CN111578911A - 一种gnss潮位观测浮标动吃水改正装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种GNSS潮位观测浮标动吃水改正装置，包括姿态稳定部分和姿态补偿部分，姿态补偿部分包括数据融合模块，采用以下公式计算得到浮标动吃水改正值以及改正后的实时水面大地高：ζ＝{(K+L伸缩)‑[(P传感‑P大气)/(ρ*g)]/cosθ}*cosθ，H水＝H‑ζ，式中：ζ为浮标动吃水改正值，K为改正常数，L伸缩为伸缩标杆长度，P传感为压力传感器所测压力值，P大气为气压计所测压力值，θ为惯性测量单元所测的装置中心线与竖直方向夹角，H水为改正后的实时水面大地高，H为GNSS定位模块所测大地高。本发明能够降低风浪、潮流对浮标姿态的影响，消除动吃水误差，提高GNSS潮位观测浮标的潮位观测精度。

Description

一种GNSS潮位观测浮标动吃水改正装置
技术领域
本发明涉及潮位观测的动吃水改正装置，特别涉及一种GNSS潮位观测浮标动吃水改正装置。
背景技术
海洋潮位数据是重要的海洋水文观测要素。潮位的精准化测量和预报对航海运输、海洋工程、防灾减灾、海洋渔业、科学研究等都具有十分重要的应用价值。目前测量潮位主要采用潮位测量仪，根据工作原理不同，主要可分为浮子式和压力式；根据布设位置的不同，可分为岸基和离岸两种。近年，随着我国海洋经济的大力建设以及“海上丝绸之路”国家战略的实施，对精准的离岸潮位观测需求越来越大。
离岸潮位观测目前主要有压力式潮位仪和GNSS潮位观测浮标两种，其中GNSS潮位观测浮标机动灵活、价格低廉，结合卫星通信/移动互联网易实现离岸潮位的遥测遥报，因此不断完善中的GNSS潮位观测浮标观测将是离岸潮位观测的必然趋势。当前，随着GNSS实时定位技术和移动通讯技术的发展，GNSS潮位观测浮标的定位精度和作业范围有了较大提高。但是，GNSS潮位观测浮标姿态时刻受海洋风浪和潮流影响，引起的动吃水误差一直没有得到有效解决，严重影响了GNSS潮位观测浮标的测量精度和应用推广。GNSS潮位观测浮标动吃水误差的大小具有很强的随机性和偶然性，很难通过事后数据处理的方式予以剔除。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种GNSS潮位观测浮标动吃水改正装置，能够有效降低风浪、潮流对浮标姿态的影响，消除动吃水误差，显著提高GNSS潮位观测浮标的潮位观测精度。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种GNSS潮位观测浮标动吃水改正装置，所述浮标包括浮球和设置在所述浮球内部的GNSS定位模块、通信模块和太阳能电池组，该动吃水改正装置包括姿态稳定部分和姿态补偿部分，所述姿态稳定部分包括平衡环、伸缩杆以及配重环，所述平衡环套固在所述浮球的中线圈处，所述平衡环上设有多个均匀布置的过水孔，所述伸缩杆包括竖直连接在所述浮球底部中央的套杆和插装在所述套杆内的伸缩标杆，所述伸缩标杆和所述套杆通过螺栓固定，在所述伸缩标杆上设有从下至上递增的刻度值，所述刻度值的起始刻度为改正常数K，所述改正常数K为所述GNSS定位模块相位中心到所述套杆下端距离加上所述压力传感器到所述伸缩标杆下端距离，在所述伸缩标杆下端设有与其垂直固接的圆形挡板，在所述圆形挡板上置放有配重环，所述配重环套装在所述伸缩标杆上，在所述圆形挡板一侧设有系缆孔，所述系缆孔与缆绳的一端连接，所述缆绳的另一端与海底基座连接；所述姿态补偿部分包括气压计、惯性测量单元、密度计、压力传感器和数据融合模块，所述气压计密封插在所述浮球顶部，所述惯性测量单元集成在所述GNSS定位模块中，所述密度计设置在所述圆形挡板的下方，所述压力传感器连接在所述圆形挡板正下方，所述气压计、所述惯性测量单元、所述密度计和所述压力传感器将其所测数据实时传输给所述数据融合模块进行同步改正，所述数据融合模块设置在所述浮球内部，并采用以下公式计算得到浮标动吃水改正值以及改正后的实时水面大地高：
ζ＝{(K+L伸缩)-[(P传感-P大气)/(ρ*g)]/cosθ}*cosθ
H水＝H-ζ
式中：ζ为浮标动吃水改正值，K为改正常数-伸缩标杆上的起始刻度，L伸缩为伸缩标杆长度，也是伸缩标杆上套杆下端处的刻度，P传感为压力传感器所测压力值，P大气为气压计所测压力值，ρ为密度计所测海水密度，g为重力常数，θ为惯性测量单元所测的装置中心线与竖直方向夹角，H水为改正后的实时水面大地高，H为GNSS定位模块所测大地高；所述数据融合模块将改正后的实时水面大地高数据实时同步传输给所述通信模块，在所述数据融合模块上连接有数据输入/输出端口，所述数据输入/输出端口密封固定在所述浮球上。
所述通信模块为北斗短报文+移动互联网双路通信模块。
所述伸缩杆与所述浮球和所述圆形挡板通过螺纹连接。
所述GNSS定位模块、所述惯性测量单元、所述伸缩杆、所述压力传感器和所述配重环同轴设置。
本发明具有的优点和积极效果是：通过在浮球上设置平衡环，可有效减小波浪对GNSS潮位观测浮标在X轴、Y轴上摇摆的影响；在浮球下方设置伸缩杆和配重环，降低了GNSS潮位观测浮标的重心，根据不同的海况条件，通过调节伸缩杆长度以及增减配重环个数和重量，来调节整个浮标系统的重心位置，进一步减少风浪、潮流引起的X轴、Y轴上的摇摆以及Z轴上的上下晃动的影响，达到最佳观测效果；数据融合模块根据推导公式可实时算出动吃水改正值，消除动吃水误差，提高GNSS潮位观测浮标的潮位观测精度。综上所述，本发明采用模块化设计，可以方便地安装拆卸维修，具备低成本、高精度、结构简单、操作简便、可靠性高、实用性强等特点，能有效降低风浪、潮流对浮标姿态的影响，消除动吃水误差，显著提高GNSS潮位观测浮标的潮位观测精度。本发明可广泛应用于海洋水文观测项目中。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的上部结构示意图；
图3为本发明的下部结构示意图。
图中：1、GNSS定位模块，2、水面，3、太阳能电池组，4、数据融合模块，5、通信模块，6、浮球，7、气压计，8、平衡环，9、过水孔，10、数据输入/输出端口，11、套杆，12、螺栓，13、伸缩标杆，14、配重环，15、系缆孔，16、圆形挡板、17、密度计，18、压力传感器，19、缆绳，20、海底基座，21、海底。
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：
请参阅图1～图3，一种GNSS潮位观测浮标动吃水改正装置，所述浮标包括浮球6和设置在所述浮球6内部的GNSS定位模块1、通信模块5和太阳能电池组3，该动吃水改正装置包括姿态稳定部分和姿态补偿部分。
所述姿态稳定部分包括平衡环8、伸缩杆以及配重环14，所述平衡环8套固在所述浮球6的中线圈处，所述平衡环8上设有多个均匀布置的过水孔9，所述伸缩杆包括竖直连接在所述浮球6底部中央的套杆11和插装在所述套杆11内的伸缩标杆13，所述伸缩标杆13和所述套杆11通过螺栓12固定，在所述伸缩标杆13上设有从下至上递增的刻度值，所述刻度值的起始刻度为改正常数K，所述改正常数K为所述GNSS定位模块1相位中心到所述套杆11下端距离加上所述压力传感器18到所述伸缩标杆13下端距离，在所述伸缩标杆13下端设有与其垂直固接的圆形挡板16，在所述圆形挡板16上置放有配重环14，所述配重环14套装在所述伸缩标杆13上，在所述圆形挡板16一侧设有系缆孔15，所述系缆孔15与缆绳19的一端连接，所述缆绳19的另一端与海底基座20连接，海底基座20固定在海底21。
所述姿态补偿部分包括气压计7、惯性测量单元、密度计17、压力传感器18和数据融合模块4，所述气压计7密封插在所述浮球6的顶部，所述惯性测量单元集成在所述GNSS定位模块1中，所述密度计17设置在所述圆形挡板下方，倒插固定，所述压力传感器18连接在所述圆形挡板15正下方，所述气压计7、所述惯性测量单元、所述密度计17和所述压力传感器18将其所测数据实时传输给所述数据融合模块4进行同步改正，所述数据融合模块4设置在所述浮球6内部，并采用以下公式计算得到浮标动吃水改正值以及改正后的实时水面大地高：
ζ＝{(K+L伸缩)-[(P传感-P大气)/(ρ*g)]/cosθ}*cosθ
H水＝H-ζ
式中：ζ为浮标动吃水改正值，K为改正常数-伸缩标杆上的起始刻度，L伸缩为伸缩标杆长度，也是伸缩标杆上套杆下端处的刻度，P传感为压力传感器所测压力值，P大气为气压计所测压力值，ρ为密度计所测海水密度，g为重力常数，θ为惯性测量单元所测的装置中心线与竖直方向夹角，H水为改正后的实时水面大地高，H为GNSS定位模块所测大地高；所述数据融合模块4将改正后的实时水面大地高数据实时同步传输给所述通信模块5，再由所述通信模块5传输到岸上服务器。在所述数据融合模块4上连接有数据输入/输出端口10，所述数据输入/输出端口10密封固定在所述浮球6上，用于改正常数K的输入和数据融合模块4内部储存数据的输出。所述GNSS定位模块1、所述惯性测量单元、所述气压计7、所述密度计17和所述压力传感器18均由所述太阳能电池组3供电。
上述配重环14的重量和数量可根据海况增减。
在本实施例中，所述通信模块5为北斗短报文+移动互联网双路通信模块，经由北斗全球短报文通信和移动互联网向岸上服务器双路播发遥测水面高度数据，保证数据传输的稳定性、可靠性以及广覆盖，便于实现水面大地高的远程实时获取。
在本实施例中，所述伸缩杆与所述浮球6和所述圆形挡板15通过螺纹连接，可拆卸，便于运输和储存。
在本实施例中，所述GNSS定位模块1、所述惯性测量单元、所述伸缩杆、所述压力传感器18和所述配重环14同轴设置，便于提高浮标的平衡性能。
上述数据融合模块4采用公式的推导过程为：
压力传感器18所测压力值P传感包括水体压力和大气压，用P传感减去气压计所测压力值P大气，得到水体压力值P；根据密度计所测海水密度ρ、重力常数g以及水压公式P＝ρ*g*h，得到压力传感器18处的水深值h；再根据惯性测量单元所测的装置中心线与竖直方向夹角θ，利用三角函数关系，h/cosθ得到压力传感器沿装置轴线到水面的倾斜长度L水下；改正常数K加上伸缩标杆长度L伸缩得到GNSS定位模块相位中心到压力传感器的距离L；L减去L水下得到GNSS定位模块沿装置轴线到水面的倾斜长度L水上；再利用三角函数关系，L水上*cosθ得到GNSS定位模块相位中心到水面的竖直距离，即浮标动吃水改正值ζ；GNSS定位模块所测大地高H减去改正值ζ，得到浮标实时水面大地高H水；最后经通讯模块实时传输到岸上服务器，根据当地基准转换关系转换到水面正常高或海图高，得到实时准确的潮位。
使用时，主要有以下几个步骤：1)计量检测得到GNSS定位模块1相位中心到所述套杆11下端距离和压力传感器18到伸缩标杆13下端距离，相加得到改正常数K，把改正常数K作为伸缩标杆13的起始刻度；2)根据海域情况，设置合适的伸缩杆长度和配重环个数来调整整个浮标系统的重心，尽可能减少风浪、潮流对浮标系统姿态的影响，达到最佳观测效果；3)组装连接各个部件，设置相关参数后，进行数据采集初始化；4)将带有动吃水改正装置的GNSS潮位观测浮标投放至设定水域，使其漂浮在水面2上，各传感器实时采集数据并传输给数据融合模块4，利用数据融合模块4根据推导公式实时算出动吃水改正值，对潮位进行同步改正，得到改正后的实时水面大地高；5)经通信模块5把改正后的实时水面大地高数据传输到岸上服务器，设有数据处理模块的岸上服务器再通过基准转换和低通滤波分离可得到潮位数据。此装置可以方便地安装拆卸维修，能有效降低风浪、潮流对浮标姿态的影响，消除动吃水误差，显著提高GNSS潮位观测浮标的潮位观测精度。
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的情况下，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 (4)

1.一种GNSS潮位观测浮标动吃水改正装置，所述浮标包括浮球和设置在所述浮球内部的GNSS定位模块、通信模块和太阳能电池组，其特征在于，该动吃水改正装置包括姿态稳定部分和姿态补偿部分，
所述姿态稳定部分包括平衡环、伸缩杆以及配重环，所述平衡环套固在所述浮球的中线圈处，所述平衡环上设有多个均匀布置的过水孔，所述伸缩杆包括竖直连接在所述浮球底部中央的套杆和插装在所述套杆内的伸缩标杆，所述伸缩标杆和所述套杆通过螺栓固定，在所述伸缩标杆上设有从下至上递增的刻度值，所述刻度值的起始刻度为改正常数K，所述改正常数K为所述GNSS定位模块相位中心到所述套杆下端距离加上所述压力传感器到所述伸缩标杆下端距离，在所述伸缩标杆下端设有与其垂直固接的圆形挡板，在所述圆形挡板上置放有配重环，所述配重环套装在所述伸缩标杆上，在所述圆形挡板一侧设有系缆孔，所述系缆孔与缆绳的一端连接，所述缆绳的另一端与海底基座连接；
所述姿态补偿部分包括气压计、惯性测量单元、密度计、压力传感器和数据融合模块，所述气压计密封插在所述浮球顶部，所述惯性测量单元集成在所述GNSS定位模块中，所述密度计设置在所述圆形挡板的下方，所述压力传感器连接在所述圆形挡板正下方，所述气压计、所述惯性测量单元、所述密度计和所述压力传感器将其所测数据实时传输给所述数据融合模块进行同步改正，所述数据融合模块设置在所述浮球内部，并采用以下公式计算得到浮标动吃水改正值以及改正后的实时水面大地高：
ζ＝{(K+L伸缩)-[(P传感-P大气)/(ρ*g)]/cosθ}*cosθ
H水＝H-ζ
式中：ζ为浮标动吃水改正值，K为改正常数-伸缩标杆上的起始刻度，L伸缩为伸缩标杆长度，也是伸缩标杆上套杆下端处的刻度，P传感为压力传感器所测压力值，P大气为气压计所测压力值，ρ为密度计所测海水密度，g为重力常数，θ为惯性测量单元所测的装置中心线与竖直方向夹角，H水为改正后的实时水面大地高，H为GNSS定位模块所测大地高；
所述数据融合模块将改正后的实时水面大地高数据实时同步传输给所述通信模块，在所述数据融合模块上连接有数据输入/输出端口，所述数据输入/输出端口密封固定在所述浮球上。
2.根据权利要求1所述的GNSS潮位观测浮标动吃水改正装置，其特征在于，所述通信模块为北斗短报文+移动互联网双路通信模块。
3.根据权利要求1所述的GNSS潮位观测浮标动吃水改正装置，其特征在于，所述伸缩杆与所述浮球和所述圆形挡板通过螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的GNSS潮位观测浮标动吃水改正装置，其特征在于，所述GNSS定位模块、所述惯性测量单元、所述伸缩杆、所述压力传感器和所述配重环同轴设置。
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