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与流程

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明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X_u、Y_u、Z_u，其中X_u、Y_u、Z_u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。

本发明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。本发明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为本发明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为本发明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本发明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本发明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

本发明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(x_B，y_B，z_B)和GPS卫星空间坐标值(x_G，y_G，z_G)，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η_B由7颗Inmarsat(海事卫星)卫星发射，其作用是消除定位误差。η_B＝cτ_B，s-T_B，iono+T_B，tron+ε_r，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η_B消除定位误差的过程如下。

卫星浮标的位置坐标为P_u＝(X_u，Y_u，Z_u)，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：

ρ_B：接收机与北斗卫星之间距离；

ρ_G：接收机与GPS卫星之间距离；

c：光速；

τ_G，s：GPS系统星载时钟误差；

τ_B，s：北斗星载时钟误差；

T_G，iono：GPS卫星电离层传输延迟误差；

T_B，iono：北斗卫星电离层传输延迟误差；

T_G，tron：GPS卫星对流层传输延迟误差；

T_B，tron：北斗卫星对流层传输延迟误差；

ε_r：接收机内部热噪声。

卫星浮标接收到的星基差分信号η_B属于已知量，消除η_B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。

本发明接收尽量多的卫星数据，形成超定方程，可进一步验算求解结果。目前全天时可接收(8～10)颗北斗卫星信号和(6～9)颗GPS卫星信号，完全能满足求解需求。

对i颗北斗卫星可列出由i个方程组成的方程组：

对j颗GPS卫星可列出由j个方程组成的方程组：

计算出卫星浮标在ECEF坐标系中的三维位置坐标X_u、Y_u、Z_u，其中X_u、Y_u、Z_u分别表示卫星浮标在ECEF坐标系中沿X轴、Y轴和Z轴方向上的坐标。

③分离波浪数据和潮位数据。

采用巴特沃斯滤波器，从卫星浮标的三维位置坐标X_u、Y_u、Z_u中分离出波浪的三维位置坐标X₁、Y₁、Z₁，其中X₁、Y₁、Z₁分别表示当地海域波浪在ECEF坐标系中沿X轴、Y轴和Z轴方向上的坐标。

采用傅里叶低通滤波器，从卫星浮标的高程位置坐标Z_u中分离出潮位的高程坐标Z₂，其中Z₂表示当地海域潮位在ECEF坐标系中沿Z轴方向上的坐标。

④计算波浪数据

对波浪数据中的三维位置坐标X₁、Y₁、Z₁利用式(7)、(8)得到当地海域波浪波高H_w、波向θ数据。

H_w＝Z_1max-Z_1min (7)

根据上跨零点法，在测量波高H_W过程中，通过计数定时得到两相邻波浪的过零点时刻t₁和t₂，利用式(9)得到波周期T。

T＝|t₂-t₁| (9)

⑤计算潮位数据

依据国家标准，确定当地海域潮高基准面在ECEF坐标系中沿Z轴方向上的坐标值Z₀(Z₀可由全球海平面高度观测系统测定，是已知量)，根据已知潮位高程坐标Z₂，计算得到潮位数据H，其中H＝Z₂-Z₀。

⑥波浪、潮位数据传输至岸站数据接收系统

将卫星浮标测量的深远海波浪和潮位数据，通过北斗短报文系统远距离传输到岸站数据接收系统7，完成深远海波浪数据和潮位数据的远程在线测量功能。