CN105486291A - 一种用于无验潮水深测量的动态精密单点定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无验潮水深测量的动态精密单点定位方法，涉及动态精密单点定位领域，该方法基于附有水位约束的动态精密单点定位技术，通过开始测试位置的水位值推算得到接收机天线高程，根据内河航道水位变化不大的特点，在观测方程中引入高程约束条件，采用附有高程约束的动态精密单点定位模型得到每个测点的平面和高程信息，进而计算各测点处的水位值，本发明提供的一种用于无验潮水深测量的动态精密单点定位方法，能够加快动态精密单点定位收敛的时间，提高工作效率。

Description

一种用于无验潮水深测量的动态精密单点定位方法

技术领域

本发明涉及动态精密单点定位领域，尤其涉及精密单点定位技术在无验潮水深测量中的应用，加快动态精密单点定位的收敛速度。

技术背景

卫星定位技术在海洋测绘领域已经得到了较为长远的发展，将卫星定位技术与水深测量紧密地结合起来，能够实现自动化的高精度航道水深测量。无验潮水深测量的基本原理是利用高精度的卫星定位技术得到天线中心高程，通过高程转换得到所需坐标系中的标高，根据测深仪数据等信息，最终计算得到水底泥面相对深度基准面的高程。该系统主要由接收机设备、测深系统、水上导航采集软件组成，其中卫星接收机设备的定位精度是测量系统成果的主要影响因素之一。

当前无验潮水深测量主要使用的定位技术为差分定位技术，但差分定位在水深测量中会受到测区离基准站的距离的限制，采用基于实时相位差分的作业距离一般不超过12km，采用事后相位差分的作业距离一般不超过50km，并且存在至少需要两台双频接收机，作业成本较高等缺点。将动态精密单点定位技术应用于无验潮水深测量，能够有效解决离基站较远无法进行定位的问题，它还具有不需要建立基准站、测得的点位结果之间不存在误差积累等优势，但传统的动态精密单点定位技术需要长时间的收敛过程。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明目的是公开一种附有水位约束的动态精密单点定位新方法，能够较好地应用于内河航道的水深测量中，解决目前差分定位技术受距离限制、作业成本较高；以及传统动态精密单点定位技术收敛时间长的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于无验潮水深测量的动态精密单点定位方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：读取验潮站初始位置的水位值d_水位，利用初始位置的水位值d_水位与高程值H_大地高转换公式H_大地高＝L+d_水位+ζ得到接收机天线中心的高程值H_大地高；L表示接收机天线到水面的高差；ζ为高程异常值，将理论深度基准面当成似大地水准面，理论深度基准面就是似大地水准面到参考椭球面的高程异常值ζ。

步骤二：从接收机得到的双频伪距和载波相位观测值，列出“消电离层组合”的动态精密单点定位模型：

$\begin{array}{c}{P}_{IF}=\frac{f_1^2\·P_1-f_2^2\·P_2}{f_1^2-f_2^2}\\ =\mathrm{\ρ}+c\left({\mathrm{dt}}_r+{\mathrm{dt}}^s\right)+dtrop+{\mathrm{\ϵ}}_{P_{IF}}\end{array}$

$\begin{array}{c}{L}_{IF}=\frac{f_1^2\·L_1-f_2^2\·L_2}{f_1^2-f_2^2}\\ =\mathrm{\ρ}+c\left({\mathrm{dt}}_r-{\mathrm{dt}}^s\right)+dtrop\frac{f_1^2\·{\mathrm{\λ}}_1\·N_1-f_2^2\·{\mathrm{\λ}}_1\·N_2}{f_1^2-f_2^2}+{\mathrm{\ϵ}}_{L_{IF}}\end{array}$

式中，L₁、L₂分别是GPS信号调制波L₁、L₂载波上改正后的相位观测值(单位为m)；

P₁、P₂分别是GPS信号调制波L₁、L₂载波上改正后的伪距观测值；

f₁、f₂分别是L₁、L₂载波的频率；λ₁、λ₂分别是L₁、L₂载波的波长；

N₁、N₂分别是L₁、L₂载波的整周模糊度；

ρ是卫星到接收机的几何距离；c是光速；

dt_r、dt^s分别是接收机钟差和卫星钟差；

dtrop是对流层延迟项；

分别是“消电离层组合”伪距和相位观测值的残差值；

在动态精密单点定位模型中，每个历元的接收位置参数都是不断变化的，进行Kalman滤波时，设置噪声向量协方差阵的坐标相关参数为(100m)²。将动态精密单点定位模型进行线性化：

V＝AX-L

X＝[δx，δy，δz，dt_r，δtrop，N₁，…，N_n]^T

式中，接收机r观测的任意一颗卫星i的系数矩阵为：

$A=\left[\begin{array}{cccccc}\frac{x_i-X^r}{{\mathrm{\ρ}}_i^r}& \frac{y_i-Y^r}{{\mathrm{\ρ}}_i^r}& \frac{z_i-Z^r}{{\mathrm{\ρ}}_i^r}& 1& M_i& 1\\ \frac{x_i-X^r}{{\mathrm{\ρ}}_i^r}& \frac{y_i-Y^r}{{\mathrm{\ρ}}_i^r}& \frac{z_i-Z^r}{{\mathrm{\ρ}}_i^r}& 1& M_i& 0\end{array}\right]$

式中，x_i、y_i、z_i表示卫星i的坐标，X^r、Y^r、Z^r表示接收机r的坐标，表示卫星到接收机的几何距离；M_i表示天顶方向上的对流层湿延迟投影函数；第一行为载波相位观测方程式系数，第二行为伪距观测方程式系数。

步骤三：在动态精密单点定位模型中加入高程约束条件：

V＝RX-W

高程约束条件的系数阵为：

$R=\left(\begin{array}{cccccc}{\mathrm{cosB}}_0{\mathrm{cosL}}_0& {\mathrm{cosB}}_0{\mathrm{sinL}}_0& {\mathrm{sinB}}_0& 0& 0& 0\end{array}\right),W={\tilde{h}}_0$

上式中，B₀、L₀分别表示接收机的概略纬度和经度；表示通过初始位置水位值d_水位推算得到的天线中心的高程值H_大地高；内河航道水面的短时间波动范围一般在20cm以内，在动态Kalman滤波模型中，将噪声向量协方差阵的高程约束相关参数设置为(0.2m)²；

步骤四：利用动态精密单点定位计算得到接收机天线的三维坐标；通过动态精密单点定位技术可以得到GPS天线中心的高程值H_大地高，测量出GPS天线中心到换能器底部的高差L和吃水深度H_吃水，结合测深仪得到的水深值H_水深，可得到泥面相对于参考椭球面的高程为：

H_泥面＝H_大地高-L-H_吃水-H_水深

泥面相对于理论深度基准面的高程为：

H＝H_理论-H_泥面

＝H_理论-(H_大地高-L-H_吃水-H_水深)

＝(H_理论-H_大地高)+L+H_吃水+H_水深

最终得到深度基准面高程，即水深可以表示为：

H＝L+H_吃水+H_水深-H_大地高+ζ

本发明由于采用上述方法，采用精密单点定位技术，达到作业范围不受限制、减少作业设备的优势。采用上述方法后，因内河航道水位值在短时间内变化较小，根据开始测试时已知的水位值反推出接收机天线高程，作为定位高程约束条件，能够有效加快动态精密单点定位的收敛速度，实现了在高程方向的定位结果快速收敛，提高了精密单点定位技术在水深测量领域的应用的效率。

附图说明

图1是方法流程图；

图2是无验潮水深测量中的高程空间结构关系。

具体实施方式

下面将结合附图与具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细说明：

如图1所示为方法流程图。下面使用中海达V30接收机和HD-310测深仪在长江南京段上采集动态GPS/GLONASS双系统、双频伪距和载波观测数据，采样率为1s，卫星截止高度角为10°。采用本发明提出的新方法进行动态解算，并将最终定位结果与传统精密单点定位结果、以及验潮站水位进行比较。

首先从IGS网站下载所需时段的精密星历和精密钟差产品，结合记录的原始观测数据和初始水位值，采用自主编写的附有水位约束的动态精密单点定位软件，对数据进行预处理和各项误差计算后，计算得到每个历元的接收机天线坐标，最终得到水位成果，并与其他方式得到的结果进行对比分析。

如图2所示为无验潮水深测量中的高程空间结构关系。通过卫星定位技术得到高精度的接收机天线的三维坐标，该高程值属于大地高系统，进行一系列高程转换后，可直接得到最终水位结果。反之，可根据水位信息反算得到天线中心的高程值，下面列出该转换方法的计算过程：

H_大地高＝L+d_水位+H_理论

在实际工程中，将理论深度基准面当成似大地水准面，所以H_理论就是似大地水准面到参考椭球面的高程值，即为高程异常值ζ。则上式可以改写为：

H_大地高＝L+d_水位+ζ

上式中，H_大地高表示接收机天线的大地高；L表示接收机天线到水面的高差；d_水位表示验潮站水位观测值。

(2)精密单点定位技术无法通过差分对数据进行精确的预处理，再通过相关模型计算出各项误差改正值，并对存在问题的卫星进行标记。数据处理完成后，根据接收机获取的双频伪距和载波相位观测值，经过误差改正后，列出“消电离层组合”的动态精密单点定位模型：

$\begin{array}{c}{P}_{IF}=\frac{f_1^2\·P_1-f_2^2\·P_2}{f_1^2-f_2^2}\\ =\mathrm{\ρ}+c\left({\mathrm{dt}}_r+{\mathrm{dt}}^s\right)+dtrop+{\mathrm{\ϵ}}_{P_{IF}}\end{array}$

$\begin{array}{c}{L}_{IF}=\frac{f_1^2\·L_1-f_2^2\·L_2}{f_1^2-f_2^2}\\ =\mathrm{\ρ}+c\left({\mathrm{dt}}_r-{\mathrm{dt}}^s\right)+dtrop\frac{f_1^2\·{\mathrm{\λ}}_1\·N_1-f_2^2\·{\mathrm{\λ}}_1\·N_2}{f_1^2-f_2^2}+{\mathrm{\ϵ}}_{L_{IF}}\end{array}$

式中，L₁、L₂分别是GPS信号调制波L₁、L₂载波上改正后的相位观测值(单位为m)；

P₁、P₂分别是GPS信号调制波L₁、L₂载波上改正后的伪距观测值；

f₁、f₂分别是L₁、L₂载波的频率；λ₁、λ₂分别是L₁、L₂载波的波长；

N₁、N₂分别是L₁、L₂载波的整周模糊度；

ρ是卫星到接收机的几何距离；c是光速；

dt_r、dt^s分别是接收机钟差和卫星钟差；

dtrop是对流层延迟项；

分别是“消电离层组合”伪距和相位观测值的残差值；

在动态精密单点定位模型中，每个历元的接收位置参数都是不断变化的，进行Kalman滤波时，设置噪声向量协方差阵的坐标相关参数为(100m)²。将动态精密单点定位模型进行线性化：

V＝AX-L

X＝[δx，δy，δz，dt_r，δtrop，N₁，…，N_n]^T

式中，接收机r观测的任意一颗卫星i的系数矩阵为：

$A=\left[\begin{array}{cccccc}\frac{x_i-X^r}{{\mathrm{\ρ}}_i^r}& \frac{y_i-Y^r}{{\mathrm{\ρ}}_i^r}& \frac{z_i-Z^r}{{\mathrm{\ρ}}_i^r}& 1& M_i& 1\\ \frac{x_i-X^r}{{\mathrm{\ρ}}_i^r}& \frac{y_i-Y^r}{{\mathrm{\ρ}}_i^r}& \frac{z_i-Z^r}{{\mathrm{\ρ}}_i^r}& 1& M_i& 0\end{array}\right]$

式中，x_i、y_i、z_i表示卫星i的坐标，X^r、Y^r、Z^r表示接收机r的坐标，表示卫星到接收机的几何距离；M_i表示天顶方向上的对流层湿延迟投影函数；第一行为载波相位观测方程式系数，第二行为伪距观测方程式系数。

添加高程约束条件：

V＝RX-W

高程约束条件的系数阵为：

$R=\left(\begin{array}{cccccc}{\mathrm{cosB}}_0{\mathrm{cosL}}_0& {\mathrm{cosB}}_0{\mathrm{sinL}}_0& {\mathrm{sinB}}_0& 0& 0& 0\end{array}\right),W={\tilde{h}}_0$

式中，B₀、L₀分别表示接收机的纬度和经度；表示通过初始位置水位值推算得到的天线中心高程值H_大地高。内河的水面波动范围一般在20cm以内，在Kalman滤波的动态模型中，将噪声向量协方差阵的高程约束相关参数设置为(0.2m)²。

利用Kalman滤波即可求得接收机位置、钟差、天顶对流层延迟以及模糊度参数，为水深测量提供高精度的测点坐标。

(3)最终，利用动态精密单点定位计算得到接收机天线的三维坐标，能够进一步得到成果水深。具体过程如下：

通过动态精密单点定位技术可以得到GPS天线中心的高程值H_大地高，测量出GPS天线中心到换能器底部的高差L和吃水深度H_吃水，结合测深仪得到的水深值H_水深，可得到泥面相对于参考椭球面的高程为：

H_泥面＝H_大地高-L-H_吃水-H_水深

泥面相对于理论深度基准面的高程为：

H＝H_理论-H_泥面

＝H_理论-(H_大地高-L-H_吃水-H_水深)

＝(H_理论-H_大地高)+L+H_吃水+H_水深

最终得到深度基准面高程，即成果水深可以表示为：

H＝L+H_吃水+H_水深-H_大地高+ζ

Claims (1)

1.一种用于无验潮水深测量的动态精密单点定位方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一：读取验潮站初始位置的水位值d_水位，利用初始位置的水位值d_水位与高程值H_大地高转换公式H_大地高＝L+d_水位+ζ得到接收机天线中心的高程值H_大地高；L表示接收机天线到水面的高差；ζ为高程异常值，将理论深度基准面当成似大地水准面，理论深度基准面就是似大地水准面到参考椭球面的高程异常值ζ。

步骤二：从接收机得到的双频伪距和载波相位观测值，列出“消电离层组合”的动态精密单点定位模型：

式中，L₁、L₂分别是GPS信号调制波L₁、L₂载波上改正后的相位观测值(单位为m)；

P₁、P₂分别是GPS信号调制波L₁、L₂载波上改正后的伪距观测值；

f₁、f₂分别是L₁、L₂载波的频率；λ₁、λ₂分别是L₁、L₂载波的波长；

N₁、N₂分别是L₁、L₂载波的整周模糊度；

ρ是卫星到接收机的几何距离；c是光速；

dt_r、dt^s分别是接收机钟差和卫星钟差；

dtrop是对流层延迟项；

分别是“消电离层组合”伪距和相位观测值的残差值；

在动态精密单点定位模型中，每个历元的接收位置参数都是不断变化的，进行Kalman滤波时，设置噪声向量协方差阵的坐标相关参数为(100m)²。将动态精密单点定位模型进行线性化：

V＝AX-L

X＝[δx，δy，δz，dt_r，δtrop，N₁，…，N_n]^T

式中，接收机r观测的任意一颗卫星i的系数矩阵为：

式中，x_i、y_i、z_i表示卫星i的坐标，X^r、Y^r、Z^r表示接收机r的坐标，表示卫星到接收机的几何距离；M_i表示天顶方向上的对流层湿延迟投影函数；第一行为载波相位观测方程式系数，第二行为伪距观测方程式系数。

步骤三：在动态精密单点定位模型中加入高程约束条件：

V＝RX-W

高程约束条件的系数阵为：

上式中，B_O、L_O分别表示接收机的概略纬度和经度；表示通过初始位置水位值d_水位推算得到的天线中心的高程值H_大地高；内河航道水面的短时间波动范围一般在20cm以内，在动态Kalman滤波模型中，将噪声向量协方差阵的高程约束相关参数设置为(0.2m)²；

步骤四：利用动态精密单点定位计算得到接收机天线的三维坐标；通过动态精密单点定位技术可以得到GPS天线中心的高程值H_大地高，测量出GPS天线中心到换能器底部的高差L和吃水深度H_吃水，结合测深仪得到的水深值H_水深，可得到泥面相对于参考椭球面的高程为：

H_泥面＝H_大地高-L-H_吃水-H_水深

泥面相对于理论深度基准面的高程为：

H＝H_理论-H_泥面

＝H_理论-(H_大地高-L-H_吃水-H_水深)

＝(H_理论-H_大地高)+L+H_吃水+H_水深

最终得到深度基准面高程，即水深可以表示为：

H＝L+H_吃水+H_水深-H_大地高+ζ。