CN106908044B - 一种基于北斗的全海域验潮系统及验潮方法 - Google Patents

一种基于北斗的全海域验潮系统及验潮方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于北斗的全海域验潮系统，包括北斗二代卫星导航定位系统、北斗卫星通信系统、岸边基站和位于海洋中载体上的验潮数据采集器；同时公开了该验潮系统的验潮方法，岸边基站根据验潮数据采集器的经纬度坐标确定所在海域的潮汐模型，并确定所在海域的主要分潮类型，根据分潮类型的周期对一整天的潮位数据进行三角多项式拟合，得到高精度的每天潮位曲线。本发明可以应用于任一能接收到北斗二代卫星电磁波信号的海域，克服了现有验潮手段只能在近岸操作的缺点，扩大了海洋潮汐测量的工作范围；且采用北斗卫星通信系统进行数据传输，具有很高的数据保密性。

Description

一种基于北斗的全海域验潮系统及验潮方法
技术领域
本发明属于海洋环境监测领域，特别涉及一种基于北斗二代卫星导航定位系统和北斗卫星通信系统的可以在全球任意海域进行验潮的方法。
背景技术
准确的获取海洋中的潮汐信息对于船舶航行、海洋灾害预报、海洋渔业、军事行动具有至关重要的作用。目前现有的验潮手段有验潮井、浮子式验潮、声学验潮和压力验潮，以上验潮方法均只能应用于近岸，无法应用于深远海。随着我国北斗卫星导航定位系统的逐步完善和北斗单点定位技术的日渐成熟，将其应用到海洋领域的验潮方法中，增加我国海洋潮汐测量工作的自动化、高精度和全球化的能力，为我国获取全球海洋潮汐数据提供技术支持是目前研究的重点。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于北斗的全海域验潮系统及验潮方法，以达到可以应用于全球任一海域，提高验潮数据保密性的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于北斗的全海域验潮系统，包括北斗二代卫星导航定位系统、北斗卫星通信系统、岸边基站和位于海洋中载体上的验潮数据采集器；所述北斗二代卫星导航定位系统包括北斗二代卫星和北斗二代卫星数据服务器；所述北斗卫星通信系统包括北斗通信卫星和位于岸边基站、验潮数据采集器上的北斗通信终端；所述验潮数据采集器包括电压转换模块和处理器，所述处理器与姿态传感器、北斗通信终端以及北斗信号采集模块相连；所述岸边基站与北斗二代卫星数据服务器相连，且岸边基站通过北斗卫星通信系统与验潮数据采集器信号连接，验潮数据采集器与北斗二代卫星信号连接。
一种基于北斗的全海域验潮系统的验潮方法，包括如下步骤：
(1)验潮数据采集器接收岸边基站发送的北斗精密星历和钟差数据，以及北斗二代卫星发射的电磁波信号，并进行分析、处理、计算验潮数据采集器所在海域的经纬度坐标及高程信息；
(2)经过姿态修正得到验潮数据采集器所在海域在CGCS2000坐标系下的海面高程信息，并将步骤(1)中得到的钟差数据、经纬度坐标以及经姿态修正后的海面高程信息发送回岸边基站；
(3)岸边基站对海面高程信息进行粗差剔除、高程异常转换和滑动平均，计算得到每分钟的潮位；
(4)岸边基站根据验潮数据采集器的经纬度坐标确定所在海域的潮汐模型，并确定所在海域的主要分潮类型，根据分潮类型的周期对一整天的潮位数据进行三角多项式拟合，得到高精度的每天潮位曲线。
上述方案中，所述步骤(1)中具体包括如下步骤：
a、岸边基站通过网络从北斗二代卫星数据服务器上实时下载采样间隔为15分钟的北斗精密星历和钟差数据，并进行分析，编码、打包，通过北斗卫星通信系统发送至验潮数据采集器；
b、验潮数据采集器解码北斗精密星历和钟差数据，并采用15阶拉格朗日多项式对采样间隔为15分钟的北斗精密星历和钟差数据进行内插，得到更新率10Hz的北斗精密星历和钟差数据；
c、验潮数据采集器接收北斗二代卫星的电磁波信号，将其转换成更新率10Hz的伪距、载波相位和多普勒观测量；
d、将步骤b和步骤c得到的观测量组成观测方程，求解出验潮数据采集器所在海域的经纬度坐标及高程信息。
上述方案中，根据权利要求2所述的一种基于北斗的全海域验潮系统的验潮方法，其特征在于，所述步骤(3)中的粗差剔除的具体方法为，求出1分钟内600个高程数据的平均值和标准差σ，如果其中的第i个值xi满足则将其舍去。
上述方案中，所述步骤(3)中高程异常转换的具体方法为，首先计算验潮数据采集器所在位置的高程异常εGM，
其中，GM为地心引力常数；a为椭球长半径；和为完全规格化位系数；为完全规格化缔合Legendre函数；r为GPS水准点的地心向径；γ为正常重力；λ为地心经度；λ为地心纬度；验潮数据采集器的高程数据减去高程异常εGM就可将其转换至潮位基准面。
上述方案中，所述步骤(4)中三角多项式拟合的公式为，
其中，a0为非周期分量，n为拟合阶数，an余弦系数，bn为正弦系数，ω为主要潮汐周期。
通过上述技术方案，本发明提供的基于北斗的全海域验潮系统和验潮方法有如下有益效果：
1)本发明利用北斗二代卫星导航定位系统进行潮汐测量，可以应用于任一能接收到北斗二代卫星电磁波信号的海域，克服了现有验潮手段只能在近岸操作的缺点，扩大了海洋潮汐测量的工作范围；
2)本发明采用北斗卫星通信系统进行数据传输，具有很高的数据保密性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的一种基于北斗的全海域验潮系统原理示意图；
图2为本发明实施例所公开的验潮数据采集器的组成示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种基于北斗的全海域验潮系统及验潮方法，可以实现全球任一海域的验潮工作，具有很高的数据保密性。
如图1所示的一种基于北斗的全海域验潮系统包括北斗二代卫星导航定位系统、北斗卫星通信系统、岸边基站和位于海洋中浮标体上的验潮数据采集器；北斗二代卫星导航定位系统包括北斗二代卫星和北斗二代卫星数据服务器；北斗卫星通信系统包括北斗通信卫星和位于岸边基站、验潮数据采集器上的北斗通信终端。
如图2所示，验潮数据采集器包括电压转换模块和处理器，处理器与姿态传感器、北斗通信终端和北斗信号采集模块相连；处理器采集各个传感器数据，运行数据处理软件，回传及存储数据处理结果；电压转换模块的功能是稳定电压和变换电压，通过PCI/ISA总线与处理器连接，输出为各个模块所需电压；北斗信号采集模块的作用是捕捉北斗二代卫星向地面发射的定位电磁波信号，将其转换成伪距、载波相位和多普勒频移等观测量并发送至处理器，该模块通过串口与处理器相连接；北斗通信终端的功能是以短报文的方式完成验潮数据采集器和岸边基站的数据通信，通过串口与处理器连接；姿态传感器以50Hz的采样率输出验潮数据采集器的姿态信息，包括横滚角、俯仰角和偏航角，该模块通过CAN总线与处理器连接。
岸边基站由工控机和北斗通信终端组成，工控机运行数据处理软件，通过网络从北斗二代卫星数据服务器上下载北斗二代卫星导航定位系统的精密星历和钟差数据，通过北斗通信终端向验潮数据采集器发送精密星历和钟差数据，接收验潮数据采集器回传的观测信息，根据验潮数据采集器的坐标确定其附近海域的潮汐模型，并计算模型中主要分潮的参数，使用滑动平均和三角多项式算法对高程数据进行处理，并对其进行大地水准面改正，得到每天的指定潮位基准面的潮位数据。
一种基于北斗的全海域验潮系统的验潮方法，包括如下步骤：
(1)岸边基站通过网络从北斗二代卫星数据服务器上实时下载采样间隔为15分钟的北斗精密星历和钟差数据，并进行分析，编码、打包，通过北斗卫星通信系统发送至验潮数据采集器。
(2)验潮数据采集器解码北斗精密星历和钟差数据，并采用15阶拉格朗日多项式对采样间隔为15分钟的北斗精密星历和钟差数据进行内插，得到更新率10Hz的北斗精密星历和钟差数据。
(3)验潮数据采集器接收北斗二代卫星的电磁波信号，将其转换成更新率10Hz的伪距、载波相位和多普勒观测量。
(4)将步骤(2)和步骤(3)得到的观测量组成观测方程，求解出验潮数据采集器所在海域的经纬度坐标及浮标体的天线位置处的高程信息。
(5)经过姿态修正得到验潮数据采集器所在海域在CGCS2000坐标系下的海面高程信息，并将步骤(2)中得到的钟差数据和步骤(4)中得到的经纬度坐标以及经姿态修正后的海面高程信息发送回岸边基站。
(6)岸边基站对海面高程信息进行粗差剔除、高程异常转换和滑动平均，计算得到每分钟的潮位。
其中，粗差剔除的具体方法为，求出1分钟内600个高程数据的平均值和标准差σ，如果其中的第i个值xi满足则将其舍去。
高程异常转换的具体方法为，首先计算验潮数据采集器所在位置的高程异常εGM，
其中，GM为地心引力常数；a为椭球长半径；和为完全规格化位系数；为完全规格化缔合Legendre函数；r为GPS水准点的地心向径；γ为正常重力；λ为地心经度；λ为地心纬度；验潮数据采集器的高程数据减去高程异常εGM就可将其转换至潮位基准面。
(7)岸边基站根据验潮数据采集器的经纬度坐标确定所在海域的潮汐模型，并确定所在海域的主要分潮类型，根据分潮类型的周期对一整天的潮位数据进行三角多项式拟合，得到高精度的每天潮位曲线。
其中，三角多项式拟合的公式为，
其中，a0为非周期分量，n为拟合阶数，an余弦系数，bn为正弦系数，ω为主要潮汐周期。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种基于北斗的全海域验潮系统的验潮方法，该验潮系统包括北斗二代卫星导航定位系统、北斗卫星通信系统、岸边基站和位于海洋中载体上的验潮数据采集器；所述北斗二代卫星导航定位系统包括北斗二代卫星和北斗二代卫星数据服务器；所述北斗卫星通信系统包括北斗通信卫星和位于岸边基站、验潮数据采集器上的北斗通信终端；所述验潮数据采集器包括电压转换模块和处理器，所述处理器与姿态传感器、北斗通信终端以及北斗信号采集模块相连；所述岸边基站与北斗二代卫星数据服务器相连，且岸边基站通过北斗卫星通信系统与验潮数据采集器信号连接，验潮数据采集器与北斗二代卫星信号连接；其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)验潮数据采集器接收岸边基站发送的北斗精密星历和钟差数据，以及北斗二代卫星发射的电磁波信号，并进行分析、处理、计算验潮数据采集器所在海域的经纬度坐标及高程信息；
(2)经过姿态修正得到验潮数据采集器所在海域在CGCS2000坐标系下的海面高程信息，并将步骤(1)中得到的钟差数据、经纬度坐标以及经姿态修正后的海面高程信息发送回岸边基站；
(3)岸边基站对海面高程信息进行粗差剔除、高程异常转换和滑动平均，计算得到每分钟的潮位；
(4)岸边基站根据验潮数据采集器的经纬度坐标确定所在海域的潮汐模型，并确定所在海域的主要分潮类型，根据分潮类型的周期对一整天的潮位数据进行三角多项式拟合，得到高精度的每天潮位曲线。
2.根据权利要求1所述的一种基于北斗的全海域验潮系统的验潮方法，其特征在于，所述步骤(1)中具体包括如下步骤：
a、岸边基站通过网络从北斗二代卫星数据服务器上实时下载采样间隔为15分钟的北斗精密星历和钟差数据，并进行分析，编码、打包，通过北斗卫星通信系统发送至验潮数据采集器；
b、验潮数据采集器解码北斗精密星历和钟差数据，并采用15阶拉格朗日多项式对采样间隔为15分钟的北斗精密星历和钟差数据进行内插，得到更新率10Hz的北斗精密星历和钟差数据；
c、验潮数据采集器接收北斗二代卫星的电磁波信号，将其转换成更新率10Hz的伪距、载波相位和多普勒观测量；
d、将步骤b和步骤c得到的观测量组成观测方程，求解出验潮数据采集器所在海域的经纬度坐标及高程信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于北斗的全海域验潮系统的验潮方法，其特征在于，所述步骤(3)中的粗差剔除的具体方法为，求出1分钟内600个高程数据的平均值和标准差σ，如果其中的第i个值xi满足则将其舍去。
4.根据权利要求1所述的一种基于北斗的全海域验潮系统的验潮方法，其特征在于，所述步骤(3)中高程异常转换的具体方法为，首先计算验潮数据采集器所在位置的高程异常εGM，
，
其中，GM为地心引力常数；a为椭球长半径；和为完全规格化位系数；为完全规格化缔合Legendre函数；r为GPS水准点的地心向径；γ为正常重力；λ为地心经度；λ为地心纬度；验潮数据采集器的高程数据减去高程异常εGM就可将其转换至潮位基准面。
5.根据权利要求1所述的一种基于北斗的全海域验潮系统的验潮方法，其特征在于，所述步骤(4)中三角多项式拟合的公式为，
，
其中，a0为非周期分量，n为拟合阶数，an为余弦系数，bn为正弦系数，ω为主要潮汐周期。
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