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专利号: 2025105103322
申请人: 山东科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-27
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于北斗PPP‑B2b的深远海海面高度测量方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:S1,将数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块集成在浮标上,并将浮标部署至目标深远海区域;

S2,浮标顶部的四天线GNSS接收机、气压计、短报文天线以及浮标底部的压力计采集数据,实时传输到设备舱中的数据处理模块;

S3,数据处理模块中的GNSS数据处理单元接收来自四天线GNSS接收机的原始数据以及数据传输模块传送的PPP‑B2b改正信号,计算基于WGS84坐标系下的四天线GNSS接收机的天线瞬时大地高;

S4,数据处理模块中的姿态计算单元接收来自GNSS数据处理单元的四天线GNSS接收机三维坐标,基于四天线GNSS接收机的XYZ坐标信息对浮标姿态利用浮标姿态校正算法进行校正,获得垂直方向上的浮标高度;

S5,气压计和压力计将测得的海上气压数据和浮标底部的水压数据,传输到数据处理模块中的环境压力数据处理单元,根据内置的瞬时平均水深算法,计算浮标吃水深度;

S6,整合步骤S3到步骤S5的数据,由数据处理模块的海面高度计算单元内置的海面瞬时高度算法计算海面瞬时高度;

S7,对计算得到的海面瞬时高度通过滤波计算单元进行降噪处理;

S8,将结果通过数据传输模块发送至监测服务平台。

2.根据权利要求1所述的基于北斗PPP‑B2b的深远海海面高度测量方法,其特征在于,在步骤S3中,计算基于WGS84坐标系下的四天线GNSS接收机的天线瞬时大地高,包括:S301,PPP‑B2b改正信号通过北斗三号的GEO卫星实时播发;

S302,PPP‑B2b播发的改正数信息匹配对应星历;

S303,浮标通过接收北斗PPP‑B2b改正信号提供的轨道和钟差改正信息,结合四天线GNSS接收机的伪距和载波相位观测值,进行定位;

S304,通过PPP‑B2b改正信号提供的卫星轨道改正参数修正通过B1C信号播发的CNAV1广播星历;

S305,利用PPP‑B2b改正信号提供的钟差改正信息对广播星历钟差修正;

S306,浮标采用四天线GNSS接收机布局,三个副GNSS接收机分散在圆周周边,形成一个三角形顶点的布局,主GNSS接收机位于圆心,主GNSS接收机安装有主天线,三个副GNSS接收机分别安装一个副天线;经过PPP‑B2b的修正后,伪距观测值 和载波相位观测值 计算主天线的与卫星之间的几何距离 ,表达式为:;

式中, 为卫星坐标, 为浮标主天线坐标;

Z坐标作为WGS84坐标系下,四天线GNSS接收机的天线瞬时大地高 。

3.根据权利要求2所述的基于北斗PPP‑B2b的深远海海面高度测量方法,其特征在于,在步骤S301中,PPP‑B2b改正信号通过北斗三号的GEO卫星实时播发,包括:利用分布的加密高精度连续监测站,对GNSS可视卫星进行连续观测,收集伪距、载波相位观测数据及气象数据;地面主控站对预处理后的数据进行验证和评估,通过动态平滑处理拟合卫星轨道、钟差、差分码偏差和用户测距精度指数URAI改正参数,并按协议编排精密改正参数;上行链路站将改正参数传输至GEO卫星,由GEO卫星通过PPP‑B2b改正信号的I支路广播;

在步骤S304中,通过PPP‑B2b改正信号提供的卫星轨道改正参数修正通过B1C信号播发的CNAV1广播星历,表达式为:;

式中, 为轨道改正参数修正后的卫星位置, 为B1C信号的CNAV1导航电文计算出的卫星位置, 为卫星位置改正向量;

的计算公式为:

式中, 分别为径向、切向和法向的单位矢量, 为PPP‑B2b改正信号中获得的轨道改正矢量,顺序为径向、切向和法向方向的分量;

式中, 分别为通过B1C信号CNAV1导航电文计算出的卫星位置矢量和速度矢量;

在步骤S305中,利用PPP‑B2b改正信号提供的钟差改正信息对广播星历钟差修正,表达式为:;

式中, 为经过PPP‑B2b改正信号钟差改正参数修正后得出的卫星钟差, 为CNAV1导航电文计算得出的卫星钟差, 为钟差改正参数,为光速。

4.根据权利要求1所述的基于北斗PPP‑B2b的深远海海面高度测量方法,其特征在于,在步骤S4中,基于四天线GNSS接收机的XYZ坐标信息对浮标姿态利用浮标姿态校正算法进行校正,获得垂直方向上的浮标高度,包括:S401,浮标上的四天线GNSS接收机采集来自卫星的GNSS信号,主天线与三个副天线分别得到独立的坐标数据,三维的X、Y、Z坐标;

S402,浮标的主GNSS接收机的主天线位于圆心,三个副GNSS接收机的副天线分布在圆周周边,构成一个等边三角形,基线矢量 表示主天线与副天线之间的相对位置关系,表达式为:;

式中, 为三个副天线坐标, 为主天线坐标;

S403,计算浮标的横滚角 ,表示浮标绕X轴的旋转角度,计算公式为:;

式中, 分别为基线矢量 在Y轴和Z轴的分量;

S404,计算浮标的俯仰角 ,表示浮标绕Y轴的旋转角度,计算公式为:;

式中, 分别表示基线矢量 在X轴和Z轴的分量;

S405,在求得俯仰角和横滚角后,计算浮标体GNSS主天线支撑杆的倾斜角 ,表达式为:;

基于三维几何关系,反映浮标主体相对于垂直方向的总倾斜角度;

S406,浮标顶部GNSS主天线相位中心到水压计底端的高差 ,在浮标倾斜时,垂直方向的高度为 。

5.根据权利要求1所述的基于北斗PPP‑B2b的深远海海面高度测量方法,其特征在于,在步骤S5中,传输到数据处理模块中的环境压力数据处理单元,根据内置的瞬时平均水深算法,计算浮标吃水深度,包括:S501,根据浮标顶部气压计采集到的大气压强以及浮标底部压力计采集到的水压,计算吃水深度,每个压力计测得到瞬时水深 为:;

式中, 为第 个压力计测得的总压力, 为当前气压计测得的大气压力,为海水密度,为重力加速度;

S502,计算出四个压力计的水深 ,取平均值得到浮标底部的瞬时平均水深,表达式为:。

6.根据权利要求1所述的基于北斗PPP‑B2b的深远海海面高度测量方法,其特征在于,在步骤S6中,由数据处理模块的海面高度计算单元内置的海面瞬时高度算法计算海面瞬时高度,包括:计算浮标当前的海面瞬时高度 ,表达式为:

式中, 为四天线GNSS接收机的天线瞬时大地高, 为顶部GNSS天线相位中心到压力计地段的高差,为浮标与垂直方向的夹角, 为浮标吃水深度。

7.根据权利要求1所述的基于北斗PPP‑B2b的深远海海面高度测量方法,其特征在于,在步骤S7中,对计算得到的海面瞬时高度通过滤波计算单元进行降噪处理,包括:对获取的海面瞬时高度数据中包含的涌浪和噪声,利用完全集合经验模态分解法CEEMD进行本征模态函数分量IMF分层提取,完成涌浪和噪声的降噪。

8.根据权利要求7所述的基于北斗PPP‑B2b的深远海海面高度测量方法,其特征在于,利用完全集合经验模态分解法CEEMD进行本征模态函数分量IMF分层提取,包括:S701,在原始信号 加入高斯白噪声 ,表达式为:;

式中, 为初始信噪比系数;

进行 次EMD分解,平均计算获取到第一个固有本征模态函数分量 ,表达式为:;

式中, 为 通过EMD方法分解获取的第1个本征模态函数, 为单位方差为0的高斯白噪声, ; 为CEEMD方法分解出 个 下的信噪比系数,为单位方差为0的高斯白噪声;

将原始信号 与 相减得到一阶残差 ,表达式为:;

S702,在获取的一阶残差 添加高斯白噪声,信号表示为: ,再次进行分解,获取第二个固有本征模态函数 ,将 与 相减得到一阶残差 ,表达式为:

S703,由此类推,继续进行 次分解,在得到信号 ,计算第 个本征模态函数分量以及 阶残差;

S704,循环计算获取本征模态分量与残差值,直至残差极值点个数不大于2时,分解结束,最终信号表示为:;

式中,为在CEEMD方法分解得到的IMF分量个数。

9.一种基于北斗PPP‑B2b的深远海海面高度测量系统,其特征在于,该系统实施如权利要求1‑8任意一项所述基于北斗PPP‑B2b的深远海海面高度测量方法,该系统包括:数据采集模块、数据传输模块、数据处理模块和监测服务平台;

所述数据采集模块包括四天线GNSS接收机、气压计和压力计;

所述数据处理模块位于浮标下方的设备仓中,内置GNSS数据处理单元、滤波计算单元、姿态计算单元、海面高度计算单元、环境压力数据处理单元和姿态计算单元;

所述数据传输模块位于浮标上方的设备平台中,将测量的海面高度数据及浮标状态信息实时传输至监测服务平台,还用于传输四天线GNSS接收机播发PPP‑B2b改正信号;

所述监测服务平台通过浏览器进行访问,负责接收浮标传输的实时海面高度数据,提供实时监测数据的显示和分析。

10.根据权利要求9所述的基于北斗PPP‑B2b的深远海海面高度测量系统,其特征在于,该系统的硬件包括:浮标(8);

所述浮标(8)包括集成在一起的位于上方的设备平台(9)和位于下方的设备仓(5);

所述设备平台(9)上安装有四天线GNSS接收机(1)、短报文天线(2)、气压计(3)、太阳能电池板(4);

所述设备舱(5)内部装有数据处理模块;压力计(7)布设在设备舱(5)的外下端;

所述设备舱(5)的外围安装有防撞栏(6)。