基于多天线GNSS阵列的高频三维海面坐标测量方法与装置

基于多天线gnss阵列的高频三维海面坐标测量方法与装置
技术领域
1.本发明涉及海洋技术观测领域，尤其是基于多天线gnss阵列的高频三维海面坐标测量方法与装置。


背景技术：

2.随着gnss技术的发展，基于gnss的浮标测量设备逐步成熟，在海面高度测量和高度计定标方面取得重要应用。现有的gnss浮标设备主要为单天线浮标，且需要人为对数据进行后处理，测量结果受对流层、电离层、星历误差、钟差等影响较大，导致测量精度较低，另外数据后处理耗时耗力，实时性和便利性较差，大大增加了后期成本。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提出基于多天线gnss阵列的高频三维海面坐标测量方法与装置。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于多天线gnss阵列的高频三维海面坐标测量方法，包括如下步骤：步骤1，计算各个天线的动态坐标，并将所得各个天线的动态坐标由空间直角坐标系坐标转化为大地坐标系坐标；步骤2，计算测量装置的倾斜角度；步骤3，根据步骤2所得的倾斜角度分别计算各个天线的海面高hs；步骤4，对步骤3所得的各个天线的海面高取平均，即为测量装备中心处对应的海面高；所述步骤1中各个天线动态坐标的具体计算过程包括：步骤1.1，将岸基的基准站设为基准点，通过基准点的坐标和基线向量解算其他点的近似坐标；步骤1.2，根据步骤1.1所得近似坐标得到微型阵列gnss网中的基线误差方程：其中，为改正数，为系数矩阵，为误差方程自由项，为待求参数；步骤1.3，添加距离约束条件，约束方程为其中，c表示约束方程的系数，为待求参数，为约束方程自由项；步骤1.4，根据步骤1.2所得的基线误差方程及步骤1.3所得的约束方程，建立微型gnss阵列法方程：
其中，，，为微型gnss阵列基线向量之间的权阵，，为由观测基线的方差-协方差矩阵组成的矩阵，是中误差，为联系数，为待求参数，为误差方程自由项；步骤1.5，根据步骤1.4的法方程可以得到：其中，，表示约束方程的系数；步骤1.6，由步骤1.5所得的方程可以解算得到微型阵列中给点的坐标未知数，坐标未知数与步骤1.1中的近似坐标相加即可得到网平差后的坐标。
5.上述的基于多天线gnss阵列的高频三维海面坐标测量方法，所述步骤2中测量装置倾斜角度的具体计算过程为：步骤2.1，将各个天线坐标求平均得出各个天线所在的平面的中心点o坐标；步骤2.2，比较各个天线坐标与中心点o坐标，找到两个比中心点o坐标大地高低的两个天线坐标，并将两个天线标记为b、c；步骤2.3，根据步骤2.2的找到的两个天线b、c及中心点o，将b、c、o组成向量关系 ，进而得到f点的坐标；步骤2.4，将f、o坐标转换为大地坐标系坐标即得到f、o的大地高分别为hf和ho；步骤2.5，测量装备的倾斜角度为：。
6.上述的基于多天线gnss阵列的高频三维海面坐标测量方法，所述步骤3中海面高hs的计算公式为：其中，h
t
为天线的大地高，θ为测量装备的倾斜角度， 为gnss天线距离测量装备底面之间的垂直距离，h
dra
为测量装备的吃水深度；其中，g为测量装备的总重力，ρ为海水密度， g为重力加速度，s为测量装备与水面接触的表面积。
7.上述的任一项基于多天线gnss阵列的高频三维海面坐标测量方法的三维海面坐标测量装置，包括gnss接收机天线、gnss接收机、供电单元、数据采集与自动化处理单元、数据传输单元、浮体及标架，所述浮体与标架连接，所述标架位于浮体上方，所述数据采集与自动化处理单元、数据传输单元均位于浮体设备仓内，所述gnss接收机天线、gnss接收机位于标架上方，所述gnss接收机天线与gnss接收机电性连接，所述数据采集与自动化处理单元与数据传输单元电性连接，所述gnss接收机、数据采集与自动化处理单元、数据传输单元均与供电单元电性连接。
8.上述的基于多天线gnss阵列的高频三维海面坐标测量装置，所述浮体为半球形结构。
9.上述的基于多天线gnss阵列的高频三维海面坐标测量装置，所述供电单元包括太阳能电池板及蓄电池，所述蓄电池位于浮体设备仓内，所述太阳能电池板位于标架上方，所述太阳能电池板与蓄电池电性连接。
10.上述的基于多天线gnss阵列的高频三维海面坐标测量装置，所述数据采集与自动化处理单元主要包括数据存储设备、基于linux的数据自动解算设备，所述数据传输单元主要负责将数据采集与自动化处理单元的数据处理结果通过北斗通信的方式传输到陆地的控制中心。
11.本发明的有益效果是，本发明提供高频三维海面坐标测量装置，通过嵌入的自动化解算程序对多天线之间的数据进行差分解算，并对边长距离进行约束平差，可以消除卫星星历误差、卫星钟差和接收机钟差的影响，大大减弱对流层延迟误差、电离层延迟误差、多路径效应以及随机误差的影响，可以很大程度上提高浮标三维位置的观测精度，对数据解算结果通过数据传输系统发送到陆地控制系统，进行下一步分析。
附图说明
12.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
13.图1为本发明三维海面坐标测量装置示意图；图2为本发明实施例中网形图；图3为本发明实施例测量装置倾斜示意图；图4为本发明实施例向量示意图。
14.图中1.gnss接收机天线一，2.gnss接收机天线二，3.gnss接收机天线三，4.gnss接收机天线四，5.gnss接收机，6.太阳能电池板一，7.太阳能电池板二，8.数据采集与自动化处理单元，9.蓄电池，10.数据传输单元，11.浮体，12.标架。
具体实施方式
15.为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
16.如图1所示，本发明实施例公开了一种基于多天线gnss阵列的高频三维海面坐标测量装置，包括gnss接收机天线、gnss接收机5、太阳能电池板、数据采集与自动化处理单元8、蓄电池9、数据传输单元10、浮体11及标架12，其中本实施例中gnss接收机天线有四个（gnss接收机天线一1，gnss接收机天线二2，gnss接收机天线三3，gnss接收机天线四4），太阳能电池板设置有两块（太阳能电池板一6，太阳能电池板二7）。
17.gnss接收机天线与gnss接收机5通过电缆相连；gnss接收机5、太阳能电池板、数据采集与自动化处理单元8和数据传输单元10均通过电缆与蓄电池9相连；数据采集与自动化处理单元8和数据传输单元10通过电缆相连。数据采集与自动化处理单元8、蓄电池9和数据传输单元10均匀放置在浮体11的设备仓中，浮体11做严格的防水处理。gnss接收机天线、gnss接收机5和太阳能电池板均匀放置在标架12上方，电缆连接处做严格的防水处理。数据采集与自动化处理单元8主要包括数据存储设备和基于linux的数据自动解算设备，数据传
输单元10主要负责将数据采集与自动化处理单元8的数据处理结果（高精度、高频的三维海面坐标）通过北斗通信的方式传输到陆地的控制中心。
18.微型gnss阵列经过载波相位双差观测后，可以消除卫星星历误差、卫星误差和接收机误差的影响，大大减弱对流层延迟误差、电离层延迟误差、多路径效应以及随机误差的影响，解算出来的基线精度较高，在此基础上以微型gnss阵列中天线之间的边长为约束进行网平差可进一步提高定位精度，采用附有限制条件的间接平差模型，以gnss基线作为观测量，在约束平差中依次将每个天线的精密单点定位结果作为必要的起算数据，平差解算另外几个天线的坐标，将每个天线多次平差的结果取均值获得天线最终坐标，将每个天线的最终坐标取均值，即可计算测量装备中心的海面三维位置信息。微型 gnss阵列如图2所示，测站b、c、d和e呈规则分布，各接收机天线之间空间距离在出厂前可通过激光跟踪仪通过距离测量高精度测定，a为岸基的基准站。求解各天线坐标的具体方法如下：1.首先利用rtklib解算动态基线向量，将a点设为基准点，通过a的坐标和基线向量解算其他点近似坐标。以基线bc为例介绍，基线bc与基线两端点的数学关系为：
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（1）式(1)中，、为b、c两点的坐标，以米为单位；为b点到测站c点的基线向量。
19.2.根据公式(1)得基线bc的误差方程为：
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（2）式(2)中，为基线bc的观测值改正数；、为b点和c点的坐标估值。
20.3.通过公式(1)和公式(2)，得到基线bc的误差方程：4.微型阵列gnss网中6条基线的误差方程为：
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（4）式(4)中，是误差方程自由项，为待求参数，为改正数，为系数矩阵
5.添加距离约束条件，图2中bc的距离公式为：式(5)中，为基线bc的边长估值。
21.6.对公式(5)进行微分得：由公式(6)得约束方程：
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（7）式(7)中，表示约束方程的系数，，表示基线bc的边长，。
22.7.根据式（4）和式（7）建立微型gnss阵列法方程：式(8)中，，，为微型gnss阵列基线向量之间的权阵，， 为由观测基线的方差-协方差矩阵组成的矩阵，是中误差，为联系数，为待求参数， 为误差方程自由项。
23.8. 根据公式(8)得:式(9)中，，c为约束方程系数。
24.由公式（9）可解算得到微型阵列中各点的坐标未知数，坐标未知数与近似坐标相加即可得网平差后的坐标。
25.将步骤1-8的算法嵌入数据采集与自动化处理单元中，自动解算各个天线的动态坐标，并自动将空间直角坐标系坐标（xyz）转化为大地坐标系(blh)，即可获得天线的动态大地高和测量装备动态平面位置。
26.9.计算测量装备的倾斜角度。假设某个时刻测量装备的姿态如图3所示，设天线b、c、d和e的坐标分别为、和 ，由四个天线组成的平面中心o点的坐标为，o点的坐标可由b、c、d和e的坐标求平均得到。通过比较b、c、d和e的坐标，找到比o点大地高低的两个点，假设某一时刻b点和c点的大地高比o点低，此时o点、b点和c点组成如图4所示的向量关系，将各点的坐标带入（10）得，
因此，f点的坐标可表示为，将f点和o点的坐标转换为大地坐标系即可得到f点和o点的大地高分别为和，因此，测量装备的倾斜角度可表示为：10.计算海面高。
27.测量装备的吃水深度可表示为（13）其中，g为测量装备的总重力，ρ为海水密度， g为重力加速度，s为测量装备与水面接触的表面积。
28.因此，经过姿态改正和天线高矫正后的海面高为：其中，h
t
为天线的大地高，θ为测量装备的倾斜角度，为gnss天线距离测量装备底面之间的垂直距离（在图3中为tb的长度），h
dra
为测量装备的吃水深度。
29.对四个天线的海面高取平均，即为测量装备中心处对应的海面高度。
30.表1距离约束平差后点位坐标精度（rms）改善率采用瑞士伯尔尼大学的bernese5.2软件中数据模拟板块来模拟地面测站的观测文件。bernese5.2模拟地面测站是通过已知的卫星星历和地面测站，来求定该测站观测到的gnss信号。微型gnss阵列数据模拟时，首先根据星历提供的卫星位置与截止高度角计算微型gnss阵列中天线所观测到的gps卫星。然后将阵列中天线到gps卫星的距离作为微型gnss阵列观测值的真值。最后通过参数设置以及误差改正模型在真值上添加误差。本实例模拟了如图2所示的b、c、d和e四个天线处的数据，a点为模拟的固定站数据，数据采样频率为1hz。通过将a点作为固定点，采用rtklib软件对数据进行基线解算，得到动态基线向量，然后利用距离约束网平差计算各点位的坐标，最后统计各点位坐标经过距离约束平差后的rms改善率，结果如表1所示。由表1可得，各点位坐标精度平均提高了29.24%，由此可见，本发明可以有效的提高海面三维坐标的观测精度。
31.以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。