一种基于多源数据建立海上遇险目标风漂模型的方法技术

本发明专利技术公开一种基于多源数据建立海上遇险目标风漂模型的方法，包括：S10，设计海上试验靶场，组建立体观测网；S20，在靶场释放无动力漂浮物，计算其漂移速度。试验第一时段对漂浮物附近海域动力要素连续跟踪观测；S30，同化多源观测数据，结合数值模拟技术构建海试区域高时空分辨率的海洋气象及动力数据再分析场，对海上漂浮物的风致漂移速度进行分解；S40，在风漂模型拟合关系式的基础上，对单位时间步长的漂移物位移进行模拟。引入遗传算法对拟合的风漂系数进行优化求解；S50，绘制漂浮物风致漂移前进矢量图，得到海上漂浮物运动特性和海上风压的关系模型。本发明专利技术避免了海试期间对实验目标的持续跟踪观测，有效的降低了试验难度和成本。

A Method of Establishing Wind Drift Model of Marine Distress Target Based on Multi-source Data

The invention discloses a method for establishing a wind drift model of a target in distress at sea based on multi-source data, including: S10, designing a sea test range, setting up a three-dimensional observation network, S20, releasing unpowered floats in the range, and calculating their drift velocity. In the first period of the experiment, the dynamic elements of the sea area near the floating debris are continuously tracked and observed; S30, assimilating multi-source observation data, combining with numerical simulation technology, the reanalysis field of high spatial and temporal resolution marine meteorological and dynamic data is constructed, and the wind-induced drift velocity of the floating debris is decomposed; S40, the fitting of the wind-drift model On the basis of the system, the drift displacement per unit time step is simulated. The genetic algorithm is introduced to optimize the fitted wind drift coefficient, and S50 is used to draw the forward vector of the wind-induced drift of the floating matter, and the relationship model between the motion characteristics of the floating matter and the wind pressure at sea is obtained. The invention avoids the continuous tracking observation of the experimental target during the sea test, and effectively reduces the difficulty and cost of the test.

【技术实现步骤摘要】
一种基于多源数据建立海上遇险目标风漂模型的方法
本专利技术涉及海上遇险漂浮物轨迹预测
，具体而言，涉及一种基于多源数据建立海上遇险目标风漂模型的方法。
技术介绍
近年来，资源开发、交通运输等海事活动日益频繁，海难事故也时常发生。海上安全环境问题已经越来越受到我国的关注。海上遇险漂浮物轨迹预测是海上搜寻与救助决策系统的重要技术支撑，它对我国海洋环境安全保障起着重要作用。建立风漂模型是海上遇险漂浮物轨迹预测的基础，也是构建漂浮物轨迹预测模型的重要工作之一。然而，国内针对海上遇险目标建立风漂模型方面的研究还相对较少，并且缺乏相应的技术规范。目前建立风漂模型的试验数据来源主要来自于海试期间的跟踪观测数据，这对试验人员的操作和体力都提出了极大的考验，也增大了成本，以致难以获取长时段、大样本的试验数据。而利用直接数值模型输出的试验数据又缺乏可靠性。同时国内很多研究构建的风漂模型过于简单，没有考虑表面风速和风致漂移的异方向性。众多因素制约了我国建立完备的常见海上遇险漂浮物风漂模型的数据库。这对我国海上应急保障、搜寻与救助决策系统应用都会造成一定影响。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于多源数据建立海上遇险目标风漂模型的方法，其目的在于利用多元方式监测海面风，浪、流等海洋动力环境元素，利用多源数据同化结合数值模拟技术构建漂浮物周边海洋动力再分析场。在此基础上，将观测数据分解后进行回归分析，分别拟合漂浮物沿风和侧风向的风致漂移系数。利用拟合的风致漂移系数对单位时间步长的漂移物位移进行模拟，并与实测位移进行对比，以此对风致漂移系数进一步的修正。同时绘制漂移物前进矢量图来统计风压差翻转系数，高效的建立风漂模型，为海上遇险目标的轨迹预测提供基础技术支持。本专利技术提供一种基于多源数据建立海上遇险目标风漂模型的方法，包括以下步骤：S10，设计海上试验靶场，组建试验区域气象、海洋动力实时立体观测网；S20，在海上靶场释放无动力漂浮物，通过双频GPS接收机实时记录漂浮物的轨迹，进行算法后处理以获取精密定位数据来计算其漂移速度。每次试验第一时段利用调查船舶对漂浮物附近海域的风、浪、流海洋动力要素连续跟踪观测；S30，同化多源观测数据，结合数值模拟技术构建海试区域高时空分辨率的海洋气象及动力数据再分析场，并在所述再分析场中对海上漂浮物的风致漂移速度进行分解；S40，在风漂模型拟合关系式的基础上，利用线性回归分析率定风漂系数，根据拟合的风漂系数对单位时间步长的漂移物位移进行模拟。模拟结果与观测位移进行对比后加以约束形成多参数最优解问题，进而引入遗传算法对拟合的风漂系数进行优化求解；S50，绘制漂浮物风致漂移前进矢量图，将统计的发生风压差翻转的频率作为风压差翻转系数，得到海上漂浮物运动特性和海上风压的关系模型。进一步地，步骤S10中，海上试验靶场是利用地波雷达、气象雷达、浮标、平台、气象海洋站等海洋气象动力观测设备组建的海试区域实时立体观测网，靶场具有长时效、大范围和高时空分辨率的优势，以弥补调查船舶难以长时段跟踪观测的缺陷。进一步地，步骤S20中，利用单台GPS双频接收机连续观测海试目标漂浮物的位置。利用双频相位组合模型消除电离层延迟的影响，根据下载事后的精密星历和精密钟差，用精密卫星钟来替代GPS定位观测值方程中的卫星钟差参数，将漂移物GPS观测数据误差修正至分米级，并每隔设定时间取一次漂浮物位置来计算其平均速度。进一步地，步骤S30具体包括：建立风场数值模型：利用多源观测数据对所述气象模型进行最优估计以实现同化，构建海试区域高时空分辨率的海洋气象数据再分析场；建立流场数值模型：利用建立的风场，以及潮汐、环流的开边界条件进行强迫，同时同化多源观测数据建立海试区域高时空分辨率的海洋动力要素数据再分析场。根据所述海洋气象数据再分析场和海洋动力要素数据再分析场对漂移物速度进行分析，并将风致漂移速度进一步分解为沿风向和侧风向两个分量，其中侧风向的分量指向风向左侧或者右侧。进一步地，步骤S40中，利用最小二乘法分别将沿风向和侧风向的风致漂移速度与风速进行线性回归分析，进行参数率定，得到一组风漂系数拟合值，并结合样本对拟合的风漂系数进行置信度检验；利用拟合的系数在取定的时间步长内对漂移物轨迹轨迹进行模拟，取各时间区段内预测的位移和实测漂浮物的位移差的累加之和，并加以约束来进一步优化拟合系数。进一步地，步骤S50中，根据将风致漂移速度分解为沿风向和侧风向两个分量得到的风致漂移速度绘制漂浮物前进矢量图，统计漂浮物每小时垂直风向的速度方向发生变化的频率，并将该频率作为风压差翻转系数。进一步地，所述基于单台双频接收机的单点定位解算是利用事后在IGS网站上下载的精密星历和精密钟差文件结合双频载波相位和伪距的观测数据进行单点定位数据解算，采用双频载波相位和伪距观测值的无电离层组合来组成的观测模型，可以消除一阶电离层的影响：上两式经过简化后可表示为：其中，φ1和φ2为两个波段信号的载波相位观测值，P1和P2为双频伪距观测值，f1和f2为双频的载波频率，λ1和λ1为双频载波波长，ρ为星地之间的几何距离，c为光速，dt为接收机钟差，trop为对流层延迟，N为无电离层组合相位观测值的模糊度，为无电离层组合观测模型的模糊度，MF为对流层天顶延迟，Zpd为其投影函数，两种组合观测值的未被模型化的误差和观测噪声由ε(φIF)和ε(PIF)表示。进一步地，所述定位装置观测数据为大地坐标，通过大地坐标求解漂浮物平均速度的过程如下：X＝(N+H)cosBcosL；Y＝(N+H)cosBsinL；其中，e为椭球第一偏心率；N为卯酉圈的半径；b为短半轴；a为长半轴；(B，L，H)为定位点的WGS84坐标系下的大地坐标。进一步地，所同化的海流数值模型表示为下式：其中，K为海流数值模拟非线性算子；λ(t)为海流数值模型的输出流场；φ为模式参数、初始场或边界条件；用J(φ)表示海流数值模型模拟值和实测值之差的目标泛函，数据同化主要是为了实现模拟值与实际值的最优匹配，对控制变量φ进行最优选择：式中：为模型中适当优化方法的算子；φ为控制变量的初始猜测；为J(φ)的梯度。伴随法是在推导的过程中自然引入的，经过推导满足如下方程：上式即为伴随方程，其中K*(λ(t))为K(λ(t))的gateaux导数K(λ(t))的伴随算子。进一步的，所述的试验靶场和GPS观测数据可以进行滑动处理：将实验数据以13小时为样本选取时间窗口，以6h为时间间隔滑动选取，以增大样本量。进一步地，所述风致漂移速度根据以下公式推导：其中为海上漂浮物运动速度，为漂浮物周边表面流(对应漂浮物吃水深度表面流)速度，为漂浮物风致漂移速度。将进一步分解为沿风向、侧风向的漂流速度：进一步地，所述风漂系数率定方法基于海上漂浮物沿风向、侧风向的风致漂流速度与风速的拟合关系式：Vdw＝adW10mwind+bd+Ed；Vcw＝acW10mwind+bc+Ec；其中Vdw为沿风向的风致漂流速度，Vcw为侧风向的漂流速度，W10mwind为海面10米高度处风速，ad、bd、ac、bc均为拟合系数，Ed、Ec为拟合方程额外的误差项。进一步地，所述的拟合系数进一步优化的方法主要包括以下步骤：利用最小二乘法对四个系数进行拟合，取置信度为(1-α本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多源数据建立海上遇险目标风漂模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：S10，设计海上试验靶场，组建试验区域气象、海洋动力实时立体观测网；S20，在海上靶场释放无动力漂浮物，通过双频GPS接收机实时记录漂浮物的轨迹，进行算法后处理以获取精密定位数据来计算其漂移速度；其中每次试验第一时段利用调查船舶对漂浮物附近海域的风、浪、流海洋动力要素连续跟踪观测；S30，同化多源观测数据，结合数值模拟技术构建海试区域高时空分辨率的海洋气象及动力数据再分析场，并在所述再分析场中对海上漂浮物的风致漂移速度进行分解；S40，在风漂模型拟合关系式的基础上，利用线性回归分析率定风漂系数，根据拟合的风漂系数对单位时间步长的漂移物位移进行模拟。模拟结果与观测位移进行对比后加以约束形成多参数最优解问题，进而引入遗传算法对拟合的风漂系数进行优化求解；S50，绘制漂浮物风致漂移前进矢量图，将统计的发生风压差翻转的频率作为风压差翻转系数，得到海上漂浮物运动特性和海上风压的关系模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于多源数据建立海上遇险目标风漂模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：S10，设计海上试验靶场，组建试验区域气象、海洋动力实时立体观测网；S20，在海上靶场释放无动力漂浮物，通过双频GPS接收机实时记录漂浮物的轨迹，进行算法后处理以获取精密定位数据来计算其漂移速度；其中每次试验第一时段利用调查船舶对漂浮物附近海域的风、浪、流海洋动力要素连续跟踪观测；S30，同化多源观测数据，结合数值模拟技术构建海试区域高时空分辨率的海洋气象及动力数据再分析场，并在所述再分析场中对海上漂浮物的风致漂移速度进行分解；S40，在风漂模型拟合关系式的基础上，利用线性回归分析率定风漂系数，根据拟合的风漂系数对单位时间步长的漂移物位移进行模拟。模拟结果与观测位移进行对比后加以约束形成多参数最优解问题，进而引入遗传算法对拟合的风漂系数进行优化求解；S50，绘制漂浮物风致漂移前进矢量图，将统计的发生风压差翻转的频率作为风压差翻转系数，得到海上漂浮物运动特性和海上风压的关系模型。2.根据权利要求1所述的基于多源数据建立海上遇险目标风漂模型的方法，其特征在于，步骤S10中，利用单台GPS双频接收机连续观测海试目标漂浮物的位置；考虑接收机观测坐标误差主要为电离层对电磁波的影响、卫星钟差以及轨道误差的影响，明采用双频相位组合结合实时下载的精密星历和精密钟差的观测模型进行解算，将漂移物GPS观测数据误差修正至分米级，并每隔设定时间取一次漂浮物位置来计算其平均速度。3.根据权利要求1所述的基于多源数据建立海上遇险目标风漂模型的方法，其特征在于，步骤S20具体包括：建立风场数值模型：利用多源观测数据对所述气象模型进行最优估计以实现同化，构建海试区域高时空分辨率的海洋气象数据再分析场；建立流场数值模型：利用建立的风场，以及潮汐、环流的开边界条件进行强迫，同时同化多源观测数据建立海试区域高时空分辨率的海洋动力要素数据再分析场；根据海洋动力要素数据再分析场中的流场和海洋气象数据再分析场中的风场对漂移物速度进行分析，并将风致漂移速度进一步分解为沿风向和垂直于风向(侧风向)两个分量，其中侧风向的分量指向风向左侧或者右侧。4.根据权利要求3所述的基于多源数据建立海上遇险目标风漂模型的方法，其特征在于，根据风致漂移速度分解为沿风向和侧风向两个分量得到的风致漂移速度绘制漂浮物前进矢量图，统计漂浮物每小时垂直风向的速度方向发生变化的频率，并将该频率作为风压差翻转系数。5.根据权利要求2所述的基于多源数据建立海上遇险目标风漂模型的方法，其特征在于，所述基于单台双频GPS接收机的单点定位技术是利用事后在IGS网站上下载的精密星历和精密钟差结合双频载波相位和伪距的观测数据进行单点定位数据解算，采用双频载波相位和伪距观测值的无电离层组合来组成的观测模型，以消除一阶电离层的影响：上两式经过简化后可表示为：其中，φ1和φ2为两个波段信号的载波相位观测值，P1和P2为双频伪距观测值，f1和f2为双频的载波频率，λ1和λ2为双频载波波长，ρ为星地之间的几何距离，c为光速，dt为接收机钟差，trop为对流层延迟，N为无电离层组合相位观测值的模糊度，为无电离层组合观测模型的模糊度，MF为对流层天顶延迟，Zpd为其投影函数，两种组合观测值的未被模型化的误差和观测噪声由ε(φIF)和ε(PIF)表示。6.根据权利要求3所述的基于多源...

【专利技术属性】
技术研发人员：牟林，朱岿，李健，
申请(专利权)人：牟林，
类型：发明
国别省市：湖北,42