利用低成本GNSS/IMU浮標監測海洋訊號

Abstract

海洋中海水面變化包含不同頻率訊號，例如波浪、海嘯、氣象海嘯、海潮、風暴潮以及洋流等，這些現象可能會導致沿岸地區的居住環境受到影響或遭受破壞，直接或間接地影響人類生命與財產安全，因此準確監測高頻海洋訊號成為一個重要的研究課題。現今海水面監測技術發展日趨成熟，海水面高度變化常以驗潮站、衛星測高、傳統加速度浮標來進行觀測，然而驗潮站資料含有地表變動訊號，衛星測高在沿岸地區觀測精度較低，傳統加速度浮標造價昂貴、體積較大與受到低頻雜訊的影響，且上述三者皆無法量測多頻海水面變化訊號。本研究引入全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System GNSS)浮標，透過高頻GNSS觀測量來計算海水面變化，浮標另裝載慣性量測單元(Inertial Measurement Unit IMU)不間斷地接收加速度、角速度等資料，提供GNSS訊號遮蔽與浮標傾斜之改正。實驗時，透過岸上架設固定站，利用不同的GNSS解算軟體進行差分定位解算，做為浮標定位結果之參照，並搭配International GNSS Service (IGS)所提供的精密星曆進行精密單點定位解算；浮標觀測水面變化以整合GNSS差分定位或精密單點定位成果與IMU觀測量求得，並與現地波高計、驗潮站以及港外波浪觀測站資料進行比較。本研究於兩處進行實驗測試，首先於成?大學水工試驗中型斷面水槽內進行，利用造波機產生頻率固定的規則波，將不同儀器所觀測的水面變化與波高計資料相比較，其成果顯示GNSS、IMU以及智慧型手機皆可觀測規則波的振幅與頻率。另一處為台南安平港，將GNSS所測得的海水面資料與安平驗潮站資料相比較，計算兩者間差值的標準差(Standard Deviation STD)，結果顯示差分定位精度約為1公分左右等級，精密單點定位精度最佳可達3公分左右；同時間利用GNSS、IMU以及智慧型手機觀測資料進行能量頻譜分析與計算有效波高，其成果顯示GNSS與IMU可有效觀測實際的波浪頻率，智慧型手機則否，且三者皆無法有效偵測實際波高變化的趨勢。另一方面，由於實驗地點皆位處港內，其海洋環境單純、浮標傾斜角度較小，且浮標本身高度很低(GNSS天線盤距離水面約20公分)，導致整合GNSS與IMU觀測量對於整體海水面觀測結果的提升相當有限。

Date of Award	2016 Sept 5
Original language	Chinese
Supervisor	Chung-Yen Kuo (Supervisor)