﻿ 基于船载北斗导航仪测量波浪参数方法研究
 舰船科学技术  2019, Vol. 41 Issue (8): 131-134 PDF

1. 海军大连舰艇学院 航海系，辽宁 大连 116001;
2. 海军工程大学 导航工程系，湖北 武汉 430032

Research on wave parameters measurements via vessel mounted compass navigator
ZHOU Hong-jin1, LI Fan-neng2, HUANG Qian1, LI Wei1, LAN Guo-hui1
2. Department of Navigation, Naval University of Engineering, Wuhan 430032, China
Abstract: It's very important to get wave parameters information for vessels' safety. But lack of vessels mounted equipments to measure wave parameters in real time and real spot make it difficult for crews. One new method is presented to solve the problem by dealing with vessel mounted compass navigator’s output data. This method deems that the change of altitude of antenna reflects the wave movements above mean sea level. First, to make a spectrum analysis of antenna altitude data, second, to design a band-pass filter according to the wave frequency-spectrum character to extract the signal in frequency-domain, third, to extract the data in time-domain via inverse Fourier transformation, at last, the wave parameters such as SWH and period can be resolved. The test results on a ship shows the methods is feasible, its SWH determination accuracy is better than 6%, and the period determination accuracy is better than 10%.
Key words: wave     compass satellite navigation system     spectrum analysis     band-pass filter     fourier transformation
0 引　言

1 测量方法 1.1 波高测量统计

1.2 波浪信息提取

 ${R_{ii}}(\tau ) = \mathop {\lim }\limits_{T \to \infty } \frac{1}{T}\int^{T/2}_{ - T/2} {{S_i}(t){S_i}(t + \tau )} {\rm{d}}t\text{，}$ (1)

 $S(f) = \int_{ - \infty }^\infty {{R_{ii}}(t){e^{( - i2{\text{π}} ft)}}} {\rm{d}}t\text{。}$ (2)

$S(f)$ 为高度谱，表示天线高度在频域中某个频段的能量分布。由于波浪的运动位于一个特定的频带内，通过带通滤波可以获得波浪的频谱。滤波方程为：

 ${S_W}(f) = S(f) \cdot H(f)\text{，}$ (3)

 $H(f) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {0\;\;f < A,f > B}\text{，} \\ {1\;\;A \leqslant f \leqslant B}\text{。} \end{array}} \right.$ (4)

$A = 0.03,B = 0.4$ ，比较吻合波浪运动谱性质。

${S_W}(f)$ 进行逆傅里叶变换：

 ${S_W}(t) = \frac{1}{{2{\text{π}} }}\int_{ - \infty }^\infty {{S_W}(\omega ){e^{(j\omega t)}}} {\rm{d}}\omega \text{。}$ (5)

${S_W}(t)$ 提取前1/10波高最大值，记为 ${S_W}{(n)_{1/10}}$ ，从 ${S_W}(t)$ 提取前1/3波高最大值，记为 ${S_W}{(n)_{1/3}}$ ，根据2.1节的定义有：

 ${H_{1/10}} = \frac{1}{N}\sum\limits_{n = 1}^N {{S_W}{{(n)}_{1/10}}} \text{，}$ (6)
 $SWH = \frac{1}{N}\sum\limits_{n = 1}^N {{S_W}{{(n)}_{1/3}}} \text{，}$ (7)
 $T = \frac{{{f_s} \cdot {N_W}}}{N}\text{。}$ (8)

2 实验及结果

 图 1 北斗天线安装位置 Fig. 1 Beidou antenna mounting position

 图 2 波浪谱（20140912-0600） Fig. 2 Wave spectrum (20140912-0600)

 图 3 波形（20140912-0600） Fig. 3 Wave height (20140912-0600)

 图 4 波浪谱（20140912-1200） Fig. 4 Wave spectrum (20140912-1200)

 图 5 波形（20140912-1200） Fig. 5 Wave height (20140912-1200)

 图 6 波浪谱（20140915-0000） Fig. 6 Wave spectrum (20140915-0000)

 图 7 波形（20140915-0000） Fig. 7 Wave height (20140915-0000)

 图 8 波浪谱（20140918-0600） Fig. 8 Wave spectrum (20140918-0600)

 图 9 波形（20140918-0600） Fig. 9 Wave height (20140918-0600)

3 结　语

1）需要近似获取波浪的频谱特征。可以从气象传真图或卫星云图的大尺度海域波浪分析图中获取。

2）本文的方法目前还只是经过了4批海上实测数据的检验，其普遍适用性还有待进一步的验证。

3）波浪信息参数不仅包括波高、波周期，还包括波向分布。获取波向谱对于舰船操纵具有重要意义。这也是下一步的研究方向。

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