CN112285719B - 一种计算海底基准站坐标平差值的方法及系统 - Google Patents

一种计算海底基准站坐标平差值的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种计算海底基准站坐标平差值的方法及系统，所述方法为首先计算声速随水深变化的线性项系数；其次根据所述线性项系数计算两个基准站之间的声速测量值；根据所述声速测量值计算声速偏差先验值；然后采用最小二乘法根据所述声速偏差先验值计算声线弯曲系数；最后根据所述声线弯曲系数计算基准站坐标平差值。本发明引入声线弯曲系数，提高了海底基准站坐标精度。

Description

一种计算海底基准站坐标平差值的方法及系统
技术领域
本发明涉及海洋大地测量数据处理技术领域，特别是涉及一种计算海底基准站坐标平差值的方法及系统。
背景技术
利用声学测距进行海底基准网平差是提高海底基准站坐标精度的重要技术手段，该技术的实现过程可以简单描述为：
根据已知的基准站概略位置以及基准站之间观测距离，计算海底基准网中各基准站的精确位置。海底基准站之间的距离由声速与往返测量时间相乘而得，其中海底基准站之间的往返测量时间利用声学测距设备测量。声学测距存在声线弯曲误差和声速变化误差，利用声学测距技术进行海底基准网平差的关键问题是构建合理的声学观测模型，包括声线弯曲模型和声速模型。
由于海底基准网中每个基准站的位置不同，其声速变化也不相同，声速通过压力不同的海水传播时，会产生声线弯曲。因此，为获得高精度海底基准站平差结果，需要考虑声速误差和声线弯曲误差造成的影响。
在声速误差方面，为了准确测量每个基准站的声速变化，通常在基准站处增加温度传感器、压力传感器等测量设备，用来校正声速变化的影响。
在声线弯曲误差方面，由于难以实现沿声线的压力和温度测量，因此，对声线弯曲误差的研究较少。声线弯曲作为影响海底基准站间精确测距的一个重要问题，由于具有复杂的时空特性，很难通过准确的数学模型进行改正，因此亟需解决声线弯曲误差影响海底基准站坐标精度的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种计算海底基准站坐标平差值的方法及系统，引入声线弯曲系数，提高了海底基准站坐标精度。
为实现上述目的，本发明提供了一种计算海底基准站坐标平差值的方法，所述方法包括：
步骤S1：计算声速随水深变化的线性项系数；
步骤S2：根据所述线性项系数计算两个基准站之间的声速测量值；
步骤S3：根据所述声速测量值计算声速偏差先验值；
步骤S4：采用最小二乘法根据所述声速偏差先验值计算声线弯曲系数；
步骤S5：根据所述声线弯曲系数计算基准站坐标平差值。
可选地，所述计算声速随水深变化的线性项系数的公式为：
cm＝c0+c1·zm
其中，cm表示水深zm处相应的声速剖面测量值，c0和c1均表示线性项系数。
可选地，所述根据所述线性项系数计算两个基准站之间的声速测量值的公式为：
ck＝c0+c1((zi+zj)/2)
其中，ck表示第k次观测对应的两个基准站之间的声速测量值，zi表示第k次观测对应的基准站i处的水深值，zj表示第k次观测对应的基准站j处的水深值，c0和c1均表示线性项系数。
可选地，所述根据所述声速测量值计算声速偏差先验值的公式为：
其中，δc表示声速偏差先验值，n为观测次数，表示第k次观测对应的两个基准站之间的距离先验值，τk表示第k次观测对应的两个基准站之间的测量时间，ck表示第k次观测对应的两个基准站之间的声速测量值。
可选地，所述采用最小二乘法根据所述声速偏差先验值计算声线弯曲系数的公式为：
其中，表示第k次观测对应的两个基准站之间的测量距离，/>表示第k次观测对应的两个基准站之间的距离先验值，τk表示第k次观测对应的两个基准站之间的测量时间，δc表示声速偏差先验值，dk表示第k次观测对应的两个基准站之间的水平距离，b表示声线弯曲系数。
可选地，计算第k次观测对应的两个基准站之间的水平距离的公式为：
其中，α表示第k次观测对应的两个基准站之间的高度角。
本发明还提供一种计算海底基准站坐标平差值的系统，所述系统包括：
线性项系数计算模块，用于计算声速随水深变化的线性项系数；
声速测量值计算模块，用于根据所述线性项系数计算两个基准站之间的声速测量值；
声速偏差先验值计算模块，用于根据所述声速测量值计算声速偏差先验值；
声线弯曲系数计算模块，用于采用最小二乘法根据所述声速偏差先验值计算声线弯曲系数；
坐标平差值计算模块，用于根据所述声线弯曲系数计算基准站坐标平差值。
可选地，所述声速测量值计算模块计算声速测量值的公式为：
ck＝c0+c1((zi+zj)/2)
其中，ck表示第k次观测对应的两个基准站之间的声速测量值，zi表示第k次观测对应的基准站i处的水深值，zj表示第k次观测对应的基准站j处的水深值，c0和c1均表示线性项系数。
可选地，所述声速偏差先验值计算模块计算声速偏差先验值的公式为：
其中，δc表示声速偏差先验值，n为观测次数，表示第k次观测对应的两个基准站之间的距离先验值，τk表示第k次观测对应的两个基准站之间的测量时间，ck表示第k次观测对应的两个基准站之间的声速测量值。
可选地，所述声线弯曲系数计算模块采用最小二乘法计算声线弯曲系数的公式为：
其中，表示第k次观测对应的两个基准站之间的测量距离，/>表示第k次观测对应的两个基准站之间的距离先验值，τk表示第k次观测对应的两个基准站之间的测量时间，δc表示声速偏差先验值，dk表示第k次观测对应的两个基准站之间的水平距离，b表示声线弯曲系数。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种计算海底基准站坐标平差值的方法及系统，所述方法为首先计算声速随水深变化的线性项系数；其次根据所述线性项系数计算两个基准站之间的声速测量值；根据所述声速测量值计算声速偏差先验值；然后采用最小二乘法根据所述声速偏差先验值计算声线弯曲系数；最后根据所述声线弯曲系数计算基准站坐标平差值。本发明引入声线弯曲系数，提高了海底基准站坐标精度。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例计算海底基准站坐标平差值的方法流程图。
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种种计算海底基准站坐标平差值的方法及系统，引入声线弯曲系数，提高了海底基准站坐标精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，图1为本发明实施例计算海底基准站坐标平差值的方法流程图，所述方法包括：
步骤S1：计算声速随水深变化的线性项系数。
步骤S2：根据所述线性项系数计算两个基准站之间的声速测量值。
步骤S3：根据所述声速测量值计算声速偏差先验值。
步骤S4：采用最小二乘法根据所述声速偏差先验值计算声线弯曲系数。
步骤S5：根据所述声线弯曲系数计算基准站坐标平差值。
在本发明实施例中，所述计算声速随水深变化的线性项系数的公式为：
cm＝c0+c1·zm (1)
其中，cm表示水深zm处相应的声速剖面测量值，水深zm处相应的声速剖面测量值cm采用声速剖面测量设备测量得到，c0和c1均表示线性项系数。
在本发明实施例中，所述根据所述线性项系数计算两个基准站之间的声速测量值的公式为：
ck＝c0+c1((zi+zj)/2) (2)
其中，ck表示第k次观测对应的两个基准站之间的声速测量值，zi表示第k次观测对应的基准站i处的水深值，zj表示第k次观测对应的基准站j处的水深值，所述第k次观测对应的基准站i处的水深值zi和第k次观测对应的基准站j处的水深值zj采用GNSS\声学定位技术得到，c0和c1均表示线性项系数。
在本发明实施例中，所述根据所述声速测量值计算声速偏差先验值的公式为：
其中，δc表示声速偏差先验值，n为观测次数，表示第k次观测对应的两个基准站之间的距离先验值，τk表示第k次观测对应的两个基准站之间的测量时间，所述第k次观测对应的两个基准站之间的测量时间τk是由声呐测量设备测量得到，ck表示第k次观测对应的两个基准站之间的声速测量值。
在本发明实施例中，所述采用最小二乘法根据所述声速偏差先验值计算声线弯曲系数的公式为：
其中，表示第k次观测对应的两个基准站之间的测量距离，/>表示第k次观测对应的两个基准站之间的距离先验值，τk表示第k次观测对应的两个基准站之间的测量时间，δc表示声速偏差先验值，dk表示第k次观测对应的两个基准站之间的水平距离，b表示声线弯曲系数。
采用最小二乘法对公式(4)进行计算，得到声速偏差改正值
在本发明实施例中，计算第k次观测对应的两个基准站之间的水平距离的公式为：
其中，α表示第k次观测对应的两个基准站之间的高度角。
本发明还提供一种计算海底基准站坐标平差值的系统，所述系统包括：
线性项系数计算模块，用于计算声速随水深变化的线性项系数。
声速测量值计算模块，用于根据所述线性项系数计算两个基准站之间的声速测量值。
声速偏差先验值计算模块，用于根据所述声速测量值计算声速偏差先验值。
声线弯曲系数计算模块，用于采用最小二乘法根据所述声速偏差先验值计算声线弯曲系数。
坐标平差值计算模块，用于根据所述声线弯曲系数计算基准站坐标平差值。
在本发明实施例中，所述声速测量值计算模块计算声速测量值的公式为：
ck＝c0+c1((zi+zj)/2)
其中，ck表示第k次观测对应的两个基准站之间的声速测量值，zi表示第k次观测对应的基准站i处的水深值，zj表示第k次观测对应的基准站j处的水深值，c0和c1均表示线性项系数。
在本发明实施例中，所述声速偏差先验值计算模块计算声速偏差先验值的公式为：
其中，δc表示声速偏差先验值，n为观测次数，表示第k次观测对应的两个基准站之间的距离先验值，τk表示第k次观测对应的两个基准站之间的测量时间，ck表示第k次观测对应的两个基准站之间的声速测量值。
在本发明实施例中，所述声线弯曲系数计算模块采用最小二乘法计算声线弯曲系数的公式为：
其中，表示第k次观测对应的两个基准站之间的测量距离，/>表示第k次观测对应的两个基准站之间的距离先验值，τk表示第k次观测对应的两个基准站之间的测量时间，δc表示声速偏差先验值，dk表示第k次观测对应的两个基准站之间的水平距离，b表示声线弯曲系数。
在海底基准网平差时，本发明构建附加声线弯曲系数的海底基准网平差函数模型，在求解基准站坐标的同时求解声线弯曲系数，减弱声线弯曲对海底基准网平差的影响。本发明适用于深海基准站没有温度、压力等测量数据情况下的海底基准网平差。
本发明与常规方法相比，在海底基准站网平差过程中增加声线弯曲系数，用以补偿声线弯曲引起的测距误差，解决了高精度海底基准网平差的一个重要问题——声线弯曲误差影响，为高精度海底大地测量数据处理提供可行途径。
本发明与常规方法相比：理论上更完备，既顾及了声速误差影响，又考虑了声线弯曲误差的补偿；实现上更简单，仅需在平差过程中增加估计声线弯曲系数，无需在海底基准站进行温度、压力测量。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种计算海底基准站坐标平差值的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：计算声速随水深变化的线性项系数；
步骤S2：根据所述线性项系数计算两个基准站之间的声速测量值；
步骤S3：根据所述声速测量值计算声速偏差先验值，具体公式为：
其中，δc表示声速偏差先验值，n为观测次数，表示第k次观测对应的两个基准站之间的距离先验值，τk表示第k次观测对应的两个基准站之间的测量时间，ck表示第k次观测对应的两个基准站之间的声速测量值；
步骤S4：采用最小二乘法根据所述声速偏差先验值计算声线弯曲系数，具体公式为：
其中，dk表示第k次观测对应的两个基准站之间的水平距离，b表示声线弯曲系数；
步骤S5：根据所述声线弯曲系数计算基准站坐标平差值。
2.根据权利要求1所述的计算海底基准站坐标平差值的方法，其特征在于，所述计算声速随水深变化的线性项系数的公式为：
cm＝c0+c1·zm
其中，cm表示水深zm处相应的声速剖面测量值，c0和c1均表示线性项系数。
3.根据权利要求1所述的计算海底基准站坐标平差值的方法，其特征在于，所述根据所述线性项系数计算两个基准站之间的声速测量值的公式为：
ck＝c0+c1((zi+zj)/2)
其中，ck表示第k次观测对应的两个基准站之间的声速测量值，zi表示第k次观测对应的基准站i处的水深值，zj表示第k次观测对应的基准站j处的水深值，c0和c1均表示线性项系数。
4.根据权利要求1所述的计算海底基准站坐标平差值的方法，其特征在于，计算第k次观测对应的两个基准站之间的水平距离的公式为：
其中，α表示第k次观测对应的两个基准站之间的高度角。
5.一种计算海底基准站坐标平差值的系统，其特征在于，所述系统包括：
线性项系数计算模块，用于计算声速随水深变化的线性项系数；
声速测量值计算模块，用于根据所述线性项系数计算两个基准站之间的声速测量值；
声速偏差先验值计算模块，用于根据所述声速测量值计算声速偏差先验值，具体公式为：
其中，δc表示声速偏差先验值，n为观测次数，表示第k次观测对应的两个基准站之间的距离先验值，τk表示第k次观测对应的两个基准站之间的测量时间，ck表示第k次观测对应的两个基准站之间的声速测量值；
声线弯曲系数计算模块，用于采用最小二乘法根据所述声速偏差先验值计算声线弯曲系数，具体公式为：
其中，表示第k次观测对应的两个基准站之间的测量距离，dk表示第k次观测对应的两个基准站之间的水平距离，b表示声线弯曲系数；
坐标平差值计算模块，用于根据所述声线弯曲系数计算基准站坐标平差值。
6.根据权利要求5所述的计算海底基准站坐标平差值的系统，其特征在于，所述声速测量值计算模块计算声速测量值的公式为：
ck＝c0+c1((zi+zj)/2)
其中，ck表示第k次观测对应的两个基准站之间的声速测量值，zi表示第k次观测对应的基准站i处的水深值，zj表示第k次观测对应的基准站j处的水深值，c0和c1均表示线性项系数。
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