一种海上卫星大地坐标的高程拟合方法与装置与流程

1.本发明涉及海上通信定位技术领域，尤其涉及一种海上卫星大地坐标的高程拟合方法与装置。


背景技术：

2.现有技术中，导航定位技术主要是通过卫星定位和地面公共点共同实现。例如，在陆地上的地面导航技术中，通常通过卫星给接收机发送位置信息，同时获取公共点数据，利用一些计算规则来获取地面目标的位置定位，例如获取地面目标的平面直角坐标x方向，y方向等。但是，如果要对海上目标进行定位，由于海上公共点数据稀缺以及传统陆地的地面定位在三维空间定位技术方面的不足等原因，很难对海上目标的正常高进行精确计算，从而造成海上导航偏差，不利于海上活动的开展。
3.综上所述，现有技术中存在海上目标正常高的计算方法缺失，计算精度偏低的技术问题。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供如下方案。
5.一方面，本发明提供一种海上卫星大地坐标的高程拟合方法，包括：获取当前海上目标的卫星定位数据；基于egm96高程数据模型对所述卫星定位数据进行拟合，计算获取所述当前海上目标的高程异常；根据所述高程异常和所述卫星定位数据，计算得到所述当前海上目标的正常高。
6.具体地，所述卫星定位数据包括所述当前海上目标所处的经度、纬度以及大地高。
7.优选地，所述的根据所述高程异常和所述卫星定位数据，计算得到所述当前海上目标的正常高，包括：根据所述高程异常和所述大地高，计算得到所述当前海上目标的正常高。
8.优选地，所述的根据所述高程异常和所述大地高，计算得到所述当前海上目标的正常高，包括：将所述高程异常和所述大地高相加，计算得到所述当前海上目标的正常高。
9.优选地，所述的获取当前海上目标的卫星定位数据，包括：采用平差拟合算法，通过gnss获取所述卫星定位数据。
10.优选地，所述的基于egm96高程数据模型对所述卫星定位数据进行拟合，计算获取所述当前海上目标的高程异常，包括：基于egm96高程数据模型，计算所述卫星定位数据的球谐系数以获得361阶矩阵数据；根据所述361阶矩阵数据进行递减回归运算，计算获取所述当前海上目标的高程异常；
其中，球谐系数是将地球表面观测的高程异常展开成球谐函数的级数：p
nm
是完全归一化的缔合勒让德多项式,归一化的缔合勒让德多项式计算方法是标准前向列递推公式：公式中，θ为纬度,为经度；n是系数矩阵中的行下标，m是系数矩阵中的列下标；系数矩阵是指一个n*m个数字的矩阵，从egm96系数文件读取c，s值得到；a是cos函数前的系数，该系数是n行，m列的egm96系数表中的c数字；b是sin函数前的系数，该系数是n行，m列的egm96系数表中的s数字；ι是指一个随着行标变化的变量；p为缔合勒让德多项式矩阵，p
nm
是指p这个矩阵中第n行和第m列的那个数字；a
nm
和b
nm
是公开的球谐系数；采用加密系数矩阵表示真实的大地坐标点的高程异常与球谐系数计算值之间的差；所述加密系数矩阵的获得方法为：通过海上石油平台的现有数据，使用克里金插值计算加密系数矩阵；其中，高程异常满足随机场的两个假设，假设一为随机场的数学期望存在；假设二为对随机场内任意两点，其协方差函数仅是点间向量的函数；克里金插值的具体方法为：半变异函数是计算研究区域内高程异常差变化的关键；高程异常差定义为高程异常差z(x)在点x和x+h 处数值之差的方差之半，其表达式为: 对于任意的h，实验半变异函数γ* ( x，h) 可以表示为:任意一点x0处的高程异常差待估值z
* (x0)是周围实测值z(xi) 的线性组合，即:
式中，λi为权重系数; z
* (x0) 为点x0处的高程异常差待估值; z(xi) 为已知点i = 1，2，3，
…
，n 处的高程异常差实测值；根据无偏约束条件可推导出:根据最小方差条件，可得:公式中，γ(xi，xj) 为高程异常差采样点xi和xj的理论变异函数；联立可构成n+1个方程，未知量为n 个权重系数λi和1个均值m，利用克里金插值方程组求解如下: 通过矩阵求逆，求出λi，带入周围实测值z(xi) 的线性组合公式，预测出在位置x0处的高程异常差。
11.优选地，所述的采用平差拟合算法，通过gnss获取所述卫星定位数据，包括：利用基线矢量作为观测值，并利用测点坐标作为未知数，进行参数约束平差；测点坐标为空间三维直角坐标，参数约束包含对测点坐标的先验精度的输入，平差系数按最小二乘法求取；使用观测坐标带入观测方程，以得到所述空间三维直角坐标的定位数据；利用所述空间三维直角坐标的定位数据，通过gnss获取所述卫星定位数据；其中，测量里同精度的观测值都呈正态分布： ；概率密度函数为:；平差随机误差 = 观测值
ꢀ‑ꢀ
期望值；
ꢀ
；其中v是观测值和实际值的差，需要对以下方程进行最优化求解：；
ꢀꢀ
；观测方程为v=ax-l，其中x为实际值的估计，v为误差，a为系数矩阵，l为观测值；根据信号质量对每次测量的权重p进行赋值，使用以下方式解矩阵得到，是实际值的最小二乘最优估计： 。
12.一方面，本发明提供一种海上卫星大地坐标的高程拟合的装置，包括：当前定位获取模块，用于获取当前海上目标的卫星定位数据；高程异常计算模块，用于基于egm96高程数据模型对所述卫星定位数据进行拟合，计算获取所述当前海上目标的高程异常；正常高计算模块，用于根据所述高程异常和所述卫星定位数据，计算得到所述当前海上目标的正常高。
13.一方面，本发明提供一种计算机设备，包括：处理器和存储器，所述存储器存储程序模块，所述程序模块在所述处理器运行，实现上述方法。
14.一方面，本发明提供一种可读存储介质，存储程序模块，所述程序模块在处理器中运行可实现上述方法。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提出的海上卫星大地坐标的高程拟合方法，通过获取当前海上目标的卫星定位数据，基于egm96高程数据模型对卫星定位数据进行拟合，计算获取当前海上目标的高程异常，根据高程异常和卫星定位数据，计算得到当前海上目标的正常高，从而实现在海上公共点数据缺失的情况下，精准计算海上目标的正常高的技术效果。
附图说明
16.图1是海上卫星大地坐标的高程拟合方法的一个流程示意图；图2是海上卫星大地坐标的高程拟合装置的一个架构示意图；图3是计算机设备的一个架构示意图。
具体实施方式
17.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
19.应当理解，在本发明的各种实施例中，各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
20.应当理解，在本发明中，“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
21.应当理解，在本发明中，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“包含a、b和c”、“包含a、b、c”是指a、b、c三者都包含，“包含a、b或c”是指包含a、b、c三者之一，“包含a、b和/或c”是指包含a、b、c三者中任1个或任2个或3个。
22.应当理解，在本发明中，“与a对应的b”、“与a相对应的b”、“a与b相对应”或者“b与a相对应”，表示b与a相关联，根据a可以确定b。根据a确定b并不意味着仅仅根据a确定b，还可以根据a和/或其他信息确定b。a与b的匹配，是a与b的相似度大于或等于预设的阈值。
23.取决于语境，如在此所使用的“若”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”或“响应于检测”。
24.下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
25.实施例一参见图1，本实施例提供一种海上卫星大地坐标的高程拟合方法。
26.需要说明的是，图1所示方法的执行主体可以是软件和/或硬件装置。本技术的执行主体可以包括但不限于以下中的至少一个：用户设备、网络设备等。其中，用户设备可以包括但不限于计算机、智能手机、个人数字助理（personal digital assistant，简称：pda）及上述提及的电子设备等。网络设备可以包括但不限于单个网络服务器、多个网络服务器组成的服务器组或基于云计算的由大量计算机或网络服务器构成的云，其中，云计算是分布式计算的一种，由一群松散耦合的计算机组成的一个超级虚拟计算机。本实施例对此不做限制。
27.本实施例提供的海上卫星大地坐标的高程拟合方法，包括步骤s101至步骤s103，具体如下：
步骤s101、获取当前海上目标的卫星定位数据；步骤s102、基于egm96高程数据模型对所述卫星定位数据进行拟合，计算获取所述当前海上目标的高程异常；步骤s103、根据所述高程异常和所述卫星定位数据，计算得到所述当前海上目标的正常高。
28.需要说明的是，步骤s101-步骤s103的执行主体可以是服务器。
29.一方面，对于步骤步骤s101，需要进行如下说明。
30.需要说明的是，卫星定位数据可以包括所述当前海上目标所处的经度、纬度以及大地高。
31.还需要说明的是，当前海上目标可以是指任何移动或者静止的目标，例如岛屿、船舶以及采油平台等。
32.为了获取当前海上目标的卫星定位数据，可以通过如下优选实施例实现。
33.在一个优选实施例中，获取当前海上目标的卫星定位数据，优选包括：采用平差拟合算法，通过gnss获取所述卫星定位数据。其中，gnss是指是指全球卫星导航系统。
34.在一个进一步改进实施例中，采用平差拟合算法，通过gnss获取所述卫星定位数据，包括：利用基线矢量作为观测值，并利用测点坐标作为未知数，进行参数约束平差；测点坐标为空间三维直角坐标，参数约束包含对测点坐标的先验精度的输入，平差系数按最小二乘法求取；使用观测坐标带入观测方程，以得到所述空间三维直角坐标的定位数据；利用所述空间三维直角坐标的定位数据，通过gnss获取所述卫星定位数据；其中，测量里同精度的观测值都呈正态分布：；概率密度函数为:；平差随机误差 = 观测值
ꢀ‑ꢀ
期望值； ；其中v是观测值和实际值的差，需要对以下方程进行最优化求解：；
；观测方程为v=ax-l，其中x为实际值的估计，v为误差，a为系数矩阵，l为观测值；根据信号质量对每次测量的权重p进行赋值，使用以下方式解矩阵得到，是实际值的最小二乘最优估计：。
35.需要说明的是，平差是指gps相对定位的结果确定多个目标间的相对位置关系，这种相对位置关系通常用空间直角坐标系表示。
36.本实施例用三维无约束平差，就是gps控制网中只有一个已知点坐标。三维无约束平差的主要目的是考察gps基线向量网本身的内符合精度以及考察基线向量之间有无明显的系统误差，其平差应不引入外部基准。取网中任意一点的伪距定位坐标作为网的位置基准。
37.x是海洋中的其中一个目标点和到其他目标点的实际距离。有n个实测距离的目标点就有n*（n-1）个这样的距离，因此x是一个矩阵。单个距离是一个向量，其向量长度符合正态分布。
38.n表示正态分布函数，其中u是分布数学期望，σ的平方为所有x向量的长度的方差。
39.还需要说明的是，exp是指数函数。
40.还需要说明的是，v表示单一一个距离上的误差。f表示这个v在坐标轴上的分布概率密度。即输入一个v，就可以使用f得到误差刚好是v的概率密度。
41.还需要说明的是，v是实际值和测量值的差值，用于说明算法用，仅仅作为过度量。并且由于有多个距离，因此多个小v组成了大v，表示距离的矩阵。
42.还需要说明的是，a是系数矩阵，由前次测量所得到的任意两点之间的距离所确定。p是根据测量环境所预估的权重系数，l为本次观测所得到的距离。p暂定为获取测量数据a时卫星的信号质量转换得到的权重。
43.还需要说明的是，t是矩阵计算的一个操作符，意思为转置。矩阵的转置是数学中的统一定义，意为将一个矩阵的行标和列标互换。
44.一方面，对于步骤s102，需要作如下说明。
45.需要说明的是，基于egm96高程数据模型对所述卫星定位数据进行拟合，计算获取所述当前海上目标的高程异常，优选通过如下方式实现。
46.基于egm96高程数据模型，计算所述卫星定位数据的球谐系数以获得361阶矩阵数据；根据所述361阶矩阵数据进行递减回归运算，计算获取所述当前海上目标的高程异常。
47.需要说明的是，egm96是美国国家宇航局哥达飞行中心、美国国家影像制图局和俄亥俄州立大学共同完成并发布的地球重力场模型。
48.其中，egm96重力场模型的球谐模型阶次为361阶，空间分辨率为30*30分。该模型
的球谐系数目前为免费公开状态。
49.球谐系数是将地球表面观测的高程异常f(θ,)展开成球谐函数的级数： p
nm
是完全归一化的缔合勒让德多项式,归一化的缔合勒让德多项式计算方法是标准前向列递推公式：以上公式中，需要说明如下。
50.对于θ和，θ为纬度,为经度。其中，θ,这两个参数的单位均为弧度。转换关系为:度=弧度/3.1415926535898 * 180。根据国际单位制，弧度的单位是“rad”，度的单位是
“ꢀ°”
。
51.对于n和m，n是系数矩阵中的行下标，m是系数矩阵中的列下标。系数矩阵是指一个n*m个数字的矩阵，从egm96系数文件读取c，s值得到。
52.对于a和b，a是cos函数前的系数，该系数是n行，m列的egm96系数表中的c数字。b是sin函数前的系数，该系数是n行，m列的egm96系数表中的s数字。
53.对于，ι和p，ι是指一个随着行标变化的变量。这里ι是过程量，只对迭代计算有帮助，并无实际意义。当计算了行标为0和1的缔合勒让德多项式矩阵系数之后，可以通过递推的方式计算其他行的系数。这里请注意，缔合勒让德多项式矩阵写为p，对于p这个矩阵中的一个数字，由其行坐标和列坐标确定。例如p
nm
是指p这个矩阵中第n行和第m列的那个数字。p这个矩阵和前述a系数和b系数无关。p这个矩阵全部由迭代计算得到。
54.a
nm
和b
nm
是上述免费公开的球谐系数。
55.本实施例使用c++的通用函数库中的文件操作函数读取文件中的c值和s值，并赋给相应的a和b，完成球谐函数的级数的计算，进而获得高程异常。
56.还需要说明的是，在球谐级数计算完成后，通常计算所得和实际高程仍有不同。这通常是由于egm96的精度仍然不足够造成的。
57.在一个改进实施例中，采用加密系数矩阵表示真实的大地坐标点的高程异常与球谐系数计算值之间的差；所述加密系数矩阵的获得方法为：通过海上石油平台的现有数据，使用克里金插值计算加密系数矩阵；其中，高程异常满足随机场的两个假设，假设一为随机场的数学期望存在；假设二为对随机场内任意两点，其协方差函数仅是点间向量的函数；克里金插值的具体方法为：半变异函数是计算研究区域内高程异常差变化的关键；高程异常差定义为高程异
常差z(x)在点x和x+h 处数值之差的方差之半，其表达式为: 对于任意的h，实验半变异函数γ* ( x，h) 可以表示为:任意一点x0处的高程异常差待估值z
* (x0)是周围实测值z(xi) 的线性组合，即:式中，λi为权重系数; z
* (x0) 为点x0处的高程异常差待估值; z(xi) 为已知点i = 1，2，3，
…
，n 处的高程异常差实测值；根据无偏约束条件可推导出:根据最小方差条件，可得:公式中，γ(xi，xj) 为高程异常差采样点xi和xj的理论变异函数；联立可构成n+1个方程，未知量为n 个权重系数λi和1个均值m，利用克里金插值方程组求解如下:
通过矩阵求逆，求出λi，带入周围实测值z(xi) 的线性组合公式，预测出在位置x0处的高程异常差。
58.需要说明的是，高程异常差展开来说，是使用egm96模型计算得到的高程异常和实际平台上用其他方式所测量的高程异常的差值。
59.还需要说明的是，由于海洋定位中可以使用的参考点较少，无法像陆地那样采用大量样本的训练和拟合，因此本实施例中，加密系数矩阵的获得方法是：使用海上石油平台的现有数据，使用克里金插值计算加密矩阵。
60.还需要说明的是，克里金算法是依据协方差函数对随机过程/随机场进行空间建模和插值的回归算法。其优点是：在特定的随机过程，例如固有平稳过程中，克里金法能够给出最优线性无偏估计（best linear unbiased prediction, blup），因此在地质统计学中也被称为空间最优无偏估计器（spatial blup）。此方法对比神经网络方法具有以下优势：所需样本数量少且遵循地理学一般规律。地理学一般规律是指根据地理学第一定律（the first law of geography），地理空间上的所有值都是互相联系的，且距离近的值具有更强的联系。随机场使用协方差函数对上述结论进行刻画，对应高斯过程回归（gpr）理论中的“核函数（kernel function）”。
61.一方面，对于步骤s103，需要作如下说明。
62.需要说明的是，根据高程异常和卫星定位数据，计算得到当前海上目标的正常高，优选通过如下方式实现。
63.根据所述高程异常和所述大地高，计算得到所述当前海上目标的正常高。
64.进一步地，根据所述高程异常和所述大地高，计算得到所述当前海上目标的正常高，优选通过如下方式实现。
65.将所述高程异常和所述大地高相加，计算得到所述当前海上目标的正常高。
66.实施例二参见图2，在以上实施例基础上，本实施例提供一种海上卫星大地坐标的高程拟合装置，包括：当前定位获取模块101，用于获取当前海上目标的卫星定位数据；高程异常计算模块102，用于基于egm96高程数据模型对所述卫星定位数据进行拟合，计算获取所述当前海上目标的高程异常；正常高计算模块103，用于根据所述高程异常和所述卫星定位数据，计算得到所述当前海上目标的正常高。
67.需要说明的是，本实施例提供的装置可以是对应上述方法模块化的结果，是对应于上述实施例方法的程序模块实现或者电路模块实现。其中，装置解决的技术问题与实现的技术效果与上述方法对应，在此不做累述。
68.实施例三参见图3，本实施例提供一种计算机设备40，包括：处理器41、存储器42和计算机程序。
69.存储器42，用于存储计算机程序，该存储器还可以是闪存（flash）。计算机程序例如是实现上述方法的应用程序、功能模块等。
70.处理器41，用于执行存储器存储的计算机程序，以实现上述方法中设备执行的各
个步骤。具体可以参见前面方法实施例中的相关描述。
71.可选地，存储器42既可以是独立的，也可以跟处理器41集成在一起。
72.当存储器42是独立于处理器41之外的器件时，设备还可以包括：总线43，用于连接存储器42和处理器41。
73.本发明还提供一种可读存储介质，可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时用于实现上述的各种实施方式提供的方法。
74.其中，可读存储介质可以是计算机存储介质，也可以是通信介质。通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。计算机存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。例如，可读存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该可读存储介质读取信息，且可向该可读存储介质写入信息。当然，可读存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和可读存储介质可以位于专用集成电路(application specific integrated circuits，简称：asic)中。另外，该asic可以位于用户设备中。当然，处理器和可读存储介质也可以作为分立组件存在于通信设备中。可读存储介质可以是只读存储器（rom）、随机存取存储器（ram）、cd-rom、磁带、软盘和光数据存储设备等。
75.本发明还提供一种程序产品，该程序产品包括执行指令，该执行指令存储在可读存储介质中。设备的至少一个处理器可以从可读存储介质读取该执行指令，至少一个处理器执行该执行指令使得设备实施上述的各种实施方式提供的方法。
76.在上述设备的实施例中，应理解，处理器可以是中央处理单元（英文：central processing unit，简称：cpu），还可以是其他通用处理器、数字信号处理器（英文：digital signal processor，简称：dsp）、专用集成电路（英文：application specific integrated circuit，简称：asic）等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。
77.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。