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卫星海洋潮汐测量原理及应用

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《全球定位系统》2018年第1期

摘要:潮汐是地球上普遍存在的一种自然现象,它是在太阳和月亮引力的作用下,在地球的岩石圈、大气圈和水圈中分别产生的周期性运动。本文主要介绍利用卫星对海洋潮汐形成的原理、测量的方式方法进行总结和归纳,以及海洋潮汐目前在环境保护、灾害预防、电力等方面的应用做出具体的阐释,详细地说明了潮汐的可利用性以及对于未来建立环境友好型社会有着至关重要的作用。

关键词:潮汐;潮汐测量;应用;周期性

大家都知道,由于月球和太阳对地球的引力作用导致地球表面海水会发生有规律的升降现象,此现象称为潮汐。国内学者阮锐、申炳琦等人对于海洋潮汐测量的理论和方法都做出了详细的阐释。目前,我国常用的潮汐测量方法有声测潮法和压力式测潮法,GPS测潮法尚处于应用阶段。但其精度可以满足海洋测量的要求。随着科学技术的发展,现代测潮方法越来越多。潮汐测量技术已经从人工测量逐渐转变为使用电子设备、卫星观测,潮汐测量也从点到平面的发展,潮汐数据从潮汐信息的观测到实时的潮汐信息的自动获取。GPS潮汐测量、潮汐遥感是未来获取潮汐数据的主要途径。

1潮汐形成的原理

潮汐是由于太阳、月球和地球相对位置的不断改变以及地球受到太阳和月球的引力的合力不断变化,导致海水周期性涨落的现象,导致这种现象的力称之为引潮力。牛顿的万有引力定律表明:引力的大小与两个物体的乘积成正比,和两个物体之间的距离成反比,月球和太阳对海洋潮汐的影响是海水周期性波动的原因,不管在其他行星上的作用力有多弱,月亮的作用大约是太阳的两倍。在最近的表面上,围绕地球的共同质量中心的轨道半径明显小于地球的轨道半径。月球的引力将大于相应的惯性力,惯性力已无法再抵消,其合力与物体受地球引力的方向相反。如果该物体是海水,那么就会有涨潮。用同样的方法来研究离月球最远的地球上的物体。月球对物体的引力小于相应的惯性力,它们的合力与地球引力在这里的方向相反。它还使物体的引力明显变小。因此,离月球最远的海域也会出现涨潮。

2潮汐测量的意义

潮汐测量也称为验潮,实际上是用来测量水位随时间点的变化。潮汐站可分为短期潮汐站和长期潮汐站。临时潮汐站和固定潮位控制站是基地。它主要用于计算平均海平面和平均海平面的深度计算。该计算需要连续两年的水位数据。短期潮汐站是用来补充长期潮汐站的。结合长期潮汐站计算的深度资料。在水深测量过程中,通常需要对水位进行30天的观测,并建立临时潮汐站。用长期或短期潮汐台站同时观测潮汐台站至少3天的平均海平面或深度基准。瞬时水位观测与校正的检测周期。

3卫星海洋潮汐测量的方法

3.1GPS验潮

GPS潮汐测量技术是随着差分GPS技术的发展而发展起来的一种新技术。它是目前GPS技术的主要发展方向之一。目前尚处于试验阶段。采用GPS实时动态RTK测量技术。该系统由GPS测量技术和数据传输技术组成。其工作原理是在参考站设置GPS接收机,连续观测所有可见GPS卫星。所述观测数据通过所述无线电传输装置实时地发送到所述用户观测站。GPS接收机同时接收GPS卫星信号。参考站发送的数据由无线电接收装置接收,并根据相对定位原理实时计算和显示用户站的三维坐标。DGPS潮汐检测分为静态潮汐检测和动态潮汐检测。静潮探测是指将DGPS潮汐站GPS接收天线放置在靠近海岸或海上固定位置的浮标或测量船上。利用海岸GPS接收机进行了载波相位差动态测量。给出了一种获取瞬时海面高度的方法。动态测潮装置是将DGPS测潮站的GPS接收天线置于船舶上。利用海岸的GPS接收机进行实时动态差分测量,从而获得测量船瞬时的海面高度的测潮方式。利用GPS测量点到海面的距离的计算公式如下:d=h-N-dant(1)式中:d表示海面在规定高程系统下的高度;h代表GPS天线的WGS-84椭球高度;N代表WGS-84参考椭球与所采用高程系统大地水准面的差值;dant代表GPS天线与海水面之间的高度。

3.2潮汐遥感测量

潮汐遥感测量的原理与GPS潮汐测量的原理基本相同,都是组合式的测量方法。它是将高度计搭载在卫星上,然后测量海面的高低起伏,从中获取有效的高程数据来计算出有关潮汐的有效数据。这种方法快捷经济,覆盖的范围广,但精度较低。要想获取高精度的有效的潮汐数据必须要开发出高精度的传感器搭载在卫星上才可以。

4潮汐的应用

4.1潮汐在环境保护方面的应用

潮汐能是由潮汐力引起的海水周期性波动产生的一种能量。这是一种可再生能源,储量巨大,有待开发。我国海岸线全长32000km。大陆海岸线18000km,岛屿海岸线14000km,具有丰富的潮汐能源资源。潮汐能具有清洁、可再生的特点,如果使用得当,则可再生利用。它将大大改善以煤为基础的能源消费结构,减少一次能源燃烧产生的有害物质,对改善空气质量具有重要意义。

4.2潮汐在自然灾害预防方面的应用

最近几年全球的自然灾害经常发生,造成了很大的人员伤亡和财产损失,如2004年的印尼海啸、2008年的缅甸热带风暴和中国四川汶川地震等,使人们对自然灾害的预报更加重视。潮汐的规律和潮汐的作用是一个比较烦琐的地球物理问题,潮汐和其他的自然现象对于自然灾害的预报有着重要作用。通过收集更多的信息,找到它们之间的联系,要比单一的研究自然灾害更有效。

4.3潮汐在电力方面的应用

利用潮汐发电和普通的水力发电原理相同,都是通过具有一定高度的势能差,将势能转换为动能进而转换为电能的过程。利用潮汐发电必须满足两个条件:第一:潮汐必须很大,有足够的势能。第二:必须要有合适的地理环境。结语目前潮测的方式很多,其中比较常用的是声学式测潮和压力式测潮,GPS测潮目前还处于发展阶段,其精度还不能满足测量需求。而潮汐遥感测量我国还在探索阶段,所以利用卫星和传感器对海洋潮汐测量依然需要继续探索。

参考文献

[1]阮锐.潮汐测量与验潮技术的发展[J].海洋技术,2001,20(3):68-71.[2]翟国君,黄谟涛,吴中鼎,等.海道测量潮汐计算与应用[J].海洋测绘,2006,26(4):1-5.

[3]李征航,龚晓颖,刘万科.导航卫星自主定轨中潮汐摄动影响分析[J].大地测量与地球动力学,2009,29(2):76-81.

[4]梁冠辉,周兴华,周东旭,等.基于后处理载波相位差分GPS技术的验潮浮标[J].海洋测绘,2017,37(3):49-52.

[5]申炳琦.浅析潮汐原理及其应用[J].中文信息,2017(2):134-135.

作者:敖新东;谢宏全;马东洋;王亚娜;梅雪琴 单位:淮海工学院测绘与海洋信息学院

全球定位系统杂志责任编辑:张雨    阅读:人次

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