一种基于星基差分增强技术的深远海波浪和潮位测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于星基差分增强技术的深远海波浪和潮位测量方法，以北斗系统为主平台，配合GPS系统，采用星基差分增强技术，形成融合定位方法，完成全球范围内深远海波浪和潮位测量工作。技术步骤包括：接受卫星定位信号和星基差分信号、计算卫星浮标三维位置数据、分离波浪数据和潮位数据、计算波浪数据、计算潮位数据、波浪潮位数据传输至岸站数据接收系统。本发明专利技术通过在卫星浮标中安装一个北斗/GPS卫星定位接收板卡、一个星基差分信号接收模块，就可以测量出全球范围内、深远海中的波浪和潮位，具有测量精度高、工作距离远、覆盖范围广、续航时间长等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于星基差分增强技术的深远海波浪和潮位测量方法
本专利技术涉及海上波浪和潮位测量方法，特别是涉及利用北斗系统和卫星浮标的海上波浪和潮位测量方法。
技术介绍
海洋波浪数据和潮位数据是重要的海洋水文观测要素，主要包含波高、波周期、波向以及潮位。深远海波浪、潮位的精准化测量和预报对远洋航运、科学研究、防灾减灾和国防军事具有十分重要的意义，同时对又好又快实现“海上丝绸之路”国家战略具有巨大的促进作用。我国对适用于深远海的波浪潮位测量仪器设备有着巨大需求。波浪浮标是测量波浪数据的重要设备，潮位测量仪是测量潮位数据重要设备。波浪浮标测量波浪数据，根据工作原理不同，主要可分为重力加速度式和卫星定位式。重力加速度式波浪浮标结构复杂、设备昂贵、数据传输距离短，不适用深远海海域。卫星定位式波浪浮标采集卫星定位信号和辅助定位差分信号。根据辅助定位差分信号源的获取方式不同，又分为地基差分增强技术和星基差分增强技术。其中，地基增强方式中，将采用蓄电池供电的差分信号发送装置(也称基准站)放置在地势较高的岸边，此时差分信号采用高频通信，工作距离小于15km，并且耗电量较大。因此，地基差分增强技术存在地势选址难、工作距离较近和续航时间较短的限制，从而无法测量深远海波浪和潮位数据。在星基增强方式中，将带有太阳能电池板的太空通信卫星作为基准站，此时通信工作距离远、覆盖范围广、续航时间长，可用于测量深远海波浪和潮位数据。根据工作原理不同，潮位测量仪主要可分为浮子式和压力式。前者需要沿海台站的验潮井配合测量，后者受限于线缆长度较短，因此两者均存在不足之处，都不适用于深远海的潮位测量。同时，现有波浪与潮位的测量独立实施，无法联合测量波浪和潮位数据，存在数据融合困难的问题，人为地割裂了波浪和潮位的天然内在关系。
技术实现思路
本专利技术提出一种基于星基差分增强技术的深远海波浪和潮位测量方法，以北斗系统为主平台，配合GPS系统，采用星基差分增强技术，形成融合定位技术，完成全球范围内深远海波浪和潮位测量工作。实现方法是通过在浮标中安装一个北斗/GPS卫星定位接收板卡、一个星基差分信号接收模块，形成一种基于星基增强技术、带有太阳能电池板的卫星浮标。卫星浮标同时接收卫星定位信号和星基差分信号，通过计算得出卫星浮标的三维位置坐标。然后对卫星浮标三维位置坐标数据进行运算，计算出波浪数据和潮位数据。最后通过北斗卫星特有短报文通信模式，将波浪数据和潮位数据远距离传输到岸站数据接收系统。该方法可实现深远海海域的波浪和潮位数据远程在线同步测量和远距离传输，填补国内外技术空白。同时，该方法不需要使用重力加速度传感器、压力传感器等多种传感器，不需要地面基准站，使用方便、测量可靠。并且浮标自带太阳能电池板，能长期连续稳定工作，具有续航时间长的特点。本专利技术涉及的基于星基差分增强技术的深远海波浪和潮位测量方法，技术步骤包括：接受卫星定位信号和星基差分信号、计算卫星浮标三维位置数据、分离波浪数据和潮位数据、计算波浪数据、计算潮位数据、波浪潮位数据传输至岸站数据接收系统。S1、接收卫星定位信号和星基差分信号多颗已有的北斗和GPS卫星组成空间定位卫星群，它们连续不断地发射卫星定位信号，达到米级定位。7颗Inmarsat(海事卫星)卫星组成差分信号卫星群，它们连续不断发射用于消除卫星定位误差、辅助精密定位的星基差分信号，实现厘米级定位。卫星浮标同时接收卫星定位信号和星基差分信号。S2、计算卫星浮标位置数据卫星浮标根据采集到的卫星定位信号和星基差分信号，执行卫星差分定位分析方法，计算出浮标在ECEF(Earth-Centered,Earth-Fixed，地心地固)坐标系中的三维位置坐标Xu、Yu、Zu，其中Xu、Yu、Zu分别表示浮标在ECEF坐标系中沿X轴、Y轴和Z轴方向上的坐标。S3、分离波浪数据和潮位数据采用信号滤波技术，从卫星浮标的三维坐标中分离出波浪的三维位置坐标X1、Y1、Z1和潮位的高程坐标Z2。S4、计算波浪数据对波浪数据X1、Y1、Z1进行运算，得到当地海域波高、波周期、波向数据。S5、计算潮位数据根据当地海域潮位基准面坐标Z0和潮位高程坐标Z2，计算得到潮位潮高H。S6、波浪和潮位数据传输至岸站数据接收系统将卫星浮标测量的波浪数据和潮位数据，利用北斗短报文远距离传输至岸站数据接收系统。本专利技术所涉及的基于星基差分增强技术深远海波浪和潮位的测量方法，通过在卫星浮标中安装一个北斗/GPS卫星定位接收板卡、一个星基差分信号接收模块，就可以测量出全球范围内、深远海中的波浪和潮位。本专利技术所涉及的测量方法具有测量距离远、测量时间长、测量可靠性高、测量过程简便、性价比高、不受地势地域限制等特点。附图说明图1为本专利技术所涉及的基于星基增强技术的深远海波浪和潮位测量示意图。图2为本专利技术所涉及的基于星基增强技术的深远海波浪和潮位测量方法流程图。图3本专利技术所涉及的深远海波浪和潮位测量方法采用的卫星浮标的下壳部分结构示意图。图4本专利技术所涉及的深远海波浪和潮位测量方法采用的卫星浮标的上壳部分结构示意图。图中标记说明：1、GPS定位卫星群2、北斗定位卫星群3、差分信号卫星4、卫星浮标5、卫星浮标开关6、卫星天线7、岸站数据接收系统8、深远海海面9、岸边陆地10、卫星浮标下壳部分11、数据运算/发送模块12、高能锂电池13、接线端子14、卫星浮标上壳部分15、太阳能电池板具体实施方式本专利技术利用卫星定位技术和星基差分增强技术，实现深远海波浪和潮位数据远程在线测量功能。具体实施方式如下：①卫星浮标接收卫星定位信号和星基差分信号卫星浮标4由两部分组成，下壳部分10和上壳部分14。下壳部分主要部件：数据运算/发送模块11，高能锂电池12，接线端子13。上壳部分主要部件：卫星浮标开关5，卫星天线6、太阳能电池板15。卫星定位信号由北斗定位卫星和GPS定位卫星发射，包括北斗卫星空间坐标值(xB，yB，zB)和GPS卫星空间坐标值(xG，yG，zG)，这些数据都能通过精密星历精确获得，都是已知量。星基差分信号ηB由7颗Inmarsat(海事卫星)卫星发射，其作用是消除定位误差。ηB＝cτB，s-TB，iono+TB，tron+εr，表示卫星定位过程中产生的、需要进行消除的总误差项。星基差分信号ηB消除定位误差的过程如下。卫星浮标的位置坐标为Pu＝(Xu，Yu，Zu)，是待求的未知量。卫星浮标接收北斗和GPS定位信号，其与北斗卫星及与GPS卫星之间距离分别如式(1)、(2)所示。式中：ρB：接收机与北斗卫星之间距离；ρG：接收机与GPS卫星之间距离；c：光速；τG，s：GPS系统星载时钟误差；τB，s：北斗星载时钟误差；TG，iono：GPS卫星电离层传输延迟误差；TB，iono：北斗卫星电离层传输延迟误差；TG，tron：GPS卫星对流层传输延迟误差；TB，tron：北斗卫星对流层传输延迟误差；εr：接收机内部热噪声。卫星浮标接收到的星基差分信号ηB属于已知量，消除ηB误差后，分别可得到卫星浮标与北斗和GPS距离如式(3)和式(4)所示。②计算卫星浮标位置数据已知卫星浮标与北斗卫星和GPS卫星的距离公式中包含4个未知变量，根据定位原理，分别至少需要接收4颗卫星数据，才能形成可解方程组。本专利技术接收尽量多的卫本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于星基差分增强技术深远海波浪和潮位的测量方法，其特征在于，技术步骤包括：接收卫星定位信号和星基差分信号(S1)，计算卫星浮标位置数据(S2)，分离波浪数据和潮位数据(S3)，计算波浪数据(S4)，计算潮位数据(S5)，波浪和潮位数据传输至岸站数据接收系统(S6)；所述的接收卫星定位信号和星基差分信号(S1)，是指卫星浮标接收北斗卫星和GPS卫星发射的定位信号，同时卫星浮标还接收海事通信发射的、用于消除电离层/对流层等干扰误差的星基差分信号，分别得到卫星浮标与北斗卫星和GPS卫星精确距离的过程；所述的计算卫星浮标位置数据(S2)，是指卫星浮标接收多颗北斗卫星和GPS卫星的定位信号，引入星基差分信号、消除定位误差后，形成可解超定方程组，得到卫星浮标三维坐标数据的过程；所述的分离波浪数据和潮位数据(S3)，是指采用巴特沃斯滤波器和傅里叶低通滤波器分别从卫星浮标三维坐标数据中分离出波浪和潮位数据的过程；所述的计算波浪数据(S4)，是指对S3中已经获取的波浪数据，根据上跨零点法得到波周期、波高和波向数据的过程；所述的计算潮位数据(S5)，是指对S3中已经获取的潮位数据，将其与潮高基准面进行比较，计算得到潮位高程数值的过程。...

【技术特征摘要】
1.一种基于星基差分增强技术深远海波浪和潮位的测量方法，其特征在于，技术步骤包括：接收卫星定位信号和星基差分信号(S1)，计算卫星浮标位置数据(S2)，分离波浪数据和潮位数据(S3)，计算波浪数据(S4)，计算潮位数据(S5)，波浪和潮位数据传输至岸站数据接收系统(S6)；所述的接收卫星定位信号和星基差分信号(S1)，是指卫星浮标接收北斗卫星和GPS卫星发射的定位信号，同时卫星浮标还接收海事通信发射的、用于消除电离层/对流层等干扰误差的星基差分信号，分别得到卫星浮标与北斗卫星和GPS卫星精确距离的过程；所述的计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：边鸣秋，高占科，贾伟广，常双，程绍华，沈飞飞，于建清，朱丽萍，于惠莉，秦鑫培，
申请(专利权)人：国家海洋标准计量中心，
类型：发明
国别省市：天津,12