本發(fā)明涉及海上波浪和潮位測(cè)量方法，特別是涉及利用北斗系統(tǒng)和衛(wèi)星浮標(biāo)的海上波浪和潮位測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

海洋波浪數(shù)據(jù)和潮位數(shù)據(jù)是重要的海洋水文觀測(cè)要素，主要包含波高、波周期、波向以及潮位。深遠(yuǎn)海波浪、潮位的精準(zhǔn)化測(cè)量和預(yù)報(bào)對(duì)遠(yuǎn)洋航運(yùn)、科學(xué)研究、防災(zāi)減災(zāi)和國(guó)防軍事具有十分重要的意義，同時(shí)對(duì)又好又快實(shí)現(xiàn)“海上絲綢之路”國(guó)家戰(zhàn)略具有巨大的促進(jìn)作用。我國(guó)對(duì)適用于深遠(yuǎn)海的波浪潮位測(cè)量?jī)x器設(shè)備有著巨大需求。

波浪浮標(biāo)是測(cè)量波浪數(shù)據(jù)的重要設(shè)備，潮位測(cè)量?jī)x是測(cè)量潮位數(shù)據(jù)重要設(shè)備。

波浪浮標(biāo)測(cè)量波浪數(shù)據(jù)，根據(jù)工作原理不同，主要可分為重力加速度式和衛(wèi)星定位式。重力加速度式波浪浮標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備昂貴、數(shù)據(jù)傳輸距離短，不適用深遠(yuǎn)海海域。衛(wèi)星定位式波浪浮標(biāo)采集衛(wèi)星定位信號(hào)和輔助定位差分信號(hào)。根據(jù)輔助定位差分信號(hào)源的獲取方式不同，又分為地基差分增強(qiáng)技術(shù)和星基差分增強(qiáng)技術(shù)。其中，地基增強(qiáng)方式中，將采用蓄電池供電的差分信號(hào)發(fā)送裝置(也稱基準(zhǔn)站)放置在地勢(shì)較高的岸邊，此時(shí)差分信號(hào)采用高頻通信，工作距離小于15km，并且耗電量較大。因此，地基差分增強(qiáng)技術(shù)存在地勢(shì)選址難、工作距離較近和續(xù)航時(shí)間較短的限制，從而無(wú)法測(cè)量深遠(yuǎn)海波浪和潮位數(shù)據(jù)。在星基增強(qiáng)方式中，將帶有太陽(yáng)能電池板的太空通信衛(wèi)星作為基準(zhǔn)站，此時(shí)通信工作距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，可用于測(cè)量深遠(yuǎn)海波浪和潮位數(shù)據(jù)。

根據(jù)工作原理不同，潮位測(cè)量?jī)x主要可分為浮子式和壓力式。前者需要沿海臺(tái)站的驗(yàn)潮井配合測(cè)量，后者受限于線纜長(zhǎng)度較短，因此兩者均存在不足之處，都不適用于深遠(yuǎn)海的潮位測(cè)量。

同時(shí)，現(xiàn)有波浪與潮位的測(cè)量獨(dú)立實(shí)施，無(wú)法聯(lián)合測(cè)量波浪和潮位數(shù)據(jù)，存在數(shù)據(jù)融合困難的問(wèn)題，人為地割裂了波浪和潮位的天然內(nèi)在關(guān)系。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種基于星基差分增強(qiáng)技術(shù)的深遠(yuǎn)海波浪和潮位測(cè)量方法，以北斗系統(tǒng)為主平臺(tái)，配合GPS系統(tǒng)，采用星基差分增強(qiáng)技術(shù)，形成融合定位技術(shù)，完成全球范圍內(nèi)深遠(yuǎn)海波浪和潮位測(cè)量工作。

實(shí)現(xiàn)方法是通過(guò)在浮標(biāo)中安裝一個(gè)北斗/GPS衛(wèi)星定位接收板卡、一個(gè)星基差分信號(hào)接收模塊，形成一種基于星基增強(qiáng)技術(shù)、帶有太陽(yáng)能電池板的衛(wèi)星浮標(biāo)。衛(wèi)星浮標(biāo)同時(shí)接收衛(wèi)星定位信號(hào)和星基差分信號(hào)，通過(guò)計(jì)算得出衛(wèi)星浮標(biāo)的三維位置坐標(biāo)。然后對(duì)衛(wèi)星浮標(biāo)三維位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算出波浪數(shù)據(jù)和潮位數(shù)據(jù)。最后通過(guò)北斗衛(wèi)星特有短報(bào)文通信模式，將波浪數(shù)據(jù)和潮位數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)桨墩緮?shù)據(jù)接收系統(tǒng)。

該方法可實(shí)現(xiàn)深遠(yuǎn)海海域的波浪和潮位數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程在線同步測(cè)量和遠(yuǎn)距離傳輸，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)外技術(shù)空白。同時(shí)，該方法不需要使用重力加速度傳感器、壓力傳感器等多種傳感器，不需要地面基準(zhǔn)站，使用方便、測(cè)量可靠。并且浮標(biāo)自帶太陽(yáng)能電池板，能長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定工作，具有續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。

本發(fā)明涉及的基于星基差分增強(qiáng)技術(shù)的深遠(yuǎn)海波浪和潮位測(cè)量方法，技術(shù)步驟包括：接受衛(wèi)星定位信號(hào)和星基差分信號(hào)、計(jì)算衛(wèi)星浮標(biāo)三維位置數(shù)據(jù)、分離波浪數(shù)據(jù)和潮位數(shù)據(jù)、計(jì)算波浪數(shù)據(jù)、計(jì)算潮位數(shù)據(jù)、波浪潮位數(shù)據(jù)傳輸至岸站數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。

S1、接收衛(wèi)星定位信號(hào)和星基差分信號(hào)

多顆已有的北斗和GPS衛(wèi)星組成空間定位衛(wèi)星群，它們連續(xù)不斷地發(fā)射衛(wèi)星定位信號(hào)，達(dá)到米級(jí)定位。7顆Inmarsat(海事衛(wèi)星)衛(wèi)星組成差分信號(hào)衛(wèi)星群，它們連續(xù)不斷發(fā)射用于消除衛(wèi)星定位誤差、輔助精密定位的星基差分信號(hào)，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位。衛(wèi)星浮標(biāo)同時(shí)接收衛(wèi)星定位信號(hào)和星基差分信號(hào)。

S2、計(jì)算衛(wèi)星浮標(biāo)位置數(shù)據(jù)

衛(wèi)星浮標(biāo)根據(jù)采集到的衛(wèi)星定位信號(hào)和星基差分信號(hào)，執(zhí)行衛(wèi)星差分定位分析方法，計(jì)算出浮標(biāo)在ECEF(Earth-Centered,Earth-Fixed，地心地固)坐標(biāo)系中的三維位置坐標(biāo)X_u、Y_u、Z_u，其中X_u、Y_u、Z_u分別表示浮標(biāo)在ECEF坐標(biāo)系中沿X軸、Y軸和Z軸方向上的坐標(biāo)。

S3、分離波浪數(shù)據(jù)和潮位數(shù)據(jù)

采用信號(hào)濾波技術(shù)，從衛(wèi)星浮標(biāo)的三維坐標(biāo)中分離出波浪的三維位置坐標(biāo)X₁、Y₁、Z₁和潮位的高程坐標(biāo)Z₂。

S4、計(jì)算波浪數(shù)據(jù)

對(duì)波浪數(shù)據(jù)X₁、Y₁、Z₁進(jìn)行運(yùn)算，得到當(dāng)?shù)睾Ｓ虿ǜ?、波周期、波向?shù)據(jù)。

S5、計(jì)算潮位數(shù)據(jù)

根據(jù)當(dāng)?shù)睾Ｓ虺蔽换鶞?zhǔn)面坐標(biāo)Z₀和潮位高程坐標(biāo)Z₂，計(jì)算得到潮位潮高H。

S6、波浪和潮位數(shù)據(jù)傳輸至岸站數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)

將衛(wèi)星浮標(biāo)測(cè)量的波浪數(shù)據(jù)和潮位數(shù)據(jù)，利用北斗短報(bào)文遠(yuǎn)距離傳輸至岸站數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。

本發(fā)明所涉及的基于星基差分增強(qiáng)技術(shù)深遠(yuǎn)海波浪和潮位的測(cè)量方法，通過(guò)在衛(wèi)星浮標(biāo)中安裝一個(gè)北斗/GPS衛(wèi)星定位接收板卡、一個(gè)星基差分信號(hào)接收模塊，就可以測(cè)量出全球范圍內(nèi)、深遠(yuǎn)海中的波浪和潮位。本發(fā)明所涉及的測(cè)量方法具有測(cè)量距離遠(yuǎn)、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)量可靠性高、測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)便、性價(jià)比高、不受地勢(shì)地域限制等特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所涉及的基于星基增強(qiáng)技術(shù)的深遠(yuǎn)海波浪和潮位測(cè)量示意圖。

圖2為本發(fā)明所涉及的基于星基增強(qiáng)技術(shù)的深遠(yuǎn)海波浪和潮位測(cè)量方法流程圖。

圖3本發(fā)明所涉及的深遠(yuǎn)海波浪和潮位測(cè)量方法采用的衛(wèi)星浮標(biāo)的下殼部分結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4本發(fā)明所涉及的深遠(yuǎn)海波浪和潮位測(cè)量方法采用的衛(wèi)星浮標(biāo)的上殼部分結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中標(biāo)記說(shuō)明：

1、GPS定位衛(wèi)星群 2、北斗定位衛(wèi)星群

3、差分信號(hào)衛(wèi)星 4、衛(wèi)星浮標(biāo)

5、衛(wèi)星浮標(biāo)開(kāi)關(guān) 6、衛(wèi)星天線

7、岸站數(shù)據(jù)接收系統(tǒng) 8、深遠(yuǎn)海海面

9、岸邊陸地 10、衛(wèi)星浮標(biāo)下殼部分

11、數(shù)據(jù)運(yùn)算/發(fā)送模塊 12、高能鋰電池

13、接線端子 14、衛(wèi)星浮標(biāo)上殼部分

15、太陽(yáng)能電池板

具體實(shí)施方式

本發(fā)明利用衛(wèi)星定位技術(shù)和星基差分增強(qiáng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)深遠(yuǎn)海波浪和潮位數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程在線測(cè)量功能。具體實(shí)施方式如下：

①衛(wèi)星浮標(biāo)接收衛(wèi)星定位信號(hào)和星基差分信號(hào)

衛(wèi)星浮標(biāo)4由兩部分組成，下殼部分10和上殼部分14。下殼部分主要部件：數(shù)據(jù)運(yùn)算/發(fā)送模塊11，高能鋰電池12，接線端子13。上殼部分主要部件：衛(wèi)星浮標(biāo)開(kāi)關(guān)5，衛(wèi)星天線6、太陽(yáng)能電池板15。

衛(wèi)星定位信號(hào)由北斗定位衛(wèi)星和GPS定位衛(wèi)星發(fā)射，包括北斗衛(wèi)星空間坐標(biāo)值(x_B，y_B，z_B)和GPS衛(wèi)星空間坐標(biāo)值(x_G，y_G，z_G)，這些數(shù)據(jù)都能通過(guò)精密星歷精確獲得，都是已知量。

星基差分信號(hào)η_B由7顆Inmarsat(海事衛(wèi)星)衛(wèi)星發(fā)射，其作用是消除定位誤差。η_B＝cτ_B，s-T_B，iono+T_B，tron+ε_r，表示衛(wèi)星定位過(guò)程中產(chǎn)生的、需要進(jìn)行消除的總誤差項(xiàng)。

星基差分信號(hào)η_B消除定位誤差的過(guò)程如下。

衛(wèi)星浮標(biāo)的位置坐標(biāo)為P_u＝(X_u，Y_u，Z_u)，是待求的未知量。衛(wèi)星浮標(biāo)接收北斗和GPS定位信號(hào)，其與北斗衛(wèi)星及與GPS衛(wèi)星之間距離分別如式(1)、(2)所示。

式中：

ρ_B：接收機(jī)與北斗衛(wèi)星之間距離；

ρ_G：接收機(jī)與GPS衛(wèi)星之間距離；

c：光速；

τ_G，s：GPS系統(tǒng)星載時(shí)鐘誤差；

τ_B，s：北斗星載時(shí)鐘誤差；

T_G，iono：GPS衛(wèi)星電離層傳輸延遲誤差；

T_B，iono：北斗衛(wèi)星電離層傳輸延遲誤差；

T_G，tron：GPS衛(wèi)星對(duì)流層傳輸延遲誤差；

T_{B，tron}：北斗衛(wèi)星對(duì)流層傳輸延遲誤差；

ε_r：接收機(jī)內(nèi)部熱噪聲。

衛(wèi)星浮標(biāo)接收到的星基差分信號(hào)η_B屬于已知量，消除η_B誤差后，分別可得到衛(wèi)星浮標(biāo)與北斗和GPS距離如式(3)和式(4)所示。

②計(jì)算衛(wèi)星浮標(biāo)位置數(shù)據(jù)

已知衛(wèi)星浮標(biāo)與北斗衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星的距離公式中包含4個(gè)未知變量，根據(jù)定位原理，分別至少需要接收4顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)，才能形成可解方程組。

本發(fā)明接收盡量多的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，形成超定方程，可進(jìn)一步驗(yàn)算求解結(jié)果。目前全天時(shí)可接收(8～10)顆北斗衛(wèi)星信號(hào)和(6～9)顆GPS衛(wèi)星信號(hào)，完全能滿足求解需求。

對(duì)i顆北斗衛(wèi)星可列出由i個(gè)方程組成的方程組：

對(duì)j顆GPS衛(wèi)星可列出由j個(gè)方程組成的方程組：

計(jì)算出衛(wèi)星浮標(biāo)在ECEF坐標(biāo)系中的三維位置坐標(biāo)X_u、Y_u、Z_u，其中X_u、Y_u、Z_u分別表示衛(wèi)星浮標(biāo)在ECEF坐標(biāo)系中沿X軸、Y軸和Z軸方向上的坐標(biāo)。

③分離波浪數(shù)據(jù)和潮位數(shù)據(jù)。

采用巴特沃斯濾波器，從衛(wèi)星浮標(biāo)的三維位置坐標(biāo)X_u、Y_u、Z_u中分離出波浪的三維位置坐標(biāo)X₁、Y₁、Z₁，其中X₁、Y₁、Z₁分別表示當(dāng)?shù)睾Ｓ虿ɡ嗽贓CEF坐標(biāo)系中沿X軸、Y軸和Z軸方向上的坐標(biāo)。

采用傅里葉低通濾波器，從衛(wèi)星浮標(biāo)的高程位置坐標(biāo)Z_u中分離出潮位的高程坐標(biāo)Z₂，其中Z₂表示當(dāng)?shù)睾Ｓ虺蔽辉贓CEF坐標(biāo)系中沿Z軸方向上的坐標(biāo)。

④計(jì)算波浪數(shù)據(jù)

對(duì)波浪數(shù)據(jù)中的三維位置坐標(biāo)X₁、Y₁、Z₁利用式(7)、(8)得到當(dāng)?shù)睾Ｓ虿ɡ瞬ǜ逪_w、波向θ數(shù)據(jù)。

H_w＝Z_1max-Z_1min (7)

根據(jù)上跨零點(diǎn)法，在測(cè)量波高H_W過(guò)程中，通過(guò)計(jì)數(shù)定時(shí)得到兩相鄰波浪的過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻t₁和t₂，利用式(9)得到波周期T。

T＝|t₂-t₁| (9)

⑤計(jì)算潮位數(shù)據(jù)

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，確定當(dāng)?shù)睾Ｓ虺备呋鶞?zhǔn)面在ECEF坐標(biāo)系中沿Z軸方向上的坐標(biāo)值Z₀(Z₀可由全球海平面高度觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)定，是已知量)，根據(jù)已知潮位高程坐標(biāo)Z₂，計(jì)算得到潮位數(shù)據(jù)H，其中H＝Z₂-Z₀。

⑥波浪、潮位數(shù)據(jù)傳輸至岸站數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)

將衛(wèi)星浮標(biāo)測(cè)量的深遠(yuǎn)海波浪和潮位數(shù)據(jù)，通過(guò)北斗短報(bào)文系統(tǒng)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)桨墩緮?shù)據(jù)接收系統(tǒng)7，完成深遠(yuǎn)海波浪數(shù)據(jù)和潮位數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程在線測(cè)量功能。