1.一种船体姿态计算方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)利用船载gnss天线、gnss接收机观测gnss信号信噪比:采集并存储各gnss接收机发送的数据,提取各gnss接收机对应的当前可见卫星信号载噪比c/n0,然后计算信号信噪比snr;
(2)反演gnss天线距水面高度:对gnss信号信噪比的波动项作lombscargle周期谱分析得到相干频率,根据相干频率计算gnss天线相位中心到水面的垂直高度;
(3)拟合船体姿态平面:将步骤(2)得到的gnss天线相位中心到水面的垂直高度反演值与gnss天线设计安装点距设计水线所在平面之间的高度值的差值作为样本集合,对描述船体姿态的三维平面进行最小二乘线性拟合,拟合出船体姿态平面,计算出横摇角度、纵摇角度和升沉位移。
2.根据权利要求1所述的一种船体姿态计算方法,其特征在于,步骤(1)中,各gnss天线安装点位的垂直高度无需一致,各安装点位在水平面内的投影不共线。
3.根据权利要求1所述的一种船体姿态计算方法,其特征在于,步骤(2)的具体方法如下:
由上位机采集并存储各gnss接收机发送的nmea标准格式数据,根据实际使用的gnss接收机通信协议,若nmea标准格式数据中的$gpgsv语句包含的是当前可见卫星信号载噪比c/n0,则利用下式转换为信号信噪比snr:
4.根据权利要求1所述的一种船体姿态计算方法,其特征在于,步骤(3)的具体方法如下:
(1)gnss信号信噪比snr是卫星仰角e(t)的函数,可分解为由直射信号造成的趋势项tsnr,以及由直射信号与反射信号相干性造成的波动项dsnr,公式如下:
snr(e(t))=tsnr(e(t))+dsnr(e(t))(2)
其中,t为观测时刻,e(t)为t时刻的卫星仰角,snr(e(t))为对应不同时刻卫星仰角的信噪比时间序列,tsnr(e(t))为信噪比时间序列中由直射信号造成的趋势项,dsnr(e(t))为信噪比时间序列中由直射信号与反射信号相干性造成的波动项;
(2)从信噪比观测时间序列snr中剔除tsnr(e(t)),tsnr(e(t))可用如下公式表示:
tsnr(e(t))=c0+c1e(t)+c2e(t)2+…(3)
对snr和e(t)观测时间序列按照公式(3)进行二阶或三阶多项式拟合,求出系数c0,c1,c2...,得到tsnr(e(t));从公式(2)中剔除tsnr(e(t)),得到dsnr(e(t));
(3)对波动项dsnr(e(t))进行lombscargle周期谱分析,得到相干频率f,dsnr(e(t))可用如下公式表示:
dsnr(e(t))=am(e(t))cos(2πfsin(e(t))+φ)(4)
其中,am为波动项振幅,f为直射信号与反射信号的相干频率,φ为直射信号与反射信号的相位偏移;
(4)利用如下公式计算gnss天线相位中心到水面的垂直高度hantenna:
hantenna=f·λ/2(5)
其中,λ为卫星信号载波波长。
5.根据权利要求1所述的一种船体姿态计算方法,其特征在于,步骤(4)的具体方法如下:
(1)将各gnss天线距水面垂直高度的反演值hantenna与gnss天线设计安装点距设计水线所在平面之间的高度值的差值作为单个样本,利用滑动时间窗口内各gnss接收机的样本集合对描述该时间窗口内船体平均横摇角度、纵摇角度和升沉位移的船体姿态平面进行最小二乘线性拟合,拟合公式如下:
其中,i为gnss天线序号,j为样本序号,xi、yi分别为第i个gnss天线安装位置在水平面内的横坐标和纵坐标,zi,j为第i个gnss天线的第j个反演值
(2)利用公式(6)求出a、b、c、d四个系数,得出船体姿态平面,即经过船体重心的三维平面:
ax+by+cz+d=0(8)
x轴正向指向船艏,y轴正向指向左舷,z轴正向指向天顶;
(3)以欧拉角描述船体姿态,由船体姿态平面表达式,升沉位移δz为:
水平面法向量n=(0,0,1)先后经过旋转横摇角度
6.一种船体姿态计算方法的应用,其特征在于,将权利要求1-5任一所述的方法应用于计算船体外部传感器距水面垂直高度或船体吃水深度。
7.根据权利要求6所述的一种船体姿态计算方法的应用,其特征在于,将船体外部传感器安装点、船体最低点的设计坐标通过旋转和平移映射到船体姿态平面,得到坐标变换后的垂直高度,即船体外部传感器距水面垂直高度或船体吃水深度。
8.根据权利要求7所述的一种船体姿态计算方法的应用,其特征在于,计算船体外部传感器距水面垂直高度的方法如下:
将船体外部传感器的设计坐标通过旋转和平移映射到船体姿态平面,得到坐标变换后的垂直高度,即船体外部传感器距水面垂直高度:
其中,
9.根据权利要求7所述的一种船体姿态计算方法的应用,其特征在于,计算船体吃水深度的方法如下:
将船体最低点的设计坐标通过旋转和平移映射到船体姿态平面,得到坐标变换后的垂直高度,即船体吃水深度:
其中,