【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种单频卫星浮标时间差分载波相位波浪参数反演方法及系统，属于海洋波浪参数提取。
技术介绍
1、在现有的海洋波浪观测技术中，传统浮标和卫星遥感方法存在成本高、数据处理复杂、需定期校准和测量精度受限等问题。全球导航卫星系统（gnss）浮标，特别是单频gnss浮标，因其成本效益、设置简便和免校准的特点成为海浪监测的有力候选者。传统的gnss浮标处理技术，如差分后处理方法（ppk）和精密单点定位（ppp），虽提供了相对位移的精确记录，但存在依赖地面站、数据处理资源需求大以及实时数据获取能力有限的局限。多普勒频移法虽能实时监测，但面临环境干扰和数据精度波动的挑战。
2、现有gnss（全球卫星导航系统）浮标技术存在以下弊端：
3、精度问题: 现有gnss浮标技术可能无法在单频gnss系统上达到高精度的波浪周期和有效波高参数的测量。
4、数据处理效率: 现有gnss浮标在数据处理上可能存在效率低下的问题。
5、成本效益: 多频gnss系统设备成本较高，而单频gnss设备相对便宜，但其数据质量和测量能力常受限于较低的信噪比和分辨率。
6、实时性: 现有技术在实时获取和处理波浪参数方面可能存在延迟。
7、例如，中国专利公开号cn114620186a，公开了一种小型化海洋测波浮标装置与测波及风要素反演方法，包括浮标体外壳、测量控制系统、通信传输系统、锚链和配重；测量控制系统包括电源模块、微控制器模块、数据存储模块和加速度传感器模块；电源模块用于为整个装置供电；数据
8、因此，需要研究一种单频卫星浮标时间差分载波相位波浪参数反演方法及系统，能够提高单频gnss浮标在海波参数反演中的精确度；能够更快速地从原始gnss数据中提取波浪参数；成本效益更高的解决方案，同时不牺牲测量结果的可靠性；能够实现更快的数据处理和近乎实时的波浪参数更新。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是：提供一种单频卫星浮标时间差分载波相位波浪参数反演方法及系统，能够提高单频gnss浮标在海波参数反演中的精确度；能够更快速地从原始gnss数据中提取波浪参数；成本效益更高的解决方案，同时不牺牲测量结果的可靠性；能够实现更快的数据处理和近乎实时的波浪参数更新。
2、本专利技术所述的一种单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法，包括：
3、步骤s1、载波相位观测数据采集：采集gnss单频接收机的载波相位观测数据；
4、步骤s2、载波相位测量模型构建及差分：通过载波相位测量模型构建几何距离、时钟误差、大气延迟和整周模糊度多个分量的组合，执行载波相位观测值的差分处理，得到接收机的位移信息；
5、步骤s3、最小二乘解算：基于差分的观测方程来求解接收机位置变化和时钟偏差变化，进而求解接收机的速度，通过对垂直方向的速度进行积分，获得海面高度数据；
6、步骤s4、海浪周期和有效波高参数计算：通过海面高度数据计算海浪周期和有效波高参数。
7、选择使用l1单频gnss信号而非lc双频组合，在海洋波浪监测应用中，单频信号在数据处理的简便性和存储空间占用上具有明显优势。同时，通过对算法进行优化，l1单频信号的波浪参数反演精度能够满足甚至超越传统lc双频信号的性能，从而有效地降低了设备成本并提高了工作效率。
8、优选的，所述步骤s1中以1hz采样率捕获相位变化信息。
9、1hz的数据采样率在捕捉到波浪动态特性的同时，能够减少数据处理负担，并与真实的海洋波浪活动高度吻合。这一采样率的优化不仅提高了波浪参数反演的时效性，也确保了数据处理的实用性和经济性。
10、优选的，所述载波相位测量模型构建表达如下：
11、；
12、其中，是频率信号的波长；是接收机与卫星之间的频率的载波相位观测值；
13、是接收机与卫星之间的几何距离；是光速；和分别是接收机和卫星的时钟误差；是载波相位的整周模糊度；和分别是电离层和对流层的延迟误差；包括多路径和其他剩余误差的随机测量噪声。
14、优选的，所述步骤s2具体包括如下步骤：
15、步骤s201、载波相位测量模型构建：载波相位测量模型作为gnss数据处理中用于估计接收机至卫星间距离的关键表达式，具体表达为：
16、；
17、其中，是频率信号的波长；是接收机与卫星之间的频率的载波相位观测值；
18、是接收机与卫星之间的几何距离；是光速；和分别是接收机和卫星的时钟误差；是载波相位的整周模糊度；和分别是电离层和对流层的延迟误差；包括多路径和其他剩余误差的随机测量噪声；
19、步骤s202、载波相位差分：从连续的载波相位观测值中提取速度信息，执行载波相位观测值的差分处理，具体表达为：
20、；
21、其中，δ代表时间序列中两个连续观测值的差值；
22、步骤s203、差分卫星距离：通过差分两个连续历元的卫星和接收机之间的几何距离，可以得到接收机的位移信息；具体的计算步骤如下:
23、首先，计算两个连续历元的卫星到接收机的单位方向向量；然后，利用以下公式计算差分卫星距离:
24、；
25、其中，代表接收机在两个历元之间的位置变化，和分别表示第个历元的卫星和接收机的坐标向量。
26、优选的，所述步骤s3具体包括如下步骤：
27、步骤s301、误差方程：建立基于差分的观测方程来求解接收机位置变化和时钟偏差，具体步骤如下：
28、构建时间差分载波相位的误差方程：
29、；
30、其中，代表观测值与计算值之间的残差；是基于观测值构建的向量，包含差分的载波相位观测值和误差的差分值:
31、；
32、步骤s302、周跳探测与修复：在速度估计之前检测并修复的周跳；
33、步骤s303、最小二乘解算：使用超过四颗卫星的观测数据，通过最小二乘方法解算接收机的位置变化。
34、优选的，所述最小二乘解算，具体的计算步骤如下:
35、a.设计矩阵构建: 基于时间差分载波相位的误差方程，构建设计矩阵a；b.法方程建立: 使用设计矩阵和差分载波相位观测量，构建法方程），其中是权矩阵，表示各观测量的精度；是观测量向量，即差分观测值； d.残差计算与评估：计算残差来评估观测值与模型的拟合程度；e. 结果验证: 残差分析模型的不足或数据的问题，进行模型修正或数据清理；f. 接收机速度求解: 利用位置变化量和相应的时间间隔，求解接收机的速度，即。
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1.一种单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法，其特征在于，所述步骤S1中以1Hz采样率捕获相位变化信息。
3.根据权利要求1所述的单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法，其特征在于，所述载波相位测量模型构建表达如下：
4.根据权利要求1所述的单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括如下步骤：
6.根据权利要求5所述的单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法，其特征在于，所述最小二乘解算，具体的计算步骤如下:
7.根据权利要求1所述的单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法，其特征在于，所述有效波高通过如下公式计
9.根据权利要求7所述的单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法，其特征在于，所述平均波周期使用零穿越方法和能量加权平均波频的公式确定：
10.一种用于实现权利要求1-9任一项所述的单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法的系统，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法，其特征在于，所述步骤s1中以1hz采样率捕获相位变化信息。
3.根据权利要求1所述的单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法，其特征在于，所述载波相位测量模型构建表达如下：
4.根据权利要求1所述的单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法，其特征在于，所述步骤s2具体包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法，其特征在于，所述步骤s3具体包括如下步骤：
6.根据权利要求5所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨磊，张薇，王永康，张冲，姜英明，刘娜，林丽娜，
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：
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