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研究生: 王賜祿
Wang, Tzu-Lu
論文名稱: GPS反射訊號應用於瞬時水面波形量測
Real-time Waveform Measurement Based on Reflected GPS
指導教授: 吳銘志
Wu, Ming-Chee
共同指導教授: 曾清凉
Tseng, Ching-Liang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 地球科學系碩士在職專班
Department of Earth Sciences (on the job class)
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 105
中文關鍵詞: GPS反射訊號波形函數波浪水位
外文關鍵詞: GPS Reflected signal, waveform function, wave level
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  • 本研究取三種不同環境(大型斷面水槽、安平港港內、柴山海域)的水面為反射水表面,又利用GPS訊號對水表面具有強反射能力的特性,在不同環境的瞬時水面GPS反射訊號做進一步的分析。GPS反射訊號之反射強度與衛星仰角、波浪週期、波浪波形、水之介電係數、水深與遮蔽作用等因素有關,本研究在不同環境下所得到的GPS相位觀測量進行數位訊號處理、空間與瞬時水位變化相關分析及由波形推算波高之分析。
    以大型斷面水槽進行波浪週期5秒與6秒、波高60公分之造波,探討RGPS反射點高程值、波高計量測值與衛星訊號強度值(SNR)三者之間的相關性,藉以驗證GPS反射訊號量測波形與水位變化之精確性與實用性。本實驗以GPS雙頻接收儀、右旋天線及經過特殊設計的左旋偏極化天線,在同一時間接收4-7顆即時傳達到的GPS衛星訊號與經過不同的瞬時水面波形變化之反射訊號,進一步做空間與訊號時序分析,並將每一筆GPS直接與反射訊號觀測值(10Hz)之相位觀測量做推算,得到的GPS反射點坐標 ,轉換為經緯度及橢球高坐標值,又將橢球高減去大地起伏值得到反射點正高值,經緯度值呈現反射點移動軌跡,而反射點正高值,則呈現瞬時水位變化不同的波形結果。
    在大型斷面水槽波浪5秒週期與波浪6秒週期精確性可達0.1秒精度,量測60公分波高波浪波形與水位變化吻合性可達5公分精度,其中GPS衛星PRN9、PRN27之反射訊號量測值與波高計量測值的Pearson相關為中度正相關顯著,顯示RGPS反射訊號有能力在大型斷面水槽量測瞬時水面波高的變化,進而推算波形的變化,量測安平港港口船造波20公分波浪水位變化吻合性可達5公分精度,有完整的波高變化結果,進而推算波形的變化,量測柴山60~80公分波浪波形與水位變化吻合性可達5公分精度,其中GPS衛星PRN17之反射訊號量測值與衛星訊號強度之Pearson相關係數為中度正相關顯著,表示可利用GPS反射訊號來量測大範圍海面瞬時海面波高的變化,進而推算海面波形的變化。

    關鍵字:GPS反射訊號、波形函數、波浪水位

    In this study, three different environments (Large cross-section of tank, An-Ping, Harbor Chai Shan Sea area)for the reflective surface of the water, and the use of GPS signals on the water surface reflectance characteristics of strong, real-time water in different environments gps reflected signals for further analysis. GPS reflected signals of the reflection intensity and satellite elevation angle, wave period, wave waveform, the permittivity of water, water depth and shadowing effects and other factors, In this study, obtained under the different environment of GPS phase measurements for digital signal processing, spatial correlation with the real-time water level change and wave height calculated from the waveform analysis.
    For waves of large cross-section tank waste of cycle 5 seconds and 6 seconds, the wave height of 60 cm, making waves, reflection of RGPS reflected point elevation values, measured values of Wave Height Meter measurement value with the satellite signal strength (SNR) correlation between the three, in order to verify GPS signals reflected waveform and water level changes in the measurement of accuracy and practicality. In this experiment, dual-frequency GPS receivers, a right-hand circularly antennas, and specially designed a left-hand circularly polarization antenna, 4-7 pieces at the same time to receive real-time communication to the GPS satellite signals and through different variation of the real-time water surface wave reflection signals and further to do with signal timing analysis space, and every sum of direct and reflected GPS signal observations (10Hz) to do projections of volume phase observations, reflections point to get the GPS coordinates into latitude and longitude coordinates and ellipsoidal high( , , ), turn the earth ellipsoid higher minus the ups and downs to the reflex points are worthy of the high value of latitude and longitude values ( , ) showed reflex point movement trajectory, and reflection points are high-value , the real-time water level changes show the results of different waveforms.
    In a large cross-section of tank wave waste of 5 seconds period and 6 seconds cycle accuracy up to 0.1 seconds precision, measuring 60 cm wave height and wave-waveform changes consistent level of accuracy up to 5 cm, including GPS satellite PRN9, PRN27 amount of reflected signals measured values and measured values of wave height measurement of the Pearson correlation significant moderate positive correlation, indicating RGPS reflected signals have the ability to sink in a large cross-section of the surface wave height measurement of real-time changes, and then calculate the changes in waveform, the measurement made An-ping harbor boat 20 cm water level changes consistent waves of up to 5 cm accuracy, a complete change in the results of wave height , and then calculate the change in waveform, measuring 60 to 80 cm wave chai-shan waveform consistent with the water level changes of up to 5 cm accuracy, including GPS satellite PRN17 the reflected signals and satellite measurements of signal strength Pearson correlation coefficient significant moderate positive correlation, that can make use of GPS reflected signals to measure a wide range of real-time sea surface wave height changes, and thus the projected sea waveform changes.
    Key word:GPS Reflected signal、waveform function、wave level

    摘要 I Abstract III 誌謝 V 目錄 VI 表目錄 X 圖目錄 XI 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究目的 2 1.3 文獻回顧 2 1.4 研究方法 5 1.5 研究步驟與流程 7 第二章 GPS系統與GPS衛星訊號 8 2.1 GPS系統總體架構 8 2.1.2地面控制部份(Ground Control segment) 8 2.1.3地面用戶部份(User segment) 9 2.2 GPS衛星訊號 9 2.2.1 GPS訊號結構 9 2.2.2 虛擬距離觀測量 11 2.2.3載波相位觀測量 12 2.2.4 GPS衛星反射訊號 14 2.2.5 GPS衛星直接訊號品質 15 2.2.6 GPS衛星反射訊號品質 16 2.3 GPS衛星定位誤差來源 16 2.3.1 衛星與接收儀時鐘誤差 17 2.3.2 電離層延遲誤差 18 2.3.3 對流層延遲誤差 18 2.3.4 多路徑效應誤差 19 2.4 GPS虛擬距離單點定位 19 2.5 GPS載波相位靜態相對定位 20 2.6 GPS反射訊號水面反射點坐標與高程計算 20 第三章 實驗方法與步驟 24 3.1 接收儀及處理軟體介紹 24 3.2 GPS直接與反射訊號處理軟體流程與實驗流程圖 28 3.3 大斷面水槽波浪量測 33 3.4 安平港港內水位和波浪量測 36 3.5 高雄柴山海域水位量測 39 第四章 結果與討論 40 4.1 大斷面水槽波浪量測 40 4.1.1波高計量測結果 40 4.1.2 GPS直接與反射訊號訊號品質分析與統計 43 4.1.3 RGPS反射點坐標解算結果 47 4.1.4 RGPS計算波浪水位與波高計結果比較 50 4.1.5衛星反射訊號強度、波高、波高計測量值關聯性分析 61 4.1.6 綜合分析 63 4.2 安平港港內水位和波浪量測 70 4.2.1潮位站記錄水位變化 70 4.2.2 GPS直接與反射訊號訊號品質分析與統計 71 4.2.3 RGPS反射點坐標解算結果 73 4.2.4 RGPS 計算安平港內波浪水位與潮位站水位結果比較 75 4.2.5 衛星反射訊號強度、安平港內波高關聯性分析 78 4.2.6 綜合分析 79 4.3 高雄柴山海域水位量測 81 4.3.1高雄港海象觀測資料 81 4.3.2GPS直接與反射訊號訊號品質分析與統計 82 4.3.3 RGPS反射點坐標解算結果 84 4.3.4 RGPS計算柴山海域波浪水位與海象觀測資料結果比較 86 4.3.5衛星反射訊號強度、柴山海域波高關聯性分析 90 4.3.6綜合分析 91 第五章 結論與建議 93 5.1 結論 93 5.2 建議 94 參考文獻 95 附錄 99 附錄Ⅰ GPS試驗儀器設備功能 99 附錄Ⅱ Pearson相關係數(Coefficient of Correlation)定義與性質 101 附錄Ⅲ 波高計與潮位計規格 103 附錄Ⅳ 水面反射點高程差 104

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    下載圖示 校內:2012-07-27公開
    校外:2012-07-27公開
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