一种用于卫星高度计的定标检验系统

1.本发明公开了一种用于卫星高度计的定标检验系统，属于导航技术领域。


背景技术：

2.通过高度计卫星精确监测全球海平面变化对进行海洋长期气候变化研究具有重要意义，越来越多的国家和组织也开始了针对高度计的研究和发射计划。近年来除国外的jason-3等卫星外，我国从2018年开始陆续发射的hy-2b、hy-2c和hy-2d系列卫星，实现了对海面高度的组网观测，提高了数据的时空分辨率。但为了进一步的提高高度计卫星数据精度，提高海面高度监测精度，针对卫星观测数据的检验就必不可少。
3.目前高度计海面高度检验多是基于布放在固定平台周围的gnss实现，针对的也是卫星观测的绝对高度。在陆地上，浮标在多频长时间观测情况下可以精确测量某一点的高程达到2-3mm的精度，该精度是明显优于卫星高度计的观测精度的，足以实现针对海面绝对高度的定标检验。但是不同于陆地上的浮标，在海洋中标体受到浪涌的影响晃动比较大，其姿态信息难以精确测量。同时，卫星具有固定的重访周期，而长时间锚定的浮标很难保证其观测精度，浮标的续航和数据传输能力也不足以支撑其长时间的观测。此外，如何保证检验设备的精度也是检验过程中急需解决的问题。综合以上问题，现在急需构建一个针对高度计卫星的多设备联合定标检验系统，解决针对海面高度的绝对高度定标、相对高度定标和检验设备精度保证问题。


技术实现要素：

4.本发明提出了一种用于卫星高度计的定标检验系统，解决现有技术中标体姿态信息难以精确测量、长时间锚定的浮标很难保证其观测精度的问题。
5.一种用于卫星高度计的定标检验系统，包括：浮标、压力计、验潮仪；
6.所述浮标包括标体、gnss三天线、imu设备、电力系统和数据中心，浮标结合ins设备提供浮标高精度的姿态信息，经过姿态校正后得到高精度的海面高度数据；
7.所述压力计包括活塞系统、砝码和底座，压力计通过长期布放得到的长时间序列海底压力数据，进行海面高度相对变化观测；
8.所述验潮仪坐落在岸边，对浮标和压力计设备观测精度进行测定；
9.当设有高度计的卫星经过浮标正上方时，通过卫星和浮标观测的海面高度，对海面绝对高度进行定标检验；
10.当设有高度计的卫星重复经过压力计正上方时，通过卫星观测的海面高度和压力计长时间序列的观测数据，对海面相对高度进行定标检验。
11.优选地，根据卫星高度计的轨道以及检验点的选择，对浮标标体的大小按照需求进行设计，为减少标体的晃动，提高测量精度，海况越差标体需要更大；
12.浮标上安装多块太阳能电池板或大电池；
13.数据中心对浮标进行数据保存和数据传输。
14.优选地，gnss三天线安装在标体的顶部，呈“三角”形状，包括1个主天线和2个辅天线；
15.当进行gnss三天线进行姿态测量时，三点可以确定唯一得1个平面，通过对三天线间组成得基线进行处理，测定载体得3个姿态角，假设主天线在坐标系得原点处，辅天线2位于x轴，辅天线3位于y轴，直接使用姿态方程可以解算航向角f、横摇角θ、纵摇角计算公式如下：
16.其中，x
″
13
＝x
13
cos f+y
13
sin f，z
″
13
＝x
13
sinθsin f-y
13
sin θ cos f+z
13
cosθ，式中x
12
、y
12
、z
12
分别为天线1和天线2组成的基线在当地水平坐标系下的坐标，x
13
、y
13
、z
13
为天线1和3组成的基线在当地水平坐标系下的坐标，x
″
13
、z
″
13
为天线1和天线3组成的基线在船体坐标系下的坐标。
17.优选地，imu设备给出三轴的加速度和角速度输出，通过两次积分分别得到高频的浮标的位置、速度和姿态，辅助gnss三天线进行定位和测姿；
18.得到高精度的姿态信息后，对浮标的倾斜进行改正，从而得到改正后的gnss天线相位中心至海面动态的垂向距离。
19.优选地，活塞系统包括活塞杆和活塞筒，活塞杆稳定悬浮于活塞筒中，活塞系统布放在底座上，底座坐落在海床基上，底座是坐底式的且长期布放；
20.活塞系统工作时，活塞杆处于标称工作位置，通过作用于活塞底部向上的力f，与活塞上的砝码所产生的重力相平衡，被测压力可以由砝码所受重力p和活塞杆面积a计算；f＝p
×
a，被测压力即是海底处的压力。
21.优选地，在验潮仪和雷达水位计的观测区域同步开展浮标和锚泊系统的海面高度同步观测，对比验潮仪和雷达水位计和浮标对海面高度的观测数据，完成对浮标设备精度的验证，通过对比锚泊系统和验潮仪和雷达水位计对海面高度随时间变化的观测情况，完成对锚泊系统观测海面高度的精度验证。
22.优选地，提前将三天线的浮标系统放置在测高卫星的航行轨迹星下点上，进行初始化；
23.待测高卫星经过该点时，进行同步观测，获得相关的测量数据；
24.将测量的数据在浮标的数据中心进行数据处理，将处理后的结果通过卫星通信传输给陆地上的观测中心，同时将数据进行本地保存。
25.优选地，提前将压力计放置在测高卫星的航行轨迹星下点上，进行初始化；
26.待测高卫星经过该点时，进行同步观测，获得相关的测量数据，并将数据进行本地保存；
27.卫星重复经过该点的时候，压力计同步进行检验。
28.与现有技术对比，本发明的有益效果是：本发明采用gnss三天线/ins组合方式实现对浮标的精确定位和测姿，克服了单天线无法完成姿态输出的缺点；同时imu输出的位姿信息是对gnss三天线位姿信息的补充，确保了系统测量的精度和可靠性；此外，通过压力计能够有效的实现对高度计观测海面高度的相对搞对检验，弥补采用浮标进行海面高度检验中对相对高度的缺失。验潮仪的存在也可以提前对浮标和压力计的准确性进行验证，确保检验数据的有效性。
附图说明
29.图1为本发明的高度计定标原理图；
30.图2为浮标组成设计图；
31.图3定标系统组成示意图；
32.附图标记包括：1-gnss三天线，2-标体，3-imu设备，4-太阳能电池板，5-浮标，6-压力计，7-验潮仪，8-岸边。
具体实施方式
33.下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
34.一种用于卫星高度计的定标检验系统，如图3，包括：浮标5、压力计6、验潮仪7；
35.所述浮标5如图2，包括标体2、gnss三天线1、imu设备3、电力系统和数据中心，浮标5结合ins设备提供浮标5高精度的姿态信息，经过姿态校正后得到高精度的海面高度数据；
36.所述压力计6包括活塞系统、砝码和底座，压力计6通过长期布放得到的长时间序列海底压力数据，进行海面高度相对变化观测；
37.所述验潮仪7坐落在岸边8，对浮标5和压力计6设备观测精度进行测定；
38.高度计定标原理如图1，当设有高度计的卫星经过浮标5正上方时，通过卫星和浮标5观测的海面高度，对海面绝对高度进行定标检验；
39.当设有高度计的卫星重复经过压力计6正上方时，通过卫星观测的海面高度和压力计6长时间序列的观测数据，对海面相对高度进行定标检验。
40.根据卫星高度计的轨道以及检验点的选择，对浮标5标体2的大小按照需求进行设计，为减少标体2的晃动，提高测量精度，海况越差标体2需要更大；
41.浮标5上安装多块太阳能电池板4或大电池；
42.数据中心对浮标5进行数据保存和数据传输。
43.gnss三天线1安装在标体2的顶部，呈“三角”形状，包括1个主天线和2个辅天线；
44.当进行gnss三天线1进行姿态测量时，三点可以确定唯一得1个平面，通过对三天线间组成得基线进行处理，测定载体得3个姿态角，假设主天线在坐标系得原点处，辅天线2位于x轴，辅天线3位于y轴，直接使用姿态方程可以解算航向角f、横摇角θ、纵摇角计算公式如下：
45.其中，x
″
13
＝x
13
cos f+y
13
sin f，z
″
13
＝x
13
sinθsin f-y
13
sinθcos f+z
13
cosθ，式中x
12
、y
12
、z
12
分别为天线1和天线2组成的基线在当地水平坐标系下的坐标，x
13
、y
13
、z
13
为天线1和3组成的基线在当地水平坐标系下的坐标，x
″
13
、z
″
13
为天线1和天线3组成的基线在船体坐标系下的坐标。
46.imu设备3给出三轴的加速度和角速度输出，通过两次积分分别得到高频的浮标5的位置、速度和姿态，辅助gnss三天线1进行定位和测姿；
47.得到高精度的姿态信息后，对浮标5的倾斜进行改正，从而得到改正后的gnss天线相位中心至海面动态的垂向距离。
48.活塞系统包括活塞杆和活塞筒，活塞杆稳定悬浮于活塞筒中，活塞系统布放在底座上，底座坐落在海床基上，底座是坐底式的且长期布放；
49.活塞系统工作时，活塞杆处于标称工作位置，通过作用于活塞底部向上的力f，与活塞上的砝码所产生的重力相平衡，被测压力可以由砝码所受重力p和活塞杆面积a计算；f＝p
×
a，被测压力即是海底处的压力。
50.在验潮仪7和雷达水位计的观测区域同步开展浮标5和锚泊系统的海面高度同步观测，对比验潮仪7和雷达水位计和浮标5对海面高度的观测数据，完成对浮标5设备精度的验证，通过对比锚泊系统和验潮仪7和雷达水位计对海面高度随时间变化的观测情况，完成对锚泊系统观测海面高度的精度验证。
51.提前将三天线的浮标5系统放置在测高卫星的航行轨迹星下点上，进行初始化；
52.待测高卫星经过该点时，进行同步观测，获得相关的测量数据；
53.将测量的数据在浮标5的数据中心进行数据处理，将处理后的结果通过卫星通信传输给陆地上的观测中心，同时将数据进行本地保存。
54.提前将压力计6放置在测高卫星的航行轨迹星下点上，进行初始化；
55.待测高卫星经过该点时，进行同步观测，获得相关的测量数据，并将数据进行本地保存；
56.卫星重复经过该点的时候，压力计6同步进行检验。
57.由于浮标5标体2要在各种海况条件下保持平稳，因此需要在可行情况下尽量大一点，在保证检验精度的同时有利于各种设备的安装。同时浮标5的底部会锚定住，保证浮标5能够稳定在卫星的星下点位置。对于gnss天线而言，需要布放在标体2顶端，防止其他设备遮挡的同时保证信号的传输，并对观测后得到的姿态数据用imu观测结果进行验证。考虑到浮标5的布放需要持续几天，因此需要外接电池并利用太阳能电池板4进行供电，做到持续的正常观测。而在观测之后数据会存储在数据中心，并将部分数据进行抽稀，通过通讯卫星进行数据传输。
58.三天线按照“三角形”安装在浮标5的顶部，为了确保测姿精度，两个天线间的距离不低于1m。根据gnss三天线1提供浮标5高精度的姿态信息，加上imu输出的高频姿态信息可以进行浮标5的倾斜补偿，经过补偿后可以更精确的计算天线之海面的高程。
59.活塞系统工作时，活塞杆应稳定悬浮于活塞筒中并处于工作位置。此时作用于活塞底部向上的力与加于活塞上的砝码所产生的重力相平衡。被测压力可以由砝码所受重力和活塞杆面积计算，对于一定的活塞杆面积，改变砝码质量就可以测量不同的压力。为了避免产生静摩擦力，在工作时使活塞杆与活塞筒之间可相对旋转运动，从而使活塞杆处于活塞筒的标称工作位置，与活塞筒之间有一个均匀的介质层。
60.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。