CN111896984B - 一种基于gnss的实时高精度波浪测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于GNSS的实时高精度波浪测量新方法，通过波浪浮标等海面载体搭载的GNSS接收机(或板卡)和天线，采集GNSS相位、伪距、多普勒频移观测值和广播星历，利用相位观测值的历元差分获取浮标等载体的三维速度，进而求得波浪的方向谱、频谱，以及波高、周期、波向等要素信息；由速度积分一定时长并去除线性趋势项得到位移随时间的变化，也可求得波浪要素信息；无需额外的精密差分改正数，节省了精密差分改正的服务成本与通讯成本。本发明适用于近海、远海场景，实时得到高精度的波浪要素信息，存储在浮标本地或者定期通讯传回，扩大了基于GNSS的海洋波浪测量的工作范围，具有高实际应用价值。

Description

一种基于GNSS的实时高精度波浪测量方法及装置
技术领域
本专利属于海洋环境监测领域，适用于湖泊、河流、海洋等所有水体环境场景，特别适用于远海的一种基于GNSS的实时高精度波浪测量方法。
背景技术
波浪作为海洋中的重要运动现象，监测波浪的变化并研究其规律，对人类在海上活动及减灾防灾活动具有重要意义。近几十年来，随着人类对海洋的开发活动不断增加，大大促进了海洋观测方法的研究和仪器设备的研制。目前，已经出现了各式各样的测波仪器：加速度式测波仪、压力式测波仪、声学测波仪及GNSS测波浮标等。其中GNSS测波浮标利用了全球导航卫星系统(GNSS)获取浮标载体的三维空间位置和时间信息，而且GNSS测波浮标具有良好的随波运动特性，可以通过位置信息来有效反演波浪要素。GNSS测波浮标结合现有的GNSS技术，可以有效观测波浪信息，而且具有系统简单、成本低、体积小等优点。由于GNSS技术的限制，比如利用RTK(Real-Time Kinematic)实时载波相位差分技术和PPK(Post-Processing Kinematic)动态后处理差分技术均可得到厘米级定位结果，但这些方法都依赖于基站，有效作用距离限制在离岸几十公里以内，无法应用于远海场景；PPP(PrecisePoint Positioning)精密单点定位技术不受距离限制，不需要从一个或多个近距离基站获取数据。卫星轨道和钟差产品的精度是影响PPP定位精度的最重要因素之一。高精度PPP依赖于高精度的GNSS卫星轨道、钟差改正产品，实时高精度PPP方法需要额外的实时精密差分改正产品，极大增加了精密差分改正所需要的服务成本和通讯成本，而且这类实时产品一般存在时间延迟和精度下降，降低了实时场景的应用精度。
综上所述，传统的基于GNSS的波浪测量主要有如下缺点：
(1)若要实现实时厘米级的测量精度，要将波浪浮标GNSS观测值传回数据处理中心进行实时解算，则需要大量的通讯带宽，从而产生了通讯成本，尤其是远海卫星通讯成本，并且由于通讯降低了实时性；若将波浪浮标GNSS观测值在浮标本地进行实时解算，则需要额外的差分改正服务，其中，在近海需要与陆地通讯获得差分改正服务，在远海需要从通讯卫星获得差分改正服务，因此增加了购买差分改正服务和通讯的成本。
(2)若要实现事后厘米级的测量精度，要将波浪浮标GNSS观测数据传回数据处理中心进行事后解算，则需要大量的通讯带宽，从而产生了通讯成本，尤其是远海卫星通讯成本；若回收波浪浮标再读取GNSS数据进行解算，一方面增加了回收操作的成本，自动化差，另一方面也增加了波浪浮标存储大量GNSS数据的成本。
由以上分析不难了解，目前传统的GNSS测波方法在实时高精度波浪测量方面存在极大劣势和限制。随着GNSS技术的不断发展，突破实时高精度波浪测量方法，是提高海洋波浪业务化实时测量时效和波浪反演精度的核心，可直接为全球海洋波浪要素信息反演提供技术支持。
发明内容
为克服上述技术中的缺陷，本发明提出了一种只需要搭载一个GNSS接收机(或板卡)，适用于近海、远海场景，直接基于GNSS卫星免费播发、免费使用的广播星历，无需额外的精密差分改正服务及其通讯，可获得实时高精度厘米级的波浪测量结果，实时的至少米级精度的浮标位置；可将波高、周期、波向等波浪要素信息存储在浮标本地或者通讯传回，能够节省精密差分改正服务、通讯及存储成本的基于GNSS的实时高精度波浪测量方法。
本发明目的是由以下技术方案实现的：
1.一种基于GNSS的实时高精度波浪测量方法，其步骤如下：
(1)采用搭载GNSS的波浪浮标海面载体构成波浪测量装置，实时采集高频GNSS定位电磁波信号，将其转换成相位、伪距、多普勒频移观测值和广播星历发送至波浪测量装置的处理器；
(2)利用基于广播星历和建立的相位历元差分观测方程，顾及误差项的处理，实时求解浮标等海面载体运动水平和垂直的三维运动速度；
(3)返回重复(1)～(2)的步骤，10-20分钟，达到一定数据量，直至波浪测量的初始化完成；
(4)实时求解每个历元的海面载体水平和垂直三维运动速度，采用滑动时间窗口的方法，重复(1)～(4)的步骤，对垂向运动速度进行10-30分钟时长的积分，并去除由系统误差与潮汐导致的趋势项或采用直接去除线性趋势项，得到垂向位移随时间变化信息，求得波浪波高、周期要素信息；或者通过求得的波浪测量装置的垂向、东西、南北方向的速度，由互相关函数计算交叉谱，然后通过方向谱分析方法，求得方向谱、频谱，进而求得波高、周期、波向；
(5)将实时计算的这些滑动时间窗口时段的波浪要素信息，存储在浮标本地，或者实时定期通讯传回。本发明的GNSS既包括北斗、GPS、GLONASS、Galileo等全球导航卫星系统，也包括QZSS，NAVIC等区域导航卫星系统。通过浮标等海面载体搭载的GNSS信号采集模块，采集GNSS相位、伪距、多普勒频移观测值和GNSS广播星历，包括利用GNSS广播星历和相位观测值的历元差分方程测定浮标等载体的垂向、东西方向及南北方向的速度，由垂向速度积分并去除趋势项得到垂向位移随时间的变化，进而根据垂向位移实时反演高精度的波浪波高、周期等要素信息；或者由GNSS测定的垂向、东西方向及南北方向的速度求得波浪的方向谱、频谱，进而求得波高、周期、波向等要素信息。本发明提出了在波浪测量中，直接基于GNSS广播星历进行相位观测值的历元差分确定三维速度，无需额外的精密差分改正数，从而节省了基于GNSS的波浪测量装置的精密差分改正服务成本与通讯成本；本发明适用于近海、远海场景，实时直接得到波浪要素信息，将波浪要素信息存储在浮标本地或者通讯传回，无需存储GNSS原始观测数据，无需通讯传输GNSS原始观测数据，无需精密差分改正及其实时通讯，克服了现有GNSS波浪测量方法需要精密差分改正和实时通讯的缺点，扩大了低成本的基于GNSS的海洋波浪测量的工作范围；本发明的浮标等海面载体可以搭载低成本单频GNSS接收机，得到实时高精度波浪测量结果，具有较高的实际应用价值。
也可以使用未来可能免费的GNSS星基增强服务、星站差分服务、精密定位服务等，获得实时高精度厘米级的波浪测量结果，实时的至少米级精度的浮标位置。
步骤(2)中基于广播星历和建立的相位历元差分观测方程求解三维速度，利用广播星历的历元差分载波相位观测方程如式(1)所示，求解三维速度的方程如式(2)所示：
Figure BDA0002579458480000041
Figure BDA0002579458480000042
其中，方程(1)中，λ为载波频率(L1或L2)，
Figure BDA0002579458480000043
为从卫星s到接收机r相邻历元(i，i+1)之间的载波相位观测值之差，i为历元号；
Figure BDA0002579458480000044
为第i+1历元从卫星s到接收机r的单位矢量，Δξr，i为相邻历元(i，i+1)之间的接收机位置改正数之差；c为光速，Δδtr，i，δti s分别为相邻历元(i，i+1)之间的接收机时钟相对偏差、广播星历计算的卫星时钟偏差；
Figure BDA0002579458480000045
为相邻历元(i，i+1)之间的综合误差改正，包括卫星轨道、电离层、对流层、相位变化误差、相对论效应、地球自转效应等，其中卫星轨道改正由广播星历计算，电离层改正由双频无电离层组合消除一阶项或者由广播星历发播的电离层模型计算，对流层改正由气象数据(实测值或者模型值)及投影函数改正，相位变化误差、相对论效应、地球自转效应等由相应模型计算；
Figure BDA0002579458480000054
为其他残余误差项与噪声；方程(1)中的估计参数为Δξr，i和Δδtr，i；方程(2)中，Vi为三维速度，Δξr，i为相邻历元(i，i+1)之间的接收机位置改正数之差，Δti为相邻历元之间的时间间隔。本发明可以在GNSS相位观测值周跳频繁时，采用多普勒频移观测值计算波浪测量装置的三维速度，补充三维速度的时间序列。
步骤4所述的波浪波高、周期等要素信息可以基于去除趋势项的垂向位移，可得到波浪的波高及其对应周期，具体包括最大波高及其对应周期、十分之一大波波高及其对应周期、有效波高及其对应周期、平均波高及其对应周期等；步骤4所述的波浪波高、周期、波向等要素信息也可以基于垂向、东西及南北方向的速度，求出波浪的方向谱、频谱，进而求得波高、周期、波向等波浪要素信息。例如，可以采用谱分析方法反演波浪要素信息，公式为：
Figure BDA0002579458480000051
Figure BDA0002579458480000052
Figure BDA0002579458480000053
其中，f为频率，s(f)为功率谱密度，mn为n阶谱矩，Hm0为由频谱得到的有效波高，Tz为平均周期。
利用GNSS广播星历和相位观测值历元差分方程获取运动载体的三维速度，由垂向速度积分并去除趋势项得到垂向位移随时间的变化，进而根据垂向位移实时反演高精度的波浪波高、周期等要素信息；由GNSS测定的垂向、东西方向及南北方向的速度求得波浪的方向谱、频谱等要素信息，进而实时反演高精度的波浪波高、周期、波向等要素信息。具体分为以下三部分进行，方法描述如下：
(1)建立历元差分观测方程
本发明提出了在波浪测量中，直接利用GNSS广播星历和相位观测值历元差分来确定三维速度。线性化的GNSS载波相位观测方程，如式(6)所示，
Figure BDA0002579458480000061
其中，λ为载波频率(L1或L2)，
Figure BDA0002579458480000062
为第i个历元的载波相位观测值，i为历元号，
Figure BDA0002579458480000063
为从卫星s到接收机r的单位矢量，δξr，i为接收机的位置改正数，c为光速，δtr，i、δti s分别为接收机时钟偏差和广播星历计算的卫星时钟误差，N是整周模糊度，
Figure BDA0002579458480000064
为综合误差改正，包括卫星轨道、电离层、对流层、相位变化误差、相对论效应、地球自转效应等，εi为其他残余误差项与噪声。
探测周跳，载波相位观测值质量良好无周跳时，本发明利用(1)式对两个连续的历元(i，i+1)求差，可以消除共同模糊度N，如式(7)所示，
Figure BDA0002579458480000065
其中，Δ为单差算子，考虑到高频采样时，历元i+1与历元i时刻的接收机位置初值近似相等，
Figure BDA0002579458480000066
与
Figure BDA0002579458480000067
近似相等。
由式(7)可得到利用广播星历建立的历元差分载波相位观测方程(1)。
Figure BDA0002579458480000068
其中，Δξr，i＝δξr，i+1-δξr，i，为相邻历元(i，i+1)之间的接收机位置改正数之差。方程(1)中的估计参数为Δξr，i和Δδtr，i。
(2)速度及位移信息获取
由式(1)可以得到如式(2)的平均速度。
Figure BDA0002579458480000071
利用式(8)更新接收机第i+1个历元的位置初值。
Figure BDA0002579458480000072
其中，
Figure BDA0002579458480000073
为接收机第i个历元的位置初值。在起始历元，接收机的位置初值
Figure BDA0002579458480000074
由基于广播星历的单点定位方法获取，例如采用标准单点定位方法。在后续历元，根据公式(1)计算相邻历元(i，i+1)之间的Δξr，i，然后根据式(8)进行位置更新，从而获得接收机后续历元的位置初值。本发明也可以在每个时刻采用基于广播星历的单点定位方法得到接收机位置。
可以采用时域积分方法将速度积分为位移。由于速度受海况、地理位置、信号误差和其他噪声的影响，速度数据含有误差，积分方法将积累误差，速度反演的位移数据存在趋势项，同时潮汐的水位变化也导致垂向位移的趋势项。本发明采用滑动窗口平均的方法，例如每10～20分钟的时段，将所得到的位移去掉线性趋势项，进而得到波浪的位移信息。
(3)实时高精度波浪测量
波浪核心要素信息包括波高、周期及波向等，波高和波浪周期与波浪垂直位移有关，本发明可以采用跨零法、谱分析方法都可从去除趋势项后的垂直位移中提取波高及波浪周期参数；本发明可以由垂向、东西方向及南北方向的速度可以求得波浪的方向谱、频谱，进而求得波浪波高、周期及波向等要素信息。本发明可以基于实时获取的垂直位移获取波高与周期，例如采用谱分析方法，由位移时间序列得到波浪参数，计算公式见(3)～(5)。
Figure BDA0002579458480000075
Figure BDA0002579458480000076
Figure BDA0002579458480000077
其中，f为频率，s(f)为功率谱密度，mn为n阶谱矩，Hm0为由频谱得到的有效波高，Tz为平均周期。
步骤4中由于一般波浪周期为0.1-30秒，采用高通滤波器消除低于0.03Hz频率的低频噪声数据。
GNSS的采样频率是5Hz以上。
采用上述的任何一种基于GNSS的实时高精度波浪测量方法的测量装置，包括搭载GNSS的波浪浮标等海面载体、GNSS接收机或板卡、天线GNSS信号的采集模块、处理器、存储器和通讯模块，GNSS信号采集模块将GNSS卫星向水面发射的定位电磁波信号，转换成相位、伪距、多普勒频移观测值和广播星历并发送至波浪测量仪的处理器，该模块通过串口等方式与处理器相连接；处理器运行内置的嵌入式GNSS数据处理与波浪要素反演软件，实时获取并处理GNSS信号采集模块采集到的GNSS观测值和广播星历，得到波浪要素信息，并将波浪要素信息存储至存储器，或者将波浪要素信息发送给通讯模块，完成波浪测量装置与岸边或陆地基站或卫星通讯。
搭载GNSS的波浪浮标波浪测量装置，搭载一个以上GNSS天线。
测量波浪测量装置的方位角时搭载两个以上GNSS天线。
测量波浪测量装置的姿态时搭载三个以上GNSS天线。
本发明的波浪测量装置可以是浮标、船只、无人船等海面载体。
本发明的波浪测量仪包括波浪浮标等海面载体、GNSS信号采集模块(GNSS接收机或板卡、天线)、处理器、存储器和通讯模块。其中，GNSS信号采集模块的作用是捕获GNSS卫星向水面发射的定位电磁波信号，将其转换成相位、伪距、多普勒频移观测值和广播星历并发送至波浪测量仪的处理器，该模块通过串口等方式与处理器相连接；处理器运行嵌入式数据处理软件，实时获取并处理GNSS信号采集模块采集到的GNSS观测值和广播星历，得到波浪要素信息，并将波浪要素信息存储至存储器，或者将波浪要素信息发送给通讯模块；通信模块的功能是完成波浪测量仪与岸边或陆地基站的通信，或者完成波浪测量仪与卫星通讯(包括北斗卫星短报文通讯)，通信模块通过串口等方式与处理器或存储器连接。本发明的波浪测量仪既适用于近海有通讯基站信号覆盖的情况，也适用于远海无通讯基站信号覆盖而使用卫星通讯的情况，实现了波浪要素实时、高精度、低成本的自动测量和通讯回传。本发明的波浪测量装置节约了GNSS精密差分改正服务的服务成本及其通讯成本；本发明无需存储大量GNSS原始观测数据，无需传输大量GNSS原始观测数据，只需要将解算得到的波浪要素信息存储在浮标本地，等待浮标回收后读取数据；或者通过通讯模块回传波浪要素信息，大大降低了通讯的数据量。
本申请的优点是：只需要搭载一个低成本单频GNSS接收机(或板卡)，可以基于GNSS观测值和广播星历得到实时的至少米级精度的浮标位置，直接基于GNSS卫星免费播发、免费使用的广播星历，无需额外的精密差分改正服务及其通讯，即可直接获得实时高精度的厘米级波浪测量结果，将波高、对应周期、波向等要素信息存储在浮标本地或者通讯传回；无需存储大量的GNSS观测数据，节省了存储成本、服务及通讯成本，克服了传统的基于GNSS的波浪测量方法的高成本缺点，实现了低成本的实时高精度的波浪测量。因适用于近海、远海场景，所以扩大了海洋监测范围。
本发明不仅适用于直接基于GNSS卫星免费播发、免费使用的广播星历，也适用于未来可能免费的GNSS星基增强服务、星站差分服务、精密定位服务等。
附图说明
图1为本发明的一种基于GNSS的实时高精度波浪测量方法的流程示意图；
图2为本发明的一种基于GNSS的实时高精度波浪测量方法的波浪测量装置的结构示意图；
图3分别为本发明的基于广播星历产品的历元间差分的波浪测量方法、基于IGS精密星历产品的历元间差分的波浪测量方法、基于IGS精密星历产品的精密单点定位的波浪测量方法得到的波浪有效波高，其中GNSS采样频率10Hz、滑动时间窗口20分钟；
图4分别为基于广播星历产品的历元间差分的波浪测量方法、基于IGS精密星历产品的历元间差分的波浪测量方法、基于IGS精密星历产品的精密单点定位的波浪测量方法得到的波浪平均周期，其中GNSS采样频率10Hz、滑动时间窗口20分钟。
具体实施方式
本发明实施例提出了一种基于GNSS的实时高精度波浪测量方法，利用该方法的波浪测量装置适用于湖泊、河流、近海、远海等所有水体环境场景，特别适用于缺少精密差分改正服务的远海场景，同时具有高精度和实时性。
本发明的波浪测量装置包括浮标、GNSS信号采集模块(GNSS接收机或板卡、天线)、处理器、存储器和通讯模块。其中，GNSS信号采集模块的作用是捕获GNSS卫星向水面发射的定位电磁波信号，将其转换成相位、伪距、多普勒频移观测值和广播星历并发送至波浪测量装置的处理器，该模块通过串口等方式与处理器相连接；处理器运行嵌入式数据处理软件，实时获取并处理GNSS信号采集模块采集到的GNSS观测值和广播星历，得到波浪要素信息，并将波浪要素信息存储至存储器，或者将波浪要素信息发送给通讯模块；通信模块的功能是完成波浪测量装置与岸边或陆地基站的通信，或者完成波浪测量装置与卫星通讯(包括北斗卫星短报文通讯)，通信模块通过串口等方式与处理器或存储器连接。本发明的波浪测量装置既适用于近海有通讯基站信号覆盖的情况，也适用于远海无通讯基站信号覆盖而使用卫星通讯的情况，实现了波浪要素实时、高精度、低成本的自动测量和通讯回传。本发明的波浪测量装置节约了GNSS精密差分改正服务的服务成本及其通讯成本；本发明无需存储大量GNSS原始观测数据，无需传输大量GNSS原始观测数据，只需要将解算得到的波浪要素信息存储在浮标本地，等待浮标回收后读取数据；或者通过通讯模块回传波浪要素信息，大大降低了通讯的数据量。
该波浪测量装置测量波浪的方法具体包括如下步骤：
(1)采用搭载GNSS的波浪浮标海面载体构成波浪测量装置，实时采集高频GNSS定位电磁波信号，将其转换成相位、伪距、多普勒频移观测值和广播星历发送至波浪测量装置的处理器；
(2)利用基于广播星历和建立的相位历元差分观测方程，顾及误差项的处理，实时求解浮标等海面载体运动水平和垂直的三维运动速度；
(3)返回重复(1)～(2)的步骤，直至波浪测量的初始化完成，达到一定数据量，观测20分钟；
(4)实时求解每个历元的海面载体水平和垂直三维运动速度，采用滑动时间窗口的方法，对垂直运动速度进行20分钟的积分，并去除由系统误差与潮汐导致的趋势项，得到垂向位移随时间变化信息，求得波浪波高、周期等要素信息；由于一般波浪周期为0.1-30秒，本发明实施采用高通滤波器消除低于0.03Hz频率低频噪声数据；按照本发明的方法并采用公式1～8分别计算得出波高、周期波浪要素信息。(如图3和图4所示)
(5)将实时计算的这些时滑动时间窗口段的波浪要素信息，存储在浮标本地，或者实时定期通讯传回。
如图3可以看出，本发明提出的基于广播星历产品的历元间差分的波浪测量方法，无需精密差分改正服务产品，其波高测量精度达到基于精密星历产品的波高测量精度。
如图4可以看出，本发明提出的基于广播星历产品的历元间差分的波浪测量方法，无需精密差分改正服务产品，其波浪平均周期测量精度达到基于精密星历产品的波浪平均周期测量精度。
图3和4对比了基于广播星历产品的历元间差分的波浪测量方法、基于IGS精密星历产品的历元间差分的波浪测量方法、基于IGS精密星历产品的精密单点定位的波浪测量方法，可以看出三者结果相差很小，验证了本发明可获取高精度波浪要素信息。

Claims (9)

1.一种基于GNSS的实时高精度波浪测量方法，其步骤如下：
(1)采用搭载GNSS的波浪浮标海面载体构成波浪测量装置，实时采集高频GNSS定位电磁波信号，将其转换成相位、伪距、多普勒频移观测值和广播星历发送至波浪测量装置的处理器；
(2)利用基于广播星历和建立的相位历元差分观测方程，顾及误差项的处理，实时求解浮标海面载体运动水平和垂直的三维运动速度；
(3)返回重复(1)～(2)的步骤，10-20分钟，达到一定数据量，直至波浪测量的初始化完成；
(4)实时求解每个历元的海面载体水平和垂直三维运动速度，采用滑动时间窗口的方法，重复(1)～(3)的步骤，对垂向运动速度进行10-30分钟时长的积分，并去除由系统误差与潮汐导致的趋势项，得到垂向位移随时间变化信息，求得波浪波高、周期要素信息；或者通过求得的波浪测量装置的垂向、东西、南北方向的速度，由互相关函数计算交叉谱，然后通过方向谱分析方法，求得方向谱、频谱，进而求得波高、周期、波向；
(5)将实时计算的这些滑动时间窗口时段的波浪要素信息，存储在浮标本地，或者实时定期通讯传回；
步骤(2)中基于广播星历和建立的相位历元差分观测方程
求解三维速度，利用广播星历的历元差分载波相位观测方程如式
(1)所示，求解三维速度的方程如式(2)所示：
Figure FDA0003793383150000011
Figure FDA0003793383150000012
其中，方程(1)中，λ为载波L1或L2频率的波长，
Figure FDA0003793383150000013
为从卫星S到接收机r相邻历元(i,i+1)之间的载波相位观测值之差，i为历元号；
Figure FDA0003793383150000014
为第i+1历元从卫星S到接收机r的单位矢量，Δξr,i为相邻历元(i,i+1)之间的接收机位置改正数之差；c为光速，Δδtr,i、δti S分别为相邻历元(i,i+1)之间的接收机时钟相对偏差、广播星历计算的卫星时钟偏差；
Figure FDA0003793383150000021
为相邻历元(i,i+1)之间的综合误差改正，包括卫星轨道、电离层、对流层、相位变化误差、相对论效应、地球自转效应，其中卫星轨道改正由广播星历计算，电离层改正由双频无电离层组合消除一阶项或者由广播星历发播的电离层模型计算，对流层改正由实测的或者数值模型的气象数据及投影函数改正，相位变化误差、相对论效应、地球自转效应由相应模型计算；
Figure FDA0003793383150000022
为其他残余误差项与噪声；方程(1)中的估计参数为Δξr,i和Δδtr,i；方程(2)中，Vi为三维速度，Δξr,i为相邻历元(i,i+1)之间的接收机位置改正数之差，Δti为相邻历元之间的时间间隔；GNSS相位观测值周跳频繁时，采用多普勒频移观测值计算波浪测量装置的三维速度，补充三维速度的时间序列。
2.根据权利要求1所述的一种基于GNSS的实时高精度波浪测量方法，其特征在于步骤(4)所述的波浪波高、周期要素信息可以基于去除趋势项的垂向位移，得到波浪的波高及其对应周期，具体包括最大波高及其对应周期、十分之一大波波高及其对应周期、有效波高及其对应周期、平均波高及其对应周期；步骤(4)所述的波浪波高、周期、波向要素信息也可以基于垂向、东西及南北方向的速度，求出波浪的方向谱、频谱，进而求得波高、周期、波向波浪要素信息；可以采用谱分析方法反演波浪要素信息，公式为：
Figure FDA0003793383150000023
Figure FDA0003793383150000024
Figure FDA0003793383150000025
其中，f为频率，S(f)为功率谱密度，mn为n阶谱矩，Hm0为由频谱得到的有效波高，TZ为平均周期；
利用GNSS广播星历和相位观测值历元差分方程获取运动载体的三维速度，由垂向速度积分并去除趋势项得到垂向位移随时间的变化，进而根据垂向位移实时反演高精度的波浪波高、周期要素信息；由GNSS测定的垂向、东西方向及南北方向的速度求得波浪的方向谱、频谱要素信息，进而实时反演高精度的波浪波高、周期、波向要素信息；具体分为以下三部分进行，方法描述如下：
(1)建立历元差分观测方程
在波浪测量中，直接利用GNSS广播星历和相位观测值历元差分来确定三维速度，线性化的GNSS载波相位观测方程，如式(6)所示：
Figure FDA0003793383150000031
其中，λ为载波频率L1或L2的波长，
Figure FDA0003793383150000032
为第i个历元的载波相位观测值，i为历元号，
Figure FDA0003793383150000033
为从卫星S到接收机r的单位矢量，δξr,i为接收机的位置改正数，c为光速，δtr,i、δti S分别为接收机时钟偏差和广播星历计算的卫星时钟误差，N是整周模糊度，
Figure FDA0003793383150000034
为综合误差改正，包括卫星轨道、电离层、对流层、相位变化误差、相对论效应、地球自转效应，εi为其他残余误差项与噪声；
探测周跳，载波相位观测值质量良好无周跳时，利用(7)式对两个连续的历元(i,i+1)求差，可以消除共同模糊度N，如式(7)所示：
Figure FDA0003793383150000035
其中，Δ为单差算子，考虑到高频采样时，历元i+1与历元i时刻的接收机位置初值近似相等，
Figure FDA0003793383150000036
与
Figure FDA0003793383150000037
近似相等；
由式(7)可得到利用广播星历建立的历元差分载波相位观测方程(1)；
Figure FDA0003793383150000038
其中，
Figure FDA0003793383150000041
为相邻历元(i,i+1)之间的接收机位置改正数之差，方程(1)中的估计参数为Δξr,i和Δδtr,i；
(2)速度及位移信息获取
由式(1)可以得到如式(2)的平均速度：
Figure FDA0003793383150000042
利用式(8)更新接收机第i+1个历元的位置初值；
Figure FDA0003793383150000043
其中，
Figure FDA0003793383150000044
为接收机第i个历元的位置初值，在起始历元，接收机的位置初值
Figure FDA0003793383150000045
由基于广播星历的单点定位方法获取，在后续历元，根据公式(1)计算相邻历元(i,i+1)之间的Δξr,i，然后根据式(8)进行位置更新，从而获得接收机后续历元的位置初值，或者在每个时刻采用基于广播星历的单点定位方法得到接收机位置；
采用时域积分方法将速度积分为位移，由于速度受海况、地理位置、信号误差和其他噪声的影响，速度数据含有误差，积分方法将积累误差，速度反演的位移数据存在趋势项，同时潮汐的水位变化也导致垂向位移的趋势项，采用滑动窗口平均的方法，每10～20分钟的时段，将所得到的位移去掉线性趋势项，进而得到波浪的位移信息；
(3)实时高精度波浪测量
波浪核心要素信息包括波高、周期及波向，波高和波浪周期与波浪垂直位移有关，采用跨零法、谱分析方法去除趋势项后的垂直位移中提取波高及波浪周期参数；由垂向、东西方向及南北方向的速度求得波浪的方向谱、频谱，进而求得波浪波高、周期及波向要素信息，基于实时获取的垂直位移获取波高与周期，采用谱分析方法，由位移时间序列得到波浪参数，计算公式见(3)～(5)：
Figure FDA0003793383150000051
Figure FDA0003793383150000052
Figure FDA0003793383150000053
其中，f为频率，S(f)为功率谱密度，mn为n阶谱矩，Hm0为由频谱得到的有效波高，TZ为平均周期。
3.根据权利要求1所述的一种基于GNSS的实时高精度波浪测量方法，其特征在于步骤(4)中由于一般波浪周期为0.1-30秒，采用高通滤波器消除低于0.03Hz频率的低频噪声数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于GNSS的实时高精度波浪测量方法，其特征在于GNSS的采样频率是5Hz以上。
5.一种基于GNSS的实时高精度波浪测量方法的测量装置，其特征在于采用权利要求1-4任一项所述的基于GNSS的实时高精度波浪测量方法，包括搭载GNSS的波浪浮标海面载体、GNSS接收机或板卡、天线GNSS信号的采集模块、处理器、存储器和通讯模块，GNSS信号采集模块将GNSS卫星向水面发射的定位电磁波信号，转换成相位、伪距、多普勒频移观测值和广播星历并发送至波浪测量装置的处理器，该模块通过串口方式与处理器相连接；处理器运行内置的嵌入式GNSS数据处理与波浪要素反演软件，实时获取并处理GNSS信号采集模块采集到的GNSS观测值和广播星历，得到波浪要素信息，并将波浪要素信息存储至存储器，或者将波浪要素信息发送给通讯模块，完成波浪测量装置与岸边或陆地基站或卫星通讯。
6.根据权利要求5所述的一种基于GNSS的实时高精度波浪测量方法的测量装置，其特征在于搭载GNSS的波浪测量海面载体，搭载一个以上GNSS天线。
7.根据权利要求6所述的一种基于GNSS的实时高精度波浪测量方法的测量装置，其特征在于测量波浪测量装置的方位角时搭载两个以上GNSS天线。
8.根据权利要求6所述的一种基于GNSS的实时高精度波浪测量方法的测量装置，其特征在于测量波浪测量装置的姿态时搭载三个以上GNSS天线。
9.根据权利要求5所述的一种基于GNSS的实时高精度波浪测量方法的测量装置，其特征在于波浪测量装置是浮标或船只或无人船海面载体。
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