一种用于卫星高度计定标的多天线组合浮标系统

1.本发明公开了一种用于卫星高度计定标的多天线组合浮标系统，属于导航技术领域。


背景技术：

2.精确的测定和监测全球海平面的变化情况对研究海洋对长期气候变化的影响具有重要的意义。随着卫星测高技术的快速发展，目前对海面高的测量精度已达2-3cm。除jason-2外，目前主要的在轨可用的高度计卫星还有我国发射的第一颗雷达高度计卫星hy-2a和印法合作的saral高度计卫星。多颗高度计卫星同步观测可以获得高精度的海面高程，这对于研究全球或局部海域的海洋气候变化具有重要的意义。
3.测高卫星在长时间的运行后，需要对卫星在轨精度情况进行监测，如果出现轨道偏移等情况，需要进行相应的改正来确保测量精度。gnss可以精确测量某一点的高程，在陆地上，多频长时间观测情况下可以达到2-3mm的测量精度，这为卫星高度计的定标提供了一种新的思路。但是在海面情况下不同于陆地，gnss定位受到的误差影响更大，这将一定程度上降低测量精度。在海面测量需要借助载体平台，目前一般是将相关传感器安装在浮标上。采用rtk相对定位其精度可靠性更高，但受基准站距离影响，在远海情况下无法完成观测。此外浮标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。


技术实现要素：

4.本发明提出了一种用于卫星高度计定标的多天线组合浮标系统，解决现有技术中gnss浮标进行卫星高度计定标时，位置和姿态测量精度偏低的问题。
5.一种用于卫星高度计定标的多天线组合浮标系统，包括浮标、gnss接收机、ins传感器和四个gnss天线；所述浮标包括浮标标体、电力供应系统、防水防潮系统和数据处理中心，浮标的定位包括rtk和ppp两种方式，所述ins传感器测定并输出浮标高频的位置、速度和姿态信息，所述gnss天线提供浮标高精度的姿态信息；当测高卫星经过浮标正上方时，通过卫星测高和精确测定的浮标高，对卫星高度计进行标定，卫星高度计每隔一段时间向海面发射一个电磁波脉冲，并接收海平面反射的电磁波脉冲信号，计算脉冲发射和接收的时间之差，再乘以脉冲的传播速度，得到高度计到海平面的距离：；基于gnss浮标阵列进行海面高度检验：基于gnss浮标阵列进行海面高度检验：是由卫星高度计测量得到的瞬时海面高度，是由gnss浮标测量得到的海面高度，最终得到的正值表示高度计测量的海面高度比实际海面高度要
高，负值相反。
6.优选地，浮标标体底部连接锚系确保浮标不发生漂移，浮标标体上装有多块太阳能电池板作为电力供应系统，所述防水防潮系统保护浮标上的电子设备，所述数据处理中心进行数据保存、数据处理计算和数据传输。
7.优选地，四个gnss天线安装在浮标标体的顶部，呈十字形，包括1个主天线和3个辅天线；同一基线在载体坐标系中的位置矢量和在导航坐标系中的位置矢量之间的关系反应了载体坐标系和导航坐标系间的旋转变换的关系，通过上述旋转变换的关系，利用最小二乘法进行姿态解算，求出载体的姿态信息。
8.优选地，第i个天线相对于天线的基线向量在载体系和导航系的投影之间的关系为：i=2，3
…
t，t表示天线数，、为观测值，表示姿态矩阵；基于作线性化得：作线性化得：和是姿态角的近似值，和是观测误差，是设计矩阵，是待估参数，具体为，，是观测向量，联合所有天线的观测数据，通过间接平差原理估计：姿态角的估值为：，在得到姿态角后需要进行倾斜改正。
9.优选地，根据gnss浮标的观测原理，瞬时海面高程测量结果的计算公式：i为观测序号；为瞬时海面高程；为浮标经过差分解算后得到gnss天线相位中心处大地高；为观测站的gnss天线高程改正，即gnss天线相位中心至浮标吃水面距离；n为浮标测量海域的高程异常值，在固定海域为固定值；gnss天线高程改正是gnss天线相位中心至海面的动态高度，根据四个天线的位置可以算出四天线纵向中心轴，改正公式为：改正公式为：为gnss天线相位中心至海面的动态垂向距离；为静水时gnss天线相位中心至海面的垂向距离，对于同一个浮标，该值为固定值，可以通过全站仪测量得到；分别为gnss浮标动态横滚角和俯仰角，可通过四天线测姿或ins得到。
10.优选地，ins传感器测量载体三轴的加速度和角速度，经过积分得到高频的姿态、速度和位置信息，并和gnss进行组合测量。
11.优选地，如果卫星高度计的检校场在近海海域，采用rtk相对定位，如果卫星高度计的检校场在远海海域，周围没有可以作为基准站的地方，采用ppp模式进行单点定位。
12.优选地，当超过rtk定位的极限距离时，组合浮标系统根据定位结果的精度评定情况，自动切换浮标的定位方式。
13.优选地，ins传感器测量载体三轴的加速度和角速度，经过积分得到高频的姿态、速度和位置信息，并和gnss进行组合测量。
14.优选地，提前将多天线gnss/ins组合的浮标系统放置在测高卫星的航行轨迹星下点上，进行初始化操作，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，将测量的数据在浮标的数据处理中心进行数据处理，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。
15.与现有技术对比，本发明的系统的有益效果是：采用四天线gnss/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ins输出的位姿信息是对四天线gnss位姿信息的补充，确保了系统测量的精度和可靠性；此外，rtk/ppp相互切换的模式适用于近远海不同场景。
附图说明
16.图1为本发明的高度计定标原理图；附图标记包括：1-测高卫星，2-浮标标体，3-锚系，4-海面，5-参考椭球面。
具体实施方式
17.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：一种用于卫星高度计定标的多天线gnss/ins组合浮标标体2系统，以参考椭球面5为基准，包括浮标标体2、gnss接收机、ins传感器和四个gnss天线；所述浮标标体2包括浮标标体2标体、电力供应系统、防水防潮系统和数据处理中心，浮标标体2的定位包括rtk和ppp两种方式，所述ins传感器测定并输出浮标标体2高频的位置、速度和姿态信息，所述gnss天线提供浮标标体2高精度的姿态信息；当测高卫星1在海面4上运行经过浮标标体2正上方时，通过卫星测高和精确测定的浮标标体2高，对卫星高度计进行标定，如图1，卫星高度计每隔一段时间向海面发射一个电磁波脉冲，并接收海平面反射的电磁波脉冲信号，计算脉冲发射和接收的时间之差，再乘以脉冲的传播速度，得到高度计到海平面的距离：；基于gnss浮标阵列进行海面高度检验：基于gnss浮标阵列进行海面高度检验：是由卫星高度计测量得到的瞬时海面高度，是由gnss浮标测量得到的海面高度，最终得到的正值表示高度计测量的海面高度比实际海面高度要高，负值相反。
18.浮标标体2标体底部连接锚系3确保浮标标体2不发生漂移，浮标标体2标体上装有多块太阳能电池板作为电力供应系统，所述防水防潮系统保护浮标标体2上的电子设备，所
述数据处理中心进行数据保存、数据处理计算和数据传输。
19.太阳能板和四个gnss天线安装在浮标标体2标体的顶部，四个gnss天线呈十字形，包括1个主天线和3个辅天线；同一基线在载体坐标系中的位置矢量和在导航坐标系中的位置矢量之间的关系反应了载体坐标系和导航坐标系间的旋转变换的关系，通过上述旋转变换的关系，利用最小二乘法进行姿态解算，求出载体的姿态信息。
20.第i个天线相对于天线的基线向量在载体系和导航系的投影之间的关系为：i=2，3
…
t，t表示天线数，、为观测值，表示姿态矩阵；基于作线性化得：作线性化得：和是姿态角的近似值，和是观测误差，是设计矩阵，是待估参数，具体为，，是观测向量，联合所有天线的观测数据，通过间接平差原理估计：姿态角的估值为：，在得到姿态角后需要进行倾斜改正。
21.根据gnss浮标的观测原理，瞬时海面高程测量结果的计算公式：i为观测序号；为瞬时海面高程；为浮标经过差分解算后得到gnss天线相位中心处大地高；为观测站的gnss天线高程改正，即gnss天线相位中心至浮标吃水面距离；n为浮标测量海域的高程异常值，在固定海域为固定值；gnss天线高程改正是gnss天线相位中心至海面的动态高度，根据四个天线的位置可以算出四天线纵向中心轴，改正公式为：改正公式为：为gnss天线相位中心至海面的动态垂向距离；为静水时gnss天线相位中心至海面的垂向距离，对于同一个浮标，该值为固定值，可以通过全站仪测量得到；分别为gnss浮标动态横滚角和俯仰角，可通过四天线测姿或ins得到。
22.ins传感器测量载体三轴的加速度和角速度，经过积分得到高频的姿态、速度和位置信息，并和gnss进行组合测量。
23.如果卫星高度计的检校场在近海海域，采用rtk相对定位，如果卫星高度计的检校场在远海海域，周围没有可以作为基准站的地方，采用ppp模式进行单点定位。
24.当超过rtk定位的极限距离时，组合浮标标体2系统根据定位结果的精度评定情况，自动切换浮标标体2的定位方式。
25.ins传感器测量载体三轴的加速度和角速度，经过积分得到高频的姿态、速度和位置信息，并和gnss进行组合测量。
26.提前将多天线gnss/ins组合的浮标标体2系统放置在测高卫星1的航行轨迹星下点上，进行初始化操作，待测高卫星1经过该点时，进行同步观测，获得相关的测量数据，将测量的数据在浮标标体2的数据处理中心进行数据处理，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。
27.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。