CN110109167A - 一种基于高程约束的海上精密定位方法 - Google Patents

一种基于高程约束的海上精密定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于高程约束的海上精密定位方法，以根据验潮站观测的水位数据求得的瞬时海面大地高数据为基础，通过计算GNSS接收机天线相位中心距瞬时海面的距离，生成GNSS天线相位中心的先验大地高数据，并用先验大地高数据进行约束解算，达到改善海上高程方向定位精度的目的。本发明方法与常规GNSS定位算法比较，添加了高程约束条件，不仅能够有效提高高程方向的解算精度，而且能够明显缩短高程方向的收敛时间。

Description

一种基于高程约束的海上精密定位方法
技术领域
本发明涉及海上测量技术，特别涉及一种基于高程约束的海上精密定位方法。
背景技术
海上定位是海上测量作业的基础。目前海上定位主要依赖GNSS(GlobalNavigation Satellite System)进行，存在的主要难题是高程方向的定位精度明显低于平面方向的定位精度。此外，为了开展海洋研究，沿岸布设的验潮站可以提供第一手的水位观测资料，为本方法的实现奠定了数据基础。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于高程约束的海上精密定位方法。在常规GNSS定位解算过程中，添加通过GNSS之外的技术手段获得的具有一定精度的GNSS天线相位中心先验大地高数据(HG)作为约束条件，以期提高海上高程方向的定位精度。
本发明所采用的技术方案是：一种基于高程约束的海上精密定位方法，包括以下步骤：
步骤一，测量区域瞬时水位观测数据h位的获取：采用水位计获取测量区域瞬时水位观测数据，水位计所记录的瞬时海面距离水位计零点的距离为测量区域瞬时水位观测数据h位；
步骤二，瞬时海面大地高数据H瞬获取：将步骤一得到的测量区域瞬时水位观测数据h位加上水位计零点基于参考椭球的大地高H零得到瞬时海面相对于参考椭球的大地高数据H瞬；
步骤三，GNSS天线相位中心先验大地高数据HG获取：根据船舶实时动态吃水情况，确定GNSS天线相位中心相对于瞬时海面的距离h杆，然后加上步骤二得到的瞬时海面大地高数据H瞬得到GNSS天线相位中心先验大地高数据HG；
步骤四，基于高程约束的海上精密定位解算：将步骤三得到的GNSS天线相位中心大地高数据HG作为具有误差的观测数据加入常规GNSS的解算过程，实现基于高程约束的海上精密定位解算。
进一步地，步骤一中，所述水位计采用由天津市海华技术开发中心研发并由中国国家海洋技术中心监制的SCA11-3型压力式水位计，所述SCA11-3型压力式水位计的零点基于参考椭球面的大地高H零已精确测定。
进一步地，步骤三中，所述GNSS天线相位中心先验大地高数据HG的获取，是只考虑水位观测误差而排除其他所有观测误差的数据，是与GNSS天线观测得到的大地高数据H观互相独立的数据。
进一步地，步骤四中，在加入高程约束后的GNSS的解算过程中，在读取数据时，需读取高程约束数据；在计算残差的过程中，除了计算载波相位观测值和伪距观测残差之外，还要根据当前历元读取的GNSS天线相位中心先验大地高数据HG和上一历元解算的高程值求解高程观测残差。
其中，所述高程约束数据即为GNSS天线相位中心先验大地高数据HG，所述高程约束数据作为观测值参与解算。
进一步地，步骤四中，所述的GNSS天线相位中心大地高数据HG加入常规GNSS的解算过程，如下：
参考椭球上的点位坐标(X，Y，Z)满足：
其中，a、b分别为参考椭球的长、短半轴；
已知GNSS接收机相对于参考椭球的高度为h，则，GNSS接收机点位坐标(Xr,Yr,Zr)满足下式：
将式(2)线性化之后，可得到：
其中：
将式(3)与常规GNSS PPP解算模型线性化结果结合，生成基于高程约束的解算模型，实现基于高程约束的GNSS PPP解算。
本发明的有益效果是：
本发明提出的基于高程约束的海上精密定位方法，与常规GNSS定位算法比较，添加了高程约束条件，不仅能够有效提高高程方向的解算精度，而且能够明显缩短高程方向的收敛时间。
附图说明
图1是本发明GNSS天线相位中心先验大地高数据(HG)获取原理示意图；
图2是本发明基于高程约束的海上精密定位流程示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
本发明提出了一种基于高程约束的海上精密定位方法，所谓高程约束是指将以具有一定精度的验潮站水位观测数据(h位)为基础，通过验潮站零点相对于参考椭球的大地高(H零)，再结合GNSS天线相位中心相对于瞬时海面的距离(h杆)，求得的独立于GNSS接收机观测得到的GNSS天线大地高数据(H观)的一组GNSS天线先验大地高数据(HG)加入到常规GNSS定位解算过程的方法。目的在于为海上定位存在的高程方向的定位精度大约只有平面精度的一半的现状提供一种解决方法，提高海上高程方向的定位精度。
如图1所示，一种基于高程约束的海上精密定位方法，由测量区域瞬时水位观测数据(h位)获取、瞬时海面大地高数据(H瞬)获取、GNSS天线相位中心先验大地高数据(HG)获取以及基于高程约束的海上精密定位解算四个主要部分组成，具体过程如下：
步骤一，测量区域瞬时水位观测数据(h位)获取，本方法采集水位数据用到的测量仪器主要是由天津市海华技术开发中心研发并由中国国家海洋技术中心监制的SCA11-3型压力式水位计。该水位计的零点基于参考椭球面的大地高(H零)已经精确测定，水位计记录的数据是瞬时海面距离水位计零点的距离，即瞬时水位观测数据(h位)。
步骤二，瞬时海面大地高数据(H瞬)获取。在测量区域的沿岸找到验潮站，同时确保测量区域在验潮站控制范围内，将根据验潮站水位计观测得到的瞬时水位观测数据(h位)加上水位计零点相对于参考椭球的高度(H零)即可得到瞬时海面大地高(H瞬)。通过上述方法获取的瞬时海面大地高为通过除GNSS观测以外的手段获得的。之所以需要确保测量区域在验潮站的控制范围内，是因为通过上述方法得到的瞬时海面大地高数据只是验潮站水位计测量点一个点位的瞬时水位数据，还需要将其外推到作业区域，而外推范围是由验潮站的控制范围决定的。
步骤三，GNSS天线相位中心先验大地高数据(HG)获取：根据船舶实时动态吃水情况，确定GNSS天线相位中心相对于瞬时海面的距离(h杆)，然后加上瞬时海面大地高数据(H瞬)即可得到GNSS天线相位中心先验大地高数据(HG)。这一步得到的GNSS天线相位中心先验大地高数据(HG)，是只考虑水位观测误差而排除其他所有观测误差得到的数据，是与GNSS天线观测得到的大地高数据(H观)互相独立的数据，认为HG与H观只相差水位观测误差。
步骤四，基于高程约束的海上精密定位解算：将步骤三得到的GNSS天线相位中心先验大地高数据(HG)作为具有一定误差的观测数据加入常规GNSS的解算过程(解算过程如图2所示)，实现基于高程约束的海上精密定位解算。该步骤中加入的高程约束数据是作为观测值存在的，而非已知值，所以，实现定位需要的观测量的个数并没有减少。其中，所述高程约束数据即为步骤三得到的GNSS天线相位中心先验大地高数据(HG)。
其中，GNSS天线相位中心先验大地高数据(HG)加入常规解算模型的方法如下：
WGS-84参考椭球上的点位坐标(X，Y，Z)满足：
其中，a、b分别为WGS-84参考椭球的长、短半轴。若已知GNSS接收机相对于参考椭球的高度为h。由于h远远小于a或b，则可做如下假设：GNSS接收机点位坐标(Xr,Yr,Zr)满足下式：
将式(2)线性化之后，可得到：
其中：
将式(3)与常规GNSS PPP解算模型线性化结果结合，即可生成基于海面高程约束的解算模型，实现基于海面高程约束的GNSS PPP解算。
以一个历元的解算过程为例，读取数据的时候除了读取常规PPP解算需要用到的观测数据(.o)、导航数据、精密星历数据(.sp3)和精密钟差数据(.clk)，以及包括天线相位中心改正(.atx)、海洋负荷潮汐(.blq)等在内的改正数据之外，还要读取高程约束数据。不论当前历元GNSS观测卫星是否有效，高程约束数据每个历元更新一次。在计算残差的过程中，除了计算载波相位观测值和伪距观测残差之外，还要将当前历元读取的GNSS天线相位中心先验大地高数据(HG)和上一历元解算得到的大地高做差求解高程观测残差。
本发明以根据验潮站观测的水位数据(h位)求得的瞬时海面大地高数据(H瞬)为基础，通过计算GNSS接收机天线相位中心距瞬时海面的距离(h杆)，生成GNSS天线相位中心的先验大地高数据(HG)，并用先验大地高数据进行约束解算，达到改善海上高程方向定位精度的目的。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于高程约束的海上精密定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，测量区域瞬时水位观测数据h位的获取：采用水位计获取测量区域瞬时水位观测数据，水位计所记录的瞬时海面距离水位计零点的距离为测量区域瞬时水位观测数据h位；
步骤二，瞬时海面大地高数据H瞬获取：将步骤一得到的测量区域瞬时水位观测数据h位加上水位计零点基于参考椭球的大地高H零得到瞬时海面相对于参考椭球的大地高数据H瞬；
步骤三，GNSS天线相位中心先验大地高数据HG获取：根据船舶实时动态吃水情况，确定GNSS天线相位中心相对于瞬时海面的距离h杆，然后加上步骤二得到的瞬时海面大地高数据H瞬得到GNSS天线相位中心先验大地高数据HG；
步骤四，基于高程约束的海上精密定位解算：将步骤三得到的GNSS天线相位中心大地高数据HG作为具有误差的观测数据加入常规GNSS的解算过程，实现基于高程约束的海上精密定位解算。
2.根据权利要求1所述的一种基于高程约束的海上精密定位方法，其特征在于，步骤一中，所述水位计采用由天津市海华技术开发中心研发并由中国国家海洋技术中心监制的SCA11-3型压力式水位计，所述SCA11-3型压力式水位计的零点基于参考椭球面的大地高H零已精确测定。
3.根据权利要求1所述的一种基于高程约束的海上精密定位方法，其特征在于，步骤三中，所述GNSS天线相位中心先验大地高数据HG的获取，是只考虑水位观测误差而排除其他所有观测误差的数据，是与GNSS天线观测得到的大地高数据H观互相独立的数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于高程约束的海上精密定位方法，其特征在于，步骤四中，在加入高程约束后的GNSS的解算过程中，在读取数据时，需读取高程约束数据；在计算残差的过程中，除了计算载波相位观测值和伪距观测残差之外，还要根据当前历元读取的GNSS天线相位中心先验大地高数据HG和上一历元解算的高程值求解高程观测残差。
5.根据权利要求4所述的一种基于高程约束的海上精密定位方法，其特征在于，所述高程约束数据即为GNSS天线相位中心先验大地高数据HG，所述高程约束数据作为观测值参与解算。
6.根据权利要求1所述的一种基于高程约束的海上精密定位方法，其特征在于，步骤四中，所述的GNSS天线相位中心大地高数据HG加入常规GNSS的解算过程，如下：
参考椭球上的点位坐标(X，Y，Z)满足：
其中，a、b分别为参考椭球的长、短半轴；
已知GNSS接收机相对于参考椭球的高度为h，则，GNSS接收机点位坐标(Xr,Yr,Zr)满足下式：
将式(2)线性化之后，可得到：
其中：
将式(3)与常规GNSS PPP解算模型线性化结果结合，生成基于高程约束的解算模型，实现基于高程约束的GNSS PPP解算。
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