂、P₁、Q₁共8個分潮，即L＝8；σ_j為各分潮角頻率；f_j、u_j、v_j分別為各分潮交點(diǎn)因子、交點(diǎn)訂正角和初位相；v₀為所取日期零時的量值，是恒量。本實(shí)施例中f_j、u_j每小時計算一次。

(四)潮汐預(yù)報

輸出步驟(三)中得到的潮汐預(yù)報數(shù)據(jù)。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)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)。