一种基于北斗/GNSS的实时高精度海表测量方法及浮标技术

本发明专利技术提出了一种使用GNSS卫星免费播发、免费使用的广播星历、我国北斗卫星的精密单点定位(PPP)，以及其它的高精度服务空间信号，即可直接获得包括时间、经度、纬度、水位、波高、波周期、波向、海表流速和流向、大气水汽含量等实时、可达厘米级要素信息的一种基于北斗/GNSS的实时高精度海表测量方法及浮标；可以将这些信息存储在浮标本地或者通讯传回，适用于近海和远海场景的实时高精度海表测量；克服了现有测量方法需要额外购买精密差分改正和实时通讯的缺点，无需存储GNSS原始观测数据，无需通讯传输GNSS原始观测数据，大幅节省了存储、服务及通讯成本，扩大了基于GNSS的低成本的海表测量的工作范围，因此具有很高的实际应用价值。值。值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于北斗/GNSS的实时高精度海表测量方法及浮标


[0001]本专利技术涉及湖泊、河流、海洋等所有水体环境场景的环境监测和海洋导航 定位领域，具体地讲是一种基于GNSS的海表水位、海浪、海流、大气水汽含量 的实时高精度测量方法。

技术介绍

[0002]海表水位、海浪、海流、大气水汽含量是海洋环境监测的重要参数，监测 其变化并研究其规律，对人类海上活动及海洋与气候的减灾防灾具有重要意义。 近几十年来，随着人类对海洋开发活动不断增加，大大促进了海表观测方法的 研究和仪器设备的研制。目前，已经出现了多种海表测量仪器，例如大型水文 气象浮标、加速度计测波仪、GNSS浮标验潮仪等。其中GNSS浮标利用了全球导 航卫星系统(GNSS)获取浮标载体的三维空间位置和时间信息，而且具有良好 的连续监测特性，可以通过位置信息来有效反演海表水位、海浪要素。GNSS浮 标结合现有的GNSS技术，可以有效观测海表水位、海浪信息，具有系统简单、 成本低、体积小等优点。例如自然资源部第一海洋研究所，申请号是 202111084002.X的“一种基于表层漂流浮标的海流测量方法”，需要安装四个 GNSS定位模块，而且需要额外安装姿态传感器，但是浮标的定位精度仅仅达到 优于0.6m，因此实时定位精度低。中国海洋大学，申请号是202111454338.0的
ꢀ“
用于测量二维海面高度的毯载GNSS浮标及测量方法”需要利用额外的浮毯搭 载GNSS天线，浮毯固定于橡皮船上，橡皮船内搭载GNSS接收机，而且浮毯需 要保持足够稳定才能保持其GNSS天线水平；为了降低浮毯的搭载重量，需要将 控制系统和供电系统等安装在额外的充气船上，因此该专利申请需要多个额外 设备，该专利申请未说明GNSS定位数据处理方法，也未说明GNSS实时定位精 度。
[0003]上述两项技术若要实现实时高精度定位，都要将浮标GNSS观测值全部传回 数据处理中心进行实时解算，这需要大量的通讯带宽，从而产生了通讯成本， 尤其是远海卫星通讯成本高，并且通讯降低了海洋监测的实时性；或者都要额 外的实时精密差分改正服务，这极大增加了精密差分改正所需要的服务成本和 通讯成本。
[0004]申请号是201510121794.1的“一种基于GNSS
‑
R技术的河流流速测量方法 与系统”中国科学院空间科学与应用研究中心申请的专利技术，需要利用GNSS 直接信号天线和反射信号天线，对所接收的GNSS直接信号与反射信号做下变频 与采样，并且处理GNSS反射信号获取残差相位输出值。
[0005]GNSS RTK(Real
‑
Time Kinematic)实时载波相位差分技术和PPK (Post
‑
Processing Kinematic)动态后处理差分技术均可得到厘米级精度的定 位结果，但是这些方法都依赖于基站，有效作用距离限制在离岸几十公里以内 的海域，无法应用于远海场景。
[0006]PPP(Precise Point Positioning)精密单点定位技术不受距离限制，不 需要从一个或多个近距离基站获取数据，但是卫星轨道和钟差产品的精度是影 响PPP定位精度的重要因素。高精度PPP依赖于高精度的GNSS卫星轨道、钟差 等改正产品，实时高精度PPP方
法需要额外的实时精密差分改正产品，极大增 加了精密差分改正所需要的服务成本和通讯成本，降低了实时场景的应用性价 比。
[0007]综上所述，现有的基于GNSS的海表测量主要有如下缺点：
[0008](1)若要实现实时厘米级的海表测量精度，要将浮标GNSS观测值全部传回 数据处理中心进行实时解算，这需要大量的通讯带宽，从而产生了通讯成本， 尤其是远海卫星通讯成本高，并且通讯降低了海洋监测的实时性；若将浮标GNSS 观测在浮标本地进行实时解算，则需要额外的差分改正服务。其中，在近海需 要与陆地通讯获得差分改正服务，在远海则需要从通讯卫星获得差分改正服务， 因此增加了购买差分改正服务和通讯的成本。
[0009](2)若要实现事后厘米级的海表测量精度，要将浮标GNSS观测数据传回数 据处理中心进行事后解算，这需要大量的通讯带宽，从而产生了通讯成本，尤 其是远海卫星通讯成本；若回收浮标后读取GNSS数据进行解算，一方面增加了 回收操作的成本，自动化程度差，另一方面也增加了浮标存储大量GNSS数据的 成本。
[0010](3)若将浮标GNSS观测在浮标本地进行实时解算，则需要额外的差分改正 服务。其中，在近海需要与陆地通讯获得差分改正服务，在远海则需要从通讯 卫星获得差分改正服务，因此增加了购买差分改正服务和通讯的成本。
[0011]由以上分析不难了解，目前传统的GNSS海表测量方法在实时高精度测量方 面存在极大劣势和限制。随着GNSS技术的不断发展，突破实时高精度海表测量 方法的瓶颈，是提高海表业务化实时测量时效和海表要素参数反演精度的核心， 可直接为全球海洋海表要素信息反演提供技术支持。目前尚未发现利用本专利 申请的方法，综合测量海表水位、海浪、海流、大气水汽含量等多要素的技术。

技术实现思路

[0012]为克服上述技术中的缺陷，本专利技术提出了一种只需要搭载一个GNSS接收机 (或板卡)，普遍适用于近海和远海场景，直接使用GNSS卫星免费播发、免费 使用的广播星历，以及我国北斗卫星的精密单点定位(PPP)服务空间信号 PPP
‑
B2b，或者欧盟Galileo卫星的高精度服务空间信号HAS(High
‑
AccuracyServices)，或者日本QZSS卫星的厘米级增强服务空间信号CLAS (Centimeter
‑
Level Augmentation Service)，无需购买额外的精密差分改正 服务及其通讯，就可获得实时的厘米级至分米级精度的浮标位置，以及实时高 精度的海表要素测量结果，包括时间、经度、纬度、水位、波高、波周期、波 向、海表流速和流向、大气水汽含量等要素信息；最后，可将这些要素信息存 储在浮标本地或者通讯传回，能够节省购买额外精密差分改正服务、通讯及存 储成本的一种基于北斗/GNSS的实时高精度海表测量方法及浮标。
[0013]本专利技术目的是由以下技术方案实现的：
[0014](1)采用搭载双频或多频GNSS的浮标，实时采集高频GNSS卫星定位电磁 波信号以及北斗卫星的精密单点定位(PPP)服务空间信号PPP
‑
B2b，将其转换 成相位、伪距观测值、广播星历及其改正数，并发送至浮标的处理器；
[0015](2)利用广播星历及其改正数，实时计算获得GNSS精密卫星轨道、钟差、 伪距偏差，进行精密单点定位解算，顾及大气延迟误差的处理，实时求解GNSS 单天线每个历元的经度、纬度、大地高、对流层延迟；
[0016](3)返回重复(1)～(2)的步骤，持续10
‑
30分钟，达到一定数据量， 直至完成精密单点定位的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于北斗/GNSS的实时高精度海表测量方法，其步骤如下：(1)采用搭载双频或多频GNSS的浮标，实时采集高频GNSS卫星定位电磁波信号以及北斗卫星的精密单点定位(PPP)服务空间信号PPP
‑
B2b，将其转换成相位、伪距观测值、广播星历及其改正数，并发送至浮标的处理器；(2)利用广播星历及其改正数，实时计算获得GNSS精密卫星轨道、钟差、伪距偏差，进行精密单点定位解算，顾及大气延迟误差的处理，实时求解GNSS单天线每个历元的经度、纬度、大地高、对流层延迟；(3)返回重复(1)～(2)的步骤，持续10
‑
30分钟，达到一定数据量，直至完成精密单点定位的初始化收敛；(4)实时精密单点定位求解每个历元的GNSS天线的经度、纬度、大地高、对流层延迟；基于精密单点定位估计的天顶对流层延迟，求得大气水汽含量；利用计算的实时精密卫星轨道、钟差和相位历元差分观测方程求解GNSS天线的三维速度、加速度，然后利用GNSS单天线解算姿态角，包括方位角、俯仰角和横滚角，然后基于GNSS天线的大地高、姿态角、静态吃水GNSS天线到水面的杆臂矢量，计算水面各个历元的大地高，求得水位；(5)采用15
‑
30分钟的滑动时间窗口，重复(1)～(4)的步骤，基于GNSS天线各个历元的大地高，求得波浪波高、周期要素信息，或者通过GNSS天线的垂向、东西、南北方向的位移，由互相关函数计算交叉谱，然后通过方向谱分析方法，求得海浪方向谱、频谱，进而求得波高、周期、波向；利用滑动时间窗口内GNSS天线的东西和南北方向的水平位移和时间间隔，求得海表近似平均流速、流向；(6)将实时计算的这些滑动时间窗口时段的海表要素信息，存储在浮标本地，或者实时定期通讯传回。2.根据权利要求1所述的一种基于北斗/GNSS的实时高精度海表测量方法，其特征在于利用北斗PPP
‑
B2b信号获取改正广播星历，改正GNSS广播星历的卫星轨道和钟差信息包括的参数为轨道改正向量δO在径向、切向和法向的分量；轨道改正值用于计算卫星位置改正向量δX，联合利用广播星历计算出的卫星位置向量X
broadcast
，改正的计算公式见公式(7)：X
orbit
＝X
broadcast
‑
δX
ꢀꢀꢀꢀ
(7)式中，X
orbit
为由轨道改正电文改正得到的卫星位置，X
broadcast
为广播星历计算得到的卫星位置，其IOD与轨道改正电文的IODN匹配，δX为卫星位置改正；卫星位置改正δX的计算方法见公式(8)至公式(11)：卫星位置改正δX的计算方法见公式(8)至公式(11)：e
along
＝e
cross
×
e
radial
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)δX＝[e
radial e
along e
cross
]
·
δO
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)式中，r＝X
broadcast
为广播星历卫星位置矢量，为广播星历卫星速度矢量，δO为PPP
‑
B2b信息中获得的轨道改正矢量，顺序为轨道径向、切向和法向分量；
钟差改正电文包括的参数是相对于广播星历钟差的改正参数；该改正参数的使用方法见公式(12)：式中，t
satellite
为经过钟差改正电文改正得到的卫星钟差，t
broadcast
为广播星历计算得到的卫星钟差参数，c为光速，c0为PPP
‑
B2b电文中获得的钟差改正参数；利用公式(7)～(12)获取改正后的精密卫星轨道、钟差，利用改正后的精密卫星轨道、钟差，进行精密单点定位求解天线三维坐标和对流层延迟。3.根据权利要求1或2所述的一种基于北斗/GNSS的实时高精度海表测量方法，其特征在于基于实时获取的GNSS天线垂直位移获取波高与周期，采用谱分析方法，由位移时间序列得到波浪参数，计算公式见(13)～(15)：计算公式见(13)～(15)：T
m
＝m0/m1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)式中，f为频率，S(f)为功率谱密度，m
n
为n阶谱矩，H
m0
为由频谱得到的有效波高，T
m
为平均周期，由于一般波浪周期为0.1
‑
30秒，采用高通滤波器消除低于0.01Hz频率的低频位移数据；GNSS的采样频率是2.5Hz以上。4.根据权利要求1或2所述的一种基于北斗/...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘杨，乔方利，王亚彬，刘焱雄，王岩峰，
申请(专利权)人：自然资源部第一海洋研究所，
类型：发明
国别省市：