СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛЕБАНИЯ УРОВНЯ МОРЯ Российский патент 2009 года по МПК G01C13/00 

Изобретение относится к области морской гидрологии, а более конкретно к определению приливных колебаний уровня моря.

Известные способы измерения уровня моря [1, 2] включают измерение уровня моря с использованием контактных измерителей, например мареографов [3], или неконтактных (дистанционных) измерителей, например радиотехнических средств [4, 5], определение момента времени измерения, определение географических координат, определение момента верхней кульминации Луны на фиксированном географическом меридиане, например, на гринвичском, определение колебания уровня моря путем анализа результатов наблюдений по периодическим компонентам во временных рядах результатов наблюдений с определением гармонических постоянных по всему спектру частот фиктивных светил [6].

Недостатком известных способов является то, что при определении колебания уровня моря в точке измерения используют зависимость изменения фазы видимого движения Солнца вокруг Земли, в то время как фазы колебаний уровня моря согласованы с фазами движения Луны вокруг Земли, а также существенная трудоемкость гармонического анализа прилива, по которому определяют высоту прилива. Так, например, формула для расчета высоты прилива при полном гармоническом анализе имеет 93 слагаемых (волн), что позволяет использовать его только для составления Таблиц приливов и в научно-исследовательских работах. Для практических целей, как правило, используется штурманский метод предвычисления приливов, который позволяет вычислять гармонические постоянные главных волн из наблюдений над колебаниями уровня за одни или двое суток и предвычислять приливы по гармоническим постоянным только четырех главных волн. Однако, чтобы учесть влияние этих волн, в амплитуды и фазы главных волн необходимо вводить поправки, которые зависят от астрономических условий. Кроме того, решение задачи преобразования интервалов времени основано на способах преобразования временных параметров исследуемых процессов, имеющих место при анализе результатов наблюдений [7]. При этом на основе данных наблюдений для анализа результатов наблюдений выявляются периодические компоненты во временных рядах данных, для которых моменты измерения "асинхронны" с выявленным периодом колебаний, т.е. интервалы времени между моментами измерений не регулярны и значительно превышают выявляемый период колебаний, при этом используют Фурье-анализ, т.е. исследуемые процессы представляют как суперпозицию гармонических колебаний в виде ряда Фурье, что, например, при определении колебания уровня моря может вносить дополнительную погрешность, так как сумма двух периодических колебаний может быть непериодической функцией, например, при сложении двух синусоидальных колебаний с несоизмеримыми частотами, когда в результате их сложения может быть получено сложное непериодическое колебание. При этом временной ход представляется в виде функций значений процесса от времени и время определяют из условия, что время есть строго возрастающая действительная переменная. При этом устанавливают структуру цикла временных интервалов с выделением эталона времени и выбирают цикловую частоту [8÷10]. Выбор цикловой частоты включает определение защитного временного интервала, обеспечение восстановления несущей, тактовую синхронизацию по элементам и адресацию информации, установление уровней сигналов во временных интервалах. Однако, ввиду того что периоды системы времени измерения и периоды гармоник колебательного процесса могут быть несоизмеримы, требуется выполнение дополнительных операций, связанных с обеспечением качественной синхронизации. Так, в известном способе [9] при определении периодических компонент во временных рядах данных, полученных при наблюдениях за колебательным процессом, в котором моменты измерения являются асинхронными с выявленным периодом колебаний, используют свойство периодичности выявляемого сигнала на основе свойств периодической функции F(t+Т)=f(t), где t - время; Т - период функции f(t). Для анализа гармонических колебаний ось времени разбивается на равные отрезки, которые в дальнейшем совмещаются друг с другом. В полученном таким образом циклическом времени моменты измерения описывают изменения функции на одном периоде, что обеспечивает связь между временем континентальным (солнечным) и океаническим (приливным) в соответствии с зависимостью х=у-у_m, где х - приливное время (число приливных суток от начала приливного года); у - дата солнечного времени (число суток от начала года); у_m - число суток между солнечным и приливным временем, т.е. при этом определяется среднесолнечное время, которое является циклическим временем с постоянным периодом в одни сутки. Связь между этими временами осуществляется путем развертки циклического среднего солнечного времени в линейный последовательный ряд путем введения пронумерованных временных интервалов: циклических - месяцев и нециклических - годов, столетий и т.д.

Однако, как известно [7], истинное солнечное время и истинные лунные сутки изменяют свою длительность в относительно широком диапазоне, что приводит к погрешностям при определении периодической составляющей в асинхронных гидрологических наблюдениях, обусловленных различием характера периодичности реального и измеренного процессов по причине измерения в циклической системе среднесолнечного времени. В то же время основные энергонесущие гармоники связаны с лунными периодами, вследствие чего периоды системы времени измерения и периоды гармоник процесса могут быть несоизмеримы. В этом случае в фазовом пространстве, построенном на несоизмеримых с процессом системы времени, траектории колебательного процесса ведут себя хаотически. В зависимости от размерности фазового пространства траектории могут носить квазипериодический характер с перемежаемостью и даже, более того, иметь структуру странного артифактора. Нестационарность процесса может быть также и следствием неэргодичности траекторий в фазовом пространстве.

Задачей заявляемого изобретения является снижение трудоемкости способа определения колебания уровня моря с одновременным повышением достоверности определения конечных результатов.

Поставленная задача достигается за счет того, что в способе определения колебания уровня моря, включающем измерение высоты поверхности уровня моря посредством регистрирующих устройств, измерение моментов времени, определение верхней кульминации Луны на фиксированном географическом меридиане, определение колебания уровня моря путем анализа результатов наблюдений по периодическим компонентам во временных рядах результатов наблюдений с определением гармонических постоянных по спектру частот фиктивных светил, при анализе результатов измерений выполняют деление спектра частот на равные временные циклы с последующим их совмещением, в котором гармонические постоянные определяют для отдельного фиктивного светила, временной ход уровня прилива в точке измерения под действием приливных сил определяют по фазовому сдвигу, изменение фазы прилива определяют по измеренным значениям уровня моря в фиксированных точках акватории моря, расположенных по возрастанию величины интервала времени между ближайшим предшествующим моментом времени верхней кульминации Луны и моментом верхней кульминации Луны.

В заявляемом способе определение интервала времени между ближайшим предшествующим моментом времени верхней кульминации Луны и моментом верхней кульминации Луны позволяет определить временной ход приливных колебаний уровня в различных точках акватории моря и получить пространственный ход приливных колебаний на данной акватории на любой астрономический момент времени. Измеренные значения уровня моря в некоторых точках акватории моря, расположенных по возрастанию величины интервала времени позволяют по изменению фазы прилива определить и временной ход уровня в точке измерения под действием приливных сил.

Ввиду того что колебательный процесс q уровня моря в каждый фиксированный момент времени будет являться функцией двух частот q(t)=q (ω₀t, ω_τt), а в каждый момент времени t значение колебательного процесса q(t) будет являться функцией двух независимых переменных: фазы ϕ₀(t)=ω₀t и фазы ϕ_τ(t)=ω₀t, представляющих собой координаты фазового пространства, повышается вероятность достоверного выделения периодической составляющей колебательного процесса, так как исключается погрешность, обусловленная различным характером периодичности реального и измеренного колебательных процессов из-за измерения уровня моря в циклической системе среднесолнечного времени. При этом гармонические постоянные определяются на основании множества действительных чисел, в то время как в известных способах используются только рациональные числа, что позволяет определить реальную изменчивость колебательного процесса уровня моря.

Способ реализуется следующим образом.

Посредством контактных или дистанционных измерителей уровня моря выполняют измерение уровня моря в различных точках акватории моря в различные моменты времени таким образом, чтобы получаемые измерения в каждой точке измерения имели различные значения интервалов времени относительно ближайшего к моменту измерения последнего момента верхней кульминации Луны на фиксированном географическом меридиане. При этом измеренные значения уровня моря в точках акватории моря, расположенных по возрастанию величины интервала времени между ближайшим предшествующим моментом времени верхней кульминации Луны на фиксированном меридиане и моментом измерения позволяют установить временной ход уровня под действием приливных сил, что обусловлено тем, что приливные колебания в некоторой точке акватории моря имеют практически постоянный фазовый сдвиг относительно времени верхней кульминации Луны на фиксированном географическом меридиане. Так как сочетания фаз движения Луны вокруг Земли и фаз колебания уровня моря в некоторой точке повторяются с периодом движения Луны вокруг Земли, то измеренные значения уровня моря в некоторой точке акватории моря, расположенные по возрастанию величины интервала времени между ближайшим предшествующим моментом времени верхней кульминации Луны на фиксированном географическом меридиане и моментом измерения представляют собой изменение фазы прилива, а следовательно, и временной ход уровня в точке измерения под действием приливных сил. Это иллюстрируется чертежом, где Т - шкала времени между ближайшим предшествующим моментом времени верхней кульминации Луны на фиксированном географическом меридиане и моментом измерения высоты уровня моря.

По измеренным приборным значениям уровня моря формируют ряды наблюдений.

Определяют значения высоты прилива конкретной гармонической составляющей волны h(t), которая задается амплитудой А, углом положения g (А и g - гармонические постоянные) и периодом Т в соответствии с зависимостью h(t)=Acos(qt-g), где q - угловая скорость гармонической волны за один час среднего времени, t - фиксированный момент времени.

Определяют амплитуды гармонической составляющей высоты прилива.

Для анализа гармонических колебаний ось времени разбивается на равные отрезки, которые впоследствии совмещаются друг с другом. В полученном таким образом циклическом времени моменты измерения описывают изменения функции на одном периоде, что обеспечивает связь между временем континентальным (солнечным) и океаническим (приливным) в соответствии с зависимостью х=у-у_m, где х - приливное время (число приливных суток от начала приливного года), у - дата солнечного времени (число суток от начала года), у_m - число суток между солнечным и приливным временем. (число суток от начала года). Вследствие того что периоды системы времени измерения и периоды гармоник колебательного процесса могут быть несоизмеримы, осуществляют преобразование циклического времени в линейное в соответствии с зависимостью r(t)=ω_τt, где r(t) - циклическое время, t - линейное время, ω_τ - частота циклической системы времени.

Далее выполняют дальнейшую обработку с учетом преобразованного времени. При этом колебательный процесс q в каждый фиксированный момент времени является функцией двух частот q(t)=q(ω0t, ωτt), а в каждый момент времени t значение колебательного процесса q(t) будет являться функцией двух независимых переменных: фазы ϕ₀(t)=ω₀t и фазы ϕ_τt(t)=ω_τt, представляющих собой координаты фазового пространства.

Определяют значения высоты прилива h=h(x, у) для последовательного набора дискретных значений времени h=h(x, у, t), например, методом сеток (см., например, Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Методы теории функций переменного. - М-Л.: ГИТТЛ, 1958).

По полученным значениям высоты прилива для последовательного набора дискретных значений времени определяют амплитуды колебаний гармонической составляющей, например, в узлах сетки.

По полученным значениям h=h (х, у, t) определяют время наступления максимального уровня.

Предлагаемый способ выгодно отличается от известных способов, в которых регистрация приливов осуществляется в солнечном (циклическом) времени, что не обеспечивает информативность о повторяемости колебательного процесса, так как приливные колебания, записанные приборами в аномальном для их природы времени, оказываются зашифрованными для непосредственного анализа, что требует выражения результатов наблюдений рядами гармонических колебаний с аппроксимацией артифактов о реальной динамике приливных явлений, что вносит дополнительные погрешности.

Применение заявляемого способа позволяет при анализе периодической составляющей колебательного процесса использовать множество действительных чисел, в то время как в известных способах, представляющих собой численные расчеты, используются только рациональные числа, что не позволяет определить реальную изменчивость колебательного процесса.

Источники информации

1. Руководство по обработке и предсказанию приливов. - Л.: Гидрографическое управление ВМФ СССР. 1941, с.10.

2. Егоров Н.И., Безуглый И.М., Снежинский В.А. Морская гидрометеорология. - Л.: Управление гидрографической службы ВМФ. 1962, с.127-142.

3. Правила гидрографической службы №35. Управление начальника гидрографической службы ВМФ. Л., 1956, с.39-43.

4. Герман М.А. Спутниковая метрология. - Л.: Гидрометеоиздат. 1975, с.128-135.

5. Загородников А.А. Радиолокационная съемка морского волнения с летательных аппаратов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1978, с.200-229.

6. Дуванин А.И. Приливы в море. Гидрометеоиздат, 1960.

7. Полак И.Ф. Курс общей астрономии. - М.: ГИТТЛ, 1951.

8. Спилкер Д.Ж. Цифровая спутниковая связь. - М.: Связь, 1979, с.27, 254-255, 303-313, 467-474.

9. Дуванин А.И. Приливной год и системы времени // Вестник московского университета, сер.5. География, 1999, №2, с.8-13.

10. Патент РФ №2071104.

Изобретение относится к области морской гидрологии и может быть использовано для определения приливных колебаний уровня моря. Сущность: измеряют высоту поверхности уровня моря посредством регистрирующих устройств. Определяют момент верхней кульминации Луны на фиксированном географическом меридиане. Определяют колебания уровня моря путем анализа результатов наблюдений. При этом уровень моря измеряют в различных точках акватории моря, расположенных по возрастанию величины интервала времени между ближайшим предшествующим моментом верхней кульминации Луны и моментом верхней кульминации Луны. Технический результат: снижение трудоемкости способа с одновременным повышением достоверности получаемых результатов. 1 ил.

Способ определения колебания уровня моря, включающий измерение высоты поверхности уровня моря посредством регистрирующих устройств, определение момента верхней кульминации Луны на фиксированном географическом меридиане, определение колебаний уровня моря путем анализа результатов наблюдений по периодическим компонентам во временных рядах с определением гармонических постоянных по спектру частот фиктивных светил, а также выполнением делений спектра частот на равные временные циклы с последующим их совмещением при анализе результатов наблюдений, отличающийся тем, что уровень моря измеряют в различных точках акватории моря, расположенных по возрастанию величины интервала времени между ближайшим предшествующим моментом верхней кульминации Луны и моментом верхней кульминации Луны, гармонические постоянные определяют для отдельного фиктивного светила, временной ход уровня прилива в точке измерения под действием приливных сил определяют по фазовому сдвигу, а изменение фазы прилива определяют по измеренным значениям уровня моря.