一种基于导航浮标数据反演表层海流的方法与流程

本发明涉及海流观测技术领域，特别是涉及一种基于导航浮标数据反演表层海流的方法。

背景技术：

海流对海洋中多种物理、化学、生物和地质作用和输送盐度、叶绿素和海洋热量过程，以及海洋上空的气候和天气的形成及变化，都有重要的影响和制约的作用，同时对于人类活动来说，海流对海洋开发、航海、军事、港口建设、海上捕鱼和防御海洋气象灾害，都具有重大的社会和经济意义。传统海流流速测量的方法主要是通过在海中固定海流计进行测量或者利用高度卫星数据进行反演，相比传统的测量方法，利用导航浮标反演海流既可减少购买仪器的成本也可避免海洋生物对仪器的表面附着造成的误差，并且能够实现定点测量海流。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出了一种基于导航浮标数据反演表层海流的方法，具体技术方案如下：

一种基于导航浮标数据反演表层海流的方法，包括以下步骤：

步骤一、在观察海域布设导航浮标，搭载海流数据测量系统；

步骤二、根据海流数据测量系统收集浮标位置值和风速值进行修正获得其

运动参数；同时，根据海流数据测量系统收集浮标的质量、入水深度和锚

链长度的实际参数；

步骤三、根据浮标运动参数和实际参数建立浮标受力模型；

步骤四、通过海流反演算法分析浮标受力模型中浮标受到海流阻力参数；

步骤五、将步骤二中浮标运动参数和步骤三中浮标受海流阻力参数进行运算获得观察海域海流流速大小和方向的初始值；

步骤六、对步骤五中获得的海流流速大小和方向的初始值进行修正获得最终海流流速数值。

所述海流数据测量系统包括导航浮标、gps定位仪、风速仪、数据传输单元和锚链；所述浮标上部连接有风速仪，所述浮标内部重心位置分别设置有gps定位仪和数据传输单元，所述浮标下部连接有锚链。

步骤四中所述海流反演算法包括如下步骤：

3.1、根据浮标受力模型中浮标位置值计算获得浮标的运动加速度；

3.2、根据浮标受力模型中浮标风速值按照公式(1)计算获得浮标的受风应力；

r2＝kqad(1)

3.3、根据浮标受力模型中浮标锚链长度按照公式(2)计算浮标所受锚链拉力；

3.4、根据浮标受力模型中浮标的质量计算浮标所受的重力；

3.5、根据浮标受力模型中浮标的入水深度值计算浮标所受浮力；

3.6、根据步骤3.1～3.5生成的浮标已知的参数通过牛顿第二运动定律建立的浮标运动n-s控制方程获得浮标所受海流阻力参数r1；

3.7、根据已知的海流阻力参数r1按照公式(3)获得海流流速v。

r1＝c(ρv^2)/2ω(3)

有益效果

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1、本发明采用的通过在导航浮标中安装gps定位仪结合浮标受力模型得到的反演海流的方法与目前传统的通过海流计和卫星数据反演方法获得海流流速相比，很显然该方法能够大大降低获取海流流速的成本，且相比于卫星反演该方法算法简单需要用到的数据量小，。

2、本发明能有效解决由于生物附着等问题出现的测量误差。除此之外，浮标的锚定点可根据测量需要随时进行变更，从而实现随时随地地测量特定海域的海流大小和方向。

附图说明

图1为导航浮标测量系统仪器安装示意图；

图2为该海流反演算法的解算流程图。

附图标记：

1-浮标2-gps定位仪3-数据传输设备4-风速仪5-锚链

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

本发明介绍了一种基于导航浮标数据反演表层海流的方法，是指通过在海洋浮标上搭载高精度gps定位仪获取数据并通过数据分析海流流速大小和方向的方法，具体过程如下:

步骤一、在观察海域布设导航浮标1，并用锚链5将其固定在锚点。其中浮标中搭载高精度gps定位仪2、风速仪4以及数据传输设备3。所有仪器都与浮标1进行刚性连接，安装方式与位置如图1所示。gps定位仪2用于采集浮标的位置参数，包括浮标的经度、纬度和高程等信息；风速仪4用于测量浮标在海上受到的风力大小；数据传输设备3用于将数据传输到岸基。

步骤二、收集浮标位置数据。通过gps定位仪2获取浮标的经纬度信息并修正浮标姿态后得到浮标运动轨迹，据此获得浮标的运动参数，如加速度等；进而建立浮标受力模型，其建立方法如下:

在水中的浮标，主要受海流阻力、风荷载等因素的作用，除此之外，还受到系留缆索的拉力。

目前，计算海流摩擦阻力的公式较多，我国常用的是基于平板试验和理论分析所得到的阻力计算公式，其表达式为:

r1＝c(ρv^2)/2ω(3)

其中，v为海水流速。

作用于浮标标体上的风压力可由《港口工程计算规范》所给出的计算公式确定:

r2＝kqad(1)

根据h.0.贝托和岩井聪对浮标受力的平衡分析,缆索呈悬链曲线形状，且其长度和受力可由以下计算式确定:

通过对浮标的受力分析可知，浮标受到的水流力与海流流速有一定的相关关系，可以根据其他已知的受力通过浮标运动方程求出水流力，然后参照经验公式得到海流流速的大小并用实验数据进行修正。流速的方向也可由浮标的运动轨迹方向确定。方法的核心思想就是通过锚定浮标的运动轨迹反演海流的流速。

步骤四、结合步骤二中标运动参数和步骤三中浮标受海流阻力参数推算海流的算法得出该海域海流流速大小和方向的初始值；如图2流程图所示，首先通过浮标采集到的数据和浮标姿态修正后得到浮标的运动轨迹，该运动轨迹是浮标所受到的所有力的体现；然后再结合受力分析得到的已知力有浮标受到的浮力、风力、和锚链约束力、重力、浮力，根据牛顿运动定律和运动n-s控制方程可以解算得出浮标受到的海流阻力，最后依据海流阻力与海流大小的经验公式r1＝c(ρv^2)/2ω得到海流流速。具体方法如下：

a.用gps定位仪获得浮标的位置值，用风速仪获得浮标所受风速值。根据实际测量获得浮标的质量、入水深度、锚链长度等数值。

b.用位置值求得浮标的运动加速度，用风速值根据风压力公式r2＝kqad求得浮标所受风应力，用浮标的锚链长度根据h.0.贝托和岩井聪给出的锚链拉力公式计算浮标所受锚链拉力，用浮标的质量计算浮标所受的重力，用入水深度计算浮标所受浮力；

c.根据牛顿第二运动定律建立浮标运动n-s控制方程，根据已知的加速度、风应力、锚链拉力、重力、浮力通过求解n-s控制方程，求得浮标所受水流拉力r1。

d.根据求得的水流拉力r1利用基于平板试验和理论分析所得到的海流阻力计算公式r1＝c(ρv^2)/2ω求解海流流速v。由此得到海流流速的大小和方向的初始值。

步骤五、对步骤四中获得的海流流速大小和方向的初始值进行修正，得到最后的结果。由于步骤四中得到的结果是由经验公式得到的，因此有必要重复进行实验对相关参数进行校正以获得更准确的结果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变化，这些改进和变化也应视为发明的保护范围。