CN113532392B - 一种基于表层漂流浮标的海流测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于表层漂流浮标的海流测量方法，包括如下步骤：获取表层漂流浮标上四个GNSS定位模块各自测量的三维坐标，以及姿态传感器测得的表层漂流浮标的姿态数据；利用表层漂流浮标的姿态数据对四个GNSS定位模块各自测量的三维坐标进行校正；根据四个GNSS定位模块的安装位置对校正后的四个GNSS定位模块的三维坐标进行优化；将优化后的四个GNSS定位模块的三维坐标转换成经纬度坐标；通过四个GNSS定位模块的经纬度坐标计算表层漂流浮标的经纬度坐标、海流瞬时流速、流向和瞬时海面高程。本发明所公开的测量方法能够获取更高精度的经纬度坐标，并且可以测量浮标所在海域的瞬时流速、流向和海面高程。

Description

一种基于表层漂流浮标的海流测量方法

技术领域

本发明涉及海流观测领域，特别涉及一种基于表层漂流浮标的海流测量方法。

背景技术

表层漂流浮标是根据海洋调查、环境监测和科学实验的需要而发展起来的一种小型海洋资料浮标，其主要的功能是使用拉格郎日法测量海水表层流。浮标的定位精度是影响其测流精度的主要因素。目前，表层漂流浮标的定位精度为10m，无法满足现阶段高精度的测流要求。在测流数据种类方面，目前的表层漂流浮标也仅能提供由拉格朗日法测得的平均流速，不能提供瞬时流速、流向、海平面高度等数据的测量功能，无法对海洋流场进行分辨率更高的观测。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于表层漂流浮标的海流测量方法，以达到获取更高精度的经纬度坐标，并且可以测量浮标所在海域的瞬时流速、流向和海面高程的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于表层漂流浮标的海流测量方法，包括如下步骤：

步骤1，获取表层漂流浮标上四个GNSS定位模块各自测量的三维坐标，以及姿态传感器测得的表层漂流浮标的姿态数据；四个GNSS定位模块的天线相位中心分别位于正方形的四个顶点，四个天线相位中心在同一平面内，且该平面与表层漂流浮标垂向中轴线垂直；

步骤2，利用表层漂流浮标的姿态数据对四个GNSS定位模块各自测量的三维坐标进行校正；

步骤3，根据四个GNSS定位模块的安装位置对校正后的四个GNSS定位模块的三维坐标进行优化；

步骤4，将优化后的四个GNSS定位模块的三维坐标转换成经纬度坐标；

步骤5，通过四个GNSS定位模块的经纬度坐标计算表层漂流浮标的经纬度坐标、海流瞬时流速、流向和瞬时海面高程。

上述方案中，步骤2中的校正公式如下：

其中，

为在地心地固坐标系下，第k号GNSS定位模块测量的三维坐标，

为第k号GNSS定位模块校正后的三维坐标，k=1,2,3,4；y为表层漂流浮标的偏航 角度，r为表层漂流浮标的横滚角度，p为表层漂流浮标的俯仰角度。

上述方案中，步骤3优化的方法如下：

（1）以校正后的四个GNSS定位模块的三维坐标为顶点构建测量图形，同时，以四个GNSS定位模块的安装位置为顶点构建安装图形；

（2）判断测量图形是否为凸四边形，若为凹四边形，则根据安装图形中各顶点的位置将需调整的顶点进行移动，使得移动后的测量图形变为凸四边形，并包含安装图形；

（3）根据安装图形中各顶点的位置分别计算测量图形中四个顶点的移动矢量，并验证四边形四条边在移动前后的长度差，以及四边形四个角在移动前后的角度差，直到差值在设定阈值范围内，则认为优化结束；

（4）按照计算的移动矢量将四个顶点分别进行移动，使得移动后的测量图形与安装图形大小和形状相同。

上述方案中，步骤4的转换方法如下：

其中，

为第k号GNSS定位模块的维度，

为第k号GNSS定位模块的经度，

为第k 号GNSS定位模块的大地高程，

为第k号GNSS定位模块优化后的三维坐标，a为地球 长半径，b为地球短半径；

通过迭代运算的方法求解上述方程得到转换后的四个GNSS定位模块的经纬度坐标。

上述方案中，步骤5的具体方法如下：

表层漂流浮标每隔15分钟开机工作一次，采集30秒的经纬度数据进行计算后关 机，获得的数据序列长度为300，四个GNSS定位模块获得经纬度序列分别为

，其 中，k为四个GNSS定位模块的序号，k=1,2,3,4，i=1,2,3,…,300；

是第k号GNSS定位模块 的纬度序列，

是第k号GNSS定位模块的经度序列，

是第k号GNSS定位模块的大地高程序 列。

（1）表层漂流浮标的经纬度计算：

分别对四个GNSS定位模块的经度序列进行粗大误差剔除后计算四个GNSS定位模块测量的所有经度的算术平均值作为该工作周期内表层漂流浮标的经度；

分别对四个GNSS定位模块的纬度序列进行粗大误差剔除后计算四个GNSS定位模块测量的所有纬度的算术平均值作为该工作周期内表层漂流浮标的纬度。

（2）表层漂流浮标的流速和流向计算：

首先，通过纬度方向的位移求表层漂流浮标的北向流速V _N ，各个GNSS定位模块的北向流速计算公式为：

其中，V _Nki 为第k号GNSS定位模块计算得到的第i个北向速度，此时，i=1,2,3…299，B _ki 为第k号GNSS定位模块测量的第i个纬度，M为地面移动距离系数，t为时间；

分别对四个GNSS定位模块的北向速度序列进行粗大误差剔除后，计算四个GNSS定位模块测量的所有北向速度V _Nki 的算术平均值作为该工作周期内表层漂流浮标的北向速度V _N 。

然后，通过经度方向的位移求表层漂流浮标的东向流速V _E，各个GNSS定位模块的东向流速计算公式为：

其中，V _Eki为第k号GNSS定位模块计算得到的第i个东向速度，此时，i=1,2,3…299，L _ki为第k号GNSS定位模块测量的第i个经度；

分别对四个GNSS定位模块的东向速度序列进行粗大误差剔除后，计算四个GNSS定位模块测量的所有东向速度V _Eki的算术平均值作为该工作周期内表层漂流浮标的东向速度V _E。

最后，表层漂流浮标所在海域的流速V的计算公式为：

流向D计算公式为：

。

（3）瞬时海面高程计算：

分别对四个GNSS定位模块的大地高程序列进行粗大误差剔除后，计算四个GNSS定位模块测量的所有大地高程的算术平均值作为该工作周期内表层漂流浮标的大地高程，然后减去GNSS定位模块的天线相位中心到表层漂流浮标吃水线的距离，即得到表层漂流浮标所在海域的瞬时海面高程。

通过上述技术方案，本发明提供的一种基于表层漂流浮标的海流测量方法具有如下有益效果：

本发明能够克服目前表层漂流浮标仅安装一个GNSS天线进行坐标测量的不足，通过安装四个GNSS定位模块和姿态传感器的方案可以获取表层漂流浮标所在海域的精确经纬度坐标、CGCS2000坐标系下的高程、导航坐标系下的北向、东向和垂向速度，以上数据的更新率为10Hz。这样本发明中的表层漂流浮标的定位精度优于0.6m，不仅可以通过拉格朗日的方法测量平均流速、流向，还可以测量表层漂流浮标所在海域的瞬时流速、流向和海面高程。

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表层漂流浮标整体示意图；

图2为本发明实施例所公开的浮标外壳内部示意图；

图3为本发明实施例所公开的四个GNSS定位模块安装示意图；

图4为对四个GNSS定位模块（凹四边形变为凸四边形）的优化过程示意图；

图5为对四个GNSS定位模块（凸四边形）的优化过程示意图。

图中，1、浮标外壳；2、缆绳；3、水帆；4、支撑杆；5、自动气象站；6、四个GNSS定位模块；A、1号GNSS定位模块；B、2号GNSS定位模块；C、3号GNSS定位模块；D、4号GNSS定位模块；7、姿态传感器；8、水温传感器；9、嵌入式处理模块；10、铱星通信模块；11、太阳能板；12、太阳能充电控制器；13、铅蓄电池；14、平面安装板。

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。

如图1所示，本发明中的表层漂流浮标由浮标外壳1、通过缆绳2连接在浮标外壳1底部的水帆3，和通过支撑杆4连接于浮标外壳1顶部的自动气象站5组成。如图2所示，浮标外壳1内部设置四个GNSS定位模块6、姿态传感器7、水温传感器8、嵌入式处理模块9、铱星通信模块10、太阳能板11、太阳能充电控制器12和铅蓄电池13。支撑杆4采用碳纤结构，内部中空，自动气象站5与嵌入式处理模块9之间的串口连线置于其中，四个GNSS定位模块6通过平面安装板14安装于表层漂流浮标上半部分，其天顶方向只有自动气象站5及支撑杆4，四个GNSS定位模块6通过串口连接至嵌入式处理模块9；铱星通信模块10安装在平面安装板14的侧面，通过串口连接至嵌入式处理模块9；水温传感器8安装在表层漂流浮标底部，其输出接入嵌入式处理模块9的A/D采集端口；太阳能板11安装在表层漂流浮标上下部分连接处，保证太阳能板11面积最大；铅蓄电池13和太阳能充电控制器12安装在表层漂流浮标下半部分。

如图3所示，四个GNSS定位模块6的天线相位中心分别位于正方形的四个顶点，四个天线相位中心在同一平面内，且该平面与表层漂流浮标垂向中轴线垂直。这样相邻的GNSS定位模块之间的四条连接线的长度是固定的，相邻的GNSS定位模块四条连接线的夹角均为90°。

本发明提供了一种基于上述表层漂流浮标的海流测量方法，包括如下步骤：

步骤1，获取表层漂流浮标上四个GNSS定位模块6各自测量的三维坐标，以及姿态传感器7测得的表层漂流浮标的姿态数据；

在地心地固坐标系下，1号GNSS定位模块测量的三维坐标为

，2号GNSS定 位模块测量的三维坐标为

，3号GNSS定位模块测量的三维坐标为

，4号 GNSS定位模块测量的三维坐标为

。姿态传感器7测量的数据为（

）,其中

为表 层漂流浮标的偏航角度，

为表层漂流浮标的横滚角度，

为表层漂流浮标的俯仰角度。

步骤2，利用表层漂流浮标的姿态数据对四个GNSS定位模块6各自测量的三维坐标进行校正；

校正公式如下：

其中，

为在地心地固坐标系下，第k号GNSS定位模块测量的三维坐标，

为第k号GNSS定位模块校正后的三维坐标，k=1，2，3，4；y为表层漂流浮标的偏航 角度，r为表层漂流浮标的横滚角度，p为表层漂流浮标的俯仰角度。

这样姿态校正后1号GNSS定位模块测量的三维坐标为

，2号GNSS定位模块 测量的三维坐标为

，3号GNSS定位模块测量的三维坐标为

，4号GNSS定位 模块测量的三维坐标为

。

步骤3，根据四个GNSS定位模块6的安装位置对校正后的四个GNSS定位模块6的三维坐标进行优化。

如图5所示，优化的方法如下：

（1）以校正后的四个GNSS定位模块6的三维坐标为顶点构建测量图形，

分别为校正后1号、2号、3号、4号GNSS定位模块测量的坐标位置；同时，以四个GNSS定位模块 6的安装位置为顶点构建安装图形，A,B,C,D分别为1号、2号、3号、4号GNSS定位模块的安装 位置。

（2）判断测量图形

是否为凸四边形，若为凹四边形，如图4所示，则根据 安装图形中各顶点的位置将需调整的顶点

进行移动，使得移动后的测量图形变为凸四边 形，并包含安装图形；该步骤中仅对一个GNSS定位模块的测量坐标进行移动操作，并且移动 后的测量图形要大于安装图形。

（3）根据安装图形中各顶点的位置分别计算测量图形中四个顶点的移动矢量，并验证四边形四条边在移动前后的长度差，以及四边形四个角在移动前后的角度差，直到差值在设定阈值范围内，则认为优化结束。

以1号GNSS定位模块为例，计算方法为：根据线段AD与线段

长度差值、角

与角

的比值、角

与角

的比值，计算点

的移动矢量。

依次计算完四个GNSS定位模块6的移动矢量后，验证计算结果，验证方法为：对比 线段

与AB、线段

与BD、线段

与CD、线段

与CA的长度差，分别对比角

、角

、角

、角

与90°的差值，若长度差值小于绝对长度的5%，角度差值小于3°， 即可认为优化过程结束。

（4）按照计算的移动矢量将四个顶点分别进行移动，使得移动后的测量图形与安装图形大小和形状相同。

步骤4，将优化后的四个GNSS定位模块6的三维坐标转换成经纬度坐标；

转换方法如下：

其中，

为第k号GNSS定位模块的维度，

为第k号GNSS定位模块的经度，

为第k 号GNSS定位模块的大地高程，

为第k号GNSS定位模块优化后的三维坐标，a为地球 长半径，b为地球短半径；

通过迭代运算的方法求解上述方程得到转换后的四个GNSS定位模块的经纬度坐标。

步骤5，通过四个GNSS定位模块6的经纬度坐标计算表层漂流浮标的经纬度坐标、海流瞬时流速、流向和海面高程。

具体方法如下：

表层漂流浮标每隔15分钟开机工作一次，采集30秒的经纬度数据进行计算后关 机，获得的数据序列长度为300（30s*10Hz），四个GNSS定位模块6获得经纬度序列分别为

，其中，k为四个GNSS定位模块6的序号，k=1,2,3,4，i=1,2,3,…,300；

是第k 号GNSS定位模块的纬度序列，

是第k号GNSS定位模块的经度序列，

是第k号GNSS定位模 块的大地高程序列。

（1）表层漂流浮标的经纬度计算：

分别对四个GNSS定位模块的经度序列进行粗大误差剔除后计算四个GNSS定位模块测量的所有经度的算术平均值作为该工作周期内表层漂流浮标的经度；

分别对四个GNSS定位模块的纬度序列进行粗大误差剔除后计算四个GNSS定位模块测量的所有纬度的算术平均值作为该工作周期内表层漂流浮标的纬度。

（2）表层漂流浮标的流速和流向计算：

首先，通过纬度方向的位移求表层漂流浮标的北向流速V _N ，各个GNSS定位模块的北向流速计算公式为：

其中，V _Nki 为第k号GNSS定位模块计算得到的第i个北向速度，此时，i=1,2,3…299，B _ki 为第k号GNSS定位模块测量的第i个纬度，M为地面移动距离系数，M=111319.491，t为时间，t=0.1s。

分别对四个GNSS定位模块6的北向速度序列进行粗大误差剔除后，计算四个GNSS定位模块6测量的所有北向速度V _Nki 的算术平均值作为该工作周期内表层漂流浮标的北向速度V _N 。

然后，通过经度方向的位移求表层漂流浮标的东向流速V _E，各个GNSS定位模块的东向流速计算公式为：

其中，V _Eki为第k号GNSS定位模块计算得到的第i个东向速度，此时，i=1,2,3…299，L _ki为第k号GNSS定位模块测量的第i个经度，M为地面移动距离系数，M=111319.491，t为时间，t=0.1s。

分别对四个GNSS定位模块6的东向速度序列进行粗大误差剔除后，计算四个GNSS定位模块6测量的所有东向速度V _Eki 的算术平均值作为该工作周期内表层漂流浮标的东向速度V _E。

最后，表层漂流浮标所在海域的流速V的计算公式为：

流向D计算公式为：

。

（3）瞬时海面高程计算：

分别对四个GNSS定位模块6的大地高程序列进行粗大误差剔除后，计算四个GNSS定位模块6测量的所有大地高程的算术平均值作为该工作周期内表层漂流浮标的大地高程，然后减去GNSS定位模块的天线相位中心到表层漂流浮标吃水线的距离，即得到表层漂流浮标所在海域的瞬时海面高程。

前面描述的粗大误差剔除的过程包括两次运算，两次运算算法不同，保证数据预处理的目的能够达到。

首次运算包括如下步骤：

步骤1，计算本段数据序列的算数平均值；

步骤2，计算本段数据序列的标准差；

步骤3，计算本段数据序列中每个数据的标志值；

步骤4，将每个数据的标志值与临界值进行比较，根据逐分钟数据数量，临界值选择为3.34，如果标志值大于临界值，则剔除该数据，否则，保留该数据。

第二次运算包括如下步骤：

步骤1，将本段数据按照从小到大的顺序排列；

步骤2，计算第一个数据的标志值；

步骤3，将第一个数据的标志值与临界值进行比较，如果标志值大于临界值，则剔除第一个数据并重新排序，如果标志值小于临界值，则保留第一个数据继续计算剩余每个数据的标志值；

步骤4，将每个数据的标志值与临界值进行比较，如果标志值大于临界值，则剔除该数据并重新排序，如果标志值小于临界值，则保留该数据。

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 (3)

1.一种基于表层漂流浮标的海流测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，获取表层漂流浮标上四个GNSS定位模块各自测量的三维坐标，以及姿态传感器测得的表层漂流浮标的姿态数据；四个GNSS定位模块的天线相位中心分别位于正方形的四个顶点，四个天线相位中心在同一平面内，且该平面与表层漂流浮标垂向中轴线垂直；

步骤2，利用表层漂流浮标的姿态数据对四个GNSS定位模块各自测量的三维坐标进行校正；

步骤3，根据四个GNSS定位模块的安装位置对校正后的四个GNSS定位模块的三维坐标进行优化；

步骤4，将优化后的四个GNSS定位模块的三维坐标转换成经纬度坐标；

步骤5，通过四个GNSS定位模块的经纬度坐标计算海流瞬时流速、流向；

步骤3的优化的方法如下：

（1）以校正后的四个GNSS定位模块的三维坐标为顶点构建测量图形，同时，以四个GNSS定位模块的安装位置为顶点构建安装图形；

（2）判断测量图形是否为凸四边形，若为凹四边形，则根据安装图形中各顶点的位置将需调整的顶点进行移动，使得移动后的测量图形变为凸四边形，并包含安装图形；

（3）根据安装图形中各顶点的位置分别计算测量图形中四个顶点的移动矢量，并验证四边形四条边在移动前后的长度差，以及四边形四个角在移动前后的角度差，直到差值在设定阈值范围内，则认为优化结束；

（4）按照计算的移动矢量将四个顶点分别进行移动，使得移动后的测量图形与安装图形大小和形状相同；

步骤5的具体方法如下：

表层漂流浮标每隔15分钟开机工作一次，采集30秒的经纬度数据进行计算后关机，获 得的数据序列长度为300，四个GNSS定位模块获得经纬度序列分别为

，其中，k为 四个GNSS定位模块的序号，k=1,2,3,4，i=1,2,3,…,300；

是第k号GNSS定位模块的纬度 序列，

是第k号GNSS定位模块的经度序列，

是第k号GNSS定位模块的大地高程序列；

流速和流向计算：

首先，通过纬度方向的位移求表层漂流浮标的北向流速V _N ，各个GNSS定位模块的北向流速计算公式为：

其中，V _Nki 为第k号GNSS定位模块计算得到的第i个北向速度，此时，i=1,2,3…299，B _ki 为第k号GNSS定位模块测量的第i个纬度，M为地面移动距离系数，t为时间；

分别对四个GNSS定位模块的北向速度序列进行粗大误差剔除后，计算四个GNSS定位模块测量的所有北向速度V _Nki 的算术平均值作为本次开机采集数据时段内表层漂流浮标的北向速度V _N ；

然后，通过经度方向的位移求表层漂流浮标的东向流速V _E，各个GNSS定位模块的东向流速计算公式为：

其中，V _Eki为第k号GNSS定位模块计算得到的第i个东向速度，此时，i=1,2,3…299，L _ki为第k号GNSS定位模块测量的第i个经度；

分别对四个GNSS定位模块的东向速度序列进行粗大误差剔除后，计算四个GNSS定位模块测量的所有东向速度V _Eki的算术平均值作为本次开机采集数据时段内表层漂流浮标的东向速度V _E；

最后，表层漂流浮标所在海域的流速V的计算公式为：

流向D计算公式为：

。

2.根据权利要求1所述的一种基于表层漂流浮标的海流测量方法，其特征在于，步骤2中的校正公式如下：

其中，

为在地心地固坐标系下，第k号GNSS定位模块测量的三维坐标，

为第k号GNSS定位模块校正后的三维坐标，k=1,2,3,4；y为表层漂流浮标的偏航角 度，r为表层漂流浮标的横滚角度，p为表层漂流浮标的俯仰角度。

3.根据权利要求1所述的一种基于表层漂流浮标的海流测量方法，其特征在于，步骤4的转换方法如下：

其中，

为第k号GNSS定位模块的维度，

为第k号GNSS定位模块的经度，

为第k号 GNSS定位模块的大地高程，

为第k号GNSS定位模块优化后的三维坐标，a为地球长 半径，b为地球短半径；

通过迭代运算的方法求解上述方程得到转换后的四个GNSS定位模块的经纬度坐标。

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