Wave measurement methods from moving vessels using GNSS Reflectometry

使用 GNSS 反射计测量移动船只的波浪方法

基本信息

批准号：
21K19848
负责人：
市川香
金额：
$ 3.99万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-07-09 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

GNSS衛星からの電波が海面で反射してからアンテナに到達する場合，最短距離である衛星からの直達信号よりも，常に長い経路長を通ることになる。このとき，同じGNSS衛星からの距離が異なって計測されてしまうため，GNSS測位手法においては，マルチパスとして忌諱されている。経路長が異なる直達波と反射波は，アンテナ到達時の電波の位相も異なるため，両者は位相干渉して受信合成波の強度が変化する。反射波の過剰経路長は，反射点の海面の高さに依存するので，波浪によって海面の高さが変わると，受信した信号強度も干渉によって強くなったり弱くなったりを繰り返す。つまり，経路長がGNSS電波の波長である約15～20cm変化する度に，干渉強度が周期的に変化する干渉縞が生じる。従って，GNSSアンテナで受信した信号強度の時間変化の回数を計測することで，海面高の干渉計として利用できる。本研究は，対馬海峡を毎日往復するフェリー「ニューかめりあ」に設置したGNSS受信アンテナのデータにこの原理を適用し，その解析により波浪の周期と波高を推定するものである。昨年度に測器を設置し観測を開始したので，そのデータの解析結果を検討したところ，干渉計として正確な測定を行うには，サンプリングを高頻度にする必要があることが判明した。そこで今年度は測器の限界である20Hzまで観測頻度を上げたところ，安定して推定ができるようになった。さらに，受信電波のシミュレーション結果から，計測データからの波浪周期と波高を推定には，波浪スペクトルのピーク周波数周りの形状に依存することが分かった。対馬海峡の観測データと日本気象協会の再解析データとの比較の結果，対馬海峡ではスペクトルが比較的幅の狭い分布を示す結果に近いことが推定された。今後，比較データ数を増やすとともに，同様の装置を別海域のデータに適用し，海域によるスペクトル依存性を検討する。

当来自 GNSS 卫星的无线电波在海面反射后到达天线时，它们总是采用比卫星直接信号的最短距离更长的路径。在这种情况下，距同一 GNSS 卫星的距离测量方式不同，因此这被认为是 GNSS 定位方法中的多路径问题。直达波和反射波具有不同的路径长度，到达天线时具有不同的相位，因此它们发生相位干扰并改变接收的组合波的强度。反射波的多余路径长度取决于反射点处海面的高度，因此当海面高度因波浪而变化时，接收信号强度会因干扰而反复增强和减弱。换句话说，每当路径长度改变约15至20cm（GNSS无线电波的波长）时，就会产生干涉强度周期性变化的干涉条纹。因此，通过测量GNSS天线接收到的信号强度随时间变化的次数，可以用作干涉仪来测量海平面高度。这项研究将这一原理应用于每天穿越对马海峡的新茶花渡轮上安装的 GNSS 接收天线的数据，并分析数据以估计波浪周期和波浪高度。去年安装仪器并开始观测后，我们检查了数据分析结果，发现为了作为干涉仪进行精确测量，我们需要更频繁地采样。因此，今年我们将观测频率提高到了仪器的极限20Hz，并且能够做出稳定的估计。此外，根据接收无线电波的模拟结果发现，根据测量数据估计波周期和波高取决于峰值频率附近的波谱形状。将对马海峡的观测数据与日本气象协会的再分析数据进行比较，估计对马海峡的频谱与结果类似，呈现出相对狭窄的分布。未来，我们将增加对比数据的数量，将相同的设备应用于其他海域的数据，研究各海域的光谱依赖性。