JP2009014697A - Wave direction calculating method of buoy-type wave height meter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ブイの位置データを用いた波向計算手法に関する。 The present invention relates to a wave direction calculation method using position data of a buoy.
ブイに高精度のGPS(衛星測位システム)を搭載し、ブイの位置情報から、波高を測定することができる。しかし、ブイの位置情報の単純な処理では、精度の高い波向計測が難しい。この主な理由は、ブイには、縦方向の固有振動が存在し、垂直方向の水粒子運動とブイの垂直の動きが、必ずしも一致しなく、位相もずれる周波数領域がある。また、波による水平方向のブイの移動も位相がずれる周波数領域がある。すなわち、GPSブイ式波高計の場合は、直接水の粒子運動を計測するのではなく、ブイの位置を計測することで、水の粒子運動を推測することによるからである。 A high-precision GPS (satellite positioning system) is mounted on the buoy, and the wave height can be measured from the position information of the buoy. However, simple processing of buoy position information makes it difficult to measure the wave direction with high accuracy. The main reason for this is that the buoy has a natural frequency in the vertical direction, and there is a frequency region in which the water particle motion in the vertical direction and the vertical motion of the buoy do not always match and are out of phase. Further, there is a frequency region in which the phase of the movement of the buoy in the horizontal direction due to the wave is also shifted. That is, in the case of the GPS buoy wave altimeter, it is because the particle motion of water is estimated by measuring the position of the buoy rather than directly measuring the particle motion of water.
一般に、波がある状態では、水の粒子は、楕円運動をしている。水粒子の水平方向速度の絶対値は、水粒子が楕円の最も上にきたとき(時計で12時の位置)と最も下にきたとき(時計で6時の位置)で大きくなる。波向は、水粒子の楕円運動の長軸方向と粒子の回転方向で定義されるが、簡単には、水粒子が楕円の最も上にきた時の水平方向流速の方向ということができる。したがって、波向計は、水粒子の楕円上の垂直位置と、水平方向流速(X,Y方向)を計測する機能を有している。水粒子の楕円上の垂直位置は、水面の位置を計測することで求められる。これには、水圧計や、海底に設置した機器から水面までの距離を超音波で計測する手法がとられる。また、水平方向流速は、超音波を用いた流速計、超音波を用いたドプラー式流速計や電磁流速計が用いられる。 In general, in the presence of waves, water particles are in elliptic motion. The absolute value of the horizontal velocity of the water particles increases when the water particles come to the top of the ellipse (position at 12 o'clock on the clock) and when they reach the bottom (position at 6 o'clock on the clock). The wave direction is defined by the major axis direction of the elliptic motion of the water particles and the rotation direction of the particles, but can be simply referred to as the direction of the horizontal flow velocity when the water particles are on the top of the ellipse. Therefore, the wave direction meter has a function of measuring the vertical position of the water particle on the ellipse and the horizontal flow velocity (X and Y directions). The vertical position of the water particle on the ellipse can be obtained by measuring the position of the water surface. For this, a method of measuring the distance from a water pressure gauge or a device installed on the seabed to the water surface with ultrasonic waves is used. As the horizontal flow velocity, a flow velocity meter using ultrasonic waves, a Doppler flow velocity meter using ultrasonic waves, or an electromagnetic flow velocity meter is used.
波向は、水粒子の垂直位置最上点での水平方向流速(X,Y方向)を計測し、その方向を波向とするか、水粒子の垂直位置最下点での水平方向流速(X,Y方向)を計測し、その逆方向を波向とすればよいことになる。しかし、この方法は、波向きの考え方示すもので、実用的には共分散法が用いられている。共分散法は、水粒子運動楕円の中心をゼロとした座標系で水粒子の位置を表し、その位置に水平方向流速(X,Y方向)を乗じたものの積分値を、X,Y方向別々に求め、その合成成分の方向を波向とする方法である。この方法によれば、例えば、20分間の平均波向を求めることができる。このような計算が可能であるのは、水粒子位置変動と水平流速変動の位相が一致しており、位相のずれはゼロか180度であるからである。すなわち、水粒子位置が最上点と最下点の位置で、水平流速の絶対値も最大となる。
GPSブイ式波高計の場合は、ブイの位置を計測することで、水の粒子運動を推測することになる。ブイは、慣性質量を有し、水の抵抗があり、さらに固有振動を有している。固有振動は、ヒービング(上下動揺)、ローリング、ピッチングの動揺が存在する。例えば、ヒービングの場合、水粒子の上下運動の周波数が、ブイのヒービングの固有振周波数より大きい場合は、ブイの垂直位置は、水粒子の位置に追従できなく位相がおくれ、水粒子運動に対しブイの上下運動が小さく現れる。また、ブイの固有振動周波数に近い水粒子運動の場合、同調して、ブイが水粒子より大きく運動する場合があり、位相も大きくすれる。このブイの運動と水粒子運動のずれは、波高と共分散による波向の計算に障害となる。 In the case of a GPS buoy wave height meter, the particle motion of water is estimated by measuring the position of the buoy. The buoy has an inertial mass, is water resistant, and has a natural vibration. The natural vibration includes heaving (up-and-down shaking), rolling and pitching. For example, in the case of heaving, when the vertical motion frequency of the water particles is greater than the natural frequency of the buoy heaving, the vertical position of the buoy is unable to follow the position of the water particles, and the phase is set. The vertical movement of the buoy appears small. Further, in the case of water particle motion close to the natural vibration frequency of the buoy, the buoy may move more than the water particle in synchronism, and the phase is also increased. This deviation between buoy motion and water particle motion hinders the calculation of wave direction due to wave height and covariance.
GPSブイ式波高計の場合の共分散計算は、ブイのZデータと、ブイの水平移動速度の共分散から計算される。ただし、ブイの水平移動速度は、ブイの水平位置から微分により求める。一般に、共分散計算が可能なのは、共分散計算に使う2つの物理量の位相ずれがゼロか180度である必要がある。上述したように、ブイの応答性のため、この関係が成立しない周波数領域が存在する。このため、この領域をフィルターで除去し、この周波数領域の波向きを求めなくすることが行われている。また、ブイの位置、または、速度のデータの位相補正を行う方法も試みられているが、ブイの垂直方向の固有運動は、波の運動と独立しているため、この補正は、難しい。従って、この領域での共分散計算単独による波向き計算は、困難である。また、ブイは、振れ回り運動等波と無関係な動きをするため、ある程度の波高がある場合にしか共分散法が適用できない問題点がある。すなわち、GPSブイ式波高計の場合は、共分散法だけでは、安定的に波向き計算ができない問題がある。 The covariance calculation in the case of the GPS buoy wave altimeter is calculated from the buoy Z data and the covariance of the horizontal movement speed of the buoy. However, the horizontal movement speed of the buoy is obtained by differentiation from the horizontal position of the buoy. In general, covariance calculation is possible when the phase shift between two physical quantities used for covariance calculation is zero or 180 degrees. As described above, there exists a frequency region where this relationship is not established due to the responsiveness of the buoy. For this reason, this region is removed by a filter so that the wave direction in this frequency region is not required. A method for correcting the phase of the buoy position or velocity data has also been attempted, but this correction is difficult because the vertical natural motion of the buoy is independent of the wave motion. Therefore, it is difficult to calculate the wave direction by covariance calculation alone in this region. In addition, since the buoy moves unrelated to the whirling motion and the like wave, there is a problem that the covariance method can be applied only when there is a certain wave height. That is, in the case of a GPS buoy type altimeter, there is a problem that the wave direction cannot be stably calculated only by the covariance method.
一般に、波向き計算は、計算過程を分割することなく、行われている。このため、上述の課題を解決できなかった。しかし、波向き計算を、2つの計算に分割して計算し、結果を合わせる手法を発明し、課題を解決した。この計算の1つの計算は、水粒子の振動(往復運動)方向を求めることである。この振動方向が示す波向きを180度波向きと呼ぶことにする。なぜなら、この波向きは、波の進行方向が分からず、0度〜180度の範囲で定義される波向きである。もう1つの計算は、波の進行方向を求めることである。この進行方向が分かると、0度〜360度の範囲で定義される波向きが求められる。これを360度波向きと呼ぶことにする。一般には、360度波向きが要求される。 In general, the wave direction calculation is performed without dividing the calculation process. For this reason, the above-mentioned subject was not able to be solved. However, the wave direction calculation was divided into two calculations and the method of combining the results was invented to solve the problem. One calculation of this calculation is to determine the vibration (reciprocating) direction of the water particles. The wave direction indicated by the vibration direction is referred to as a 180-degree wave direction. This is because the wave direction is a wave direction defined in the range of 0 degrees to 180 degrees without knowing the traveling direction of the waves. Another calculation is to determine the direction of wave travel. When this traveling direction is known, the wave direction defined in the range of 0 to 360 degrees is obtained. This is referred to as a 360-degree wave direction. Generally, a 360 degree wave direction is required.
水粒子の振動(往復運動)方向の平均波向は、次の手法で計算できる。ブイの水平移動動揺の中心を中心とする座標で、ブイの位置(Xi,Yi)がn個の時系列データで示されているとする。このとき、数式1で示される1次モーメントMx1(θ)が最大となるθの方向が平均波向の方向となる。
さらに、水粒子の振動(往復運動)方向の主波向は、次の手法で計算できる。数式3で示す2次モーメント(パワー)Mx2(θ)が最大となるθの方向が主波向の方向となる。
波の進行方向を求めるには、まず、上述の手法で平均波向または主波向の方向θを求めておく。この場合の波の進行方向の符号は、数式6の共分散値S1(θ)の符号を用いる。式中のVxi(θ)は、波向き方向のブイの速度で、数式2でθ方向の位置の時系列データXi(θ)を求め、これを微分して求める。また、Ziは、ブイの垂直位置データで、波向き方向のブイの速度Vxi(θ)と同時刻のデータである。
また、共分散法による符号の決定は、ブイの水平位置とブイの垂直方向速度の共分散値S2(θ)でも可能である。この場合は、数式7で示される。ただし、Vziは、ブイの垂直方向速度である。これは、Ziを微分して求める。
本発明により、GPSを用いたブイの位置を計測するブイシステムで、高精度な360度波向きの計測が可能になる。 According to the present invention, a buoy system that measures the position of a buoy using GPS enables highly accurate measurement of a 360-degree wave direction.
ブイの形状として、筒形を用いる。これは、ローリングとピッチングをおさえる働きがある。また、ブイのヒービングの固有振動数を計測したい波の周波数より下になるようブイを設計してある。このブイにRTK(リアルタイムキネマチック)GPSの位置出し装置と、得られたブイの3次元位置(X,Y,Z)を陸上局に送くる送信装置が搭載されている。陸上にある観測局には、データ受信装置、データ処理装置と表示装置が設けられている。 A cylindrical shape is used as the shape of the buoy. This has the function of suppressing rolling and pitching. In addition, the buoy is designed to be below the frequency of the wave for which the natural frequency of buoy heaving is to be measured. This buoy is equipped with an RTK (real-time kinematic) GPS positioning device and a transmitter for sending the obtained three-dimensional position (X, Y, Z) of the buoy to the land station. The observation station on land is provided with a data receiving device, a data processing device, and a display device.
データ処理装置は、受信したブイのX方向水平位置の時系列データ、ブイのY方向水平位置の時系列データと、ブイの垂直(Z方向)位置の時系列データとをディジタルフィルターを通過させ、周期帯分離また、ノイズ処理を行う。次に、周期帯分離されたブイの位置データから、数式5を用いその周期帯の主波向きを求める。この時点では、この主波向きは、波の振動方向で、180度の範囲で定義される波向きである。つぎに、数式6または、数式7を用いて、波の進行方向を決定し、360度の範囲で定義される波向きを求める。 The data processing apparatus passes the time-series data of the received buoy in the X-direction horizontal position, the time-series data of the buoy in the Y-direction horizontal position, and the time-series data of the buoy in the vertical (Z direction) position through the digital filter, Periodic band separation and noise processing are performed. Next, from the position data of the buoys separated by the periodic band, the main wave direction of the periodic band is obtained using Equation 5. At this time, the main wave direction is a wave direction defined by a range of 180 degrees in the vibration direction of the wave. Next, the traveling direction of the wave is determined using Equation 6 or Equation 7, and the wave direction defined in the range of 360 degrees is obtained.
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