CN114660644A - 一种用于卫星高度计定标的多天线组合浮标系统 - Google Patents

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CN114660644A CN202210571620.5A CN202210571620A CN114660644A CN 114660644 A CN114660644 A CN 114660644A CN 202210571620 A CN202210571620 A CN 202210571620A CN 114660644 A CN114660644 A CN 114660644A
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刘以旭
王胜利
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Abstract

本发明公开了一种用于卫星高度计定标的多天线组合浮标系统，属于导航技术领域，用于海上卫星高度计的定标，包括浮标、GNSS接收机、INS传感器和四个GNSS天线；所述浮标包括浮标标体、电力供应系统、防水防潮系统和数据处理中心，浮标的定位包括RTK和PPP两种方式，所述INS传感器测定并输出浮标高频的位置、速度和姿态信息，所述GNSS四天线提供浮标高精度的姿态信息用于倾斜改正；当测高卫星经过浮标正上方时，通过卫星测高和精确测定的浮标高，对卫星高度计进行标定。

Description

一种用于卫星高度计定标的多天线组合浮标系统
技术领域
本发明公开了一种用于卫星高度计定标的多天线组合浮标系统，属于导航技术领域。
背景技术
精确的测定和监测全球海平面的变化情况对研究海洋对长期气候变化的影响具有重要的意义。随着卫星测高技术的快速发展，目前对海面高的测量精度已达2-3cm。除Jason-2外，目前主要的在轨可用的高度计卫星还有我国发射的第一颗雷达高度计卫星HY-2A和印法合作的Saral高度计卫星。多颗高度计卫星同步观测可以获得高精度的海面高程，这对于研究全球或局部海域的海洋气候变化具有重要的意义。
测高卫星在长时间的运行后，需要对卫星在轨精度情况进行监测，如果出现轨道偏移等情况，需要进行相应的改正来确保测量精度。GNSS可以精确测量某一点的高程，在陆地上，多频长时间观测情况下可以达到2-3mm的测量精度，这为卫星高度计的定标提供了一种新的思路。但是在海面情况下不同于陆地，GNSS定位受到的误差影响更大，这将一定程度上降低测量精度。在海面测量需要借助载体平台，目前一般是将相关传感器安装在浮标上。采用RTK相对定位其精度可靠性更高，但受基准站距离影响，在远海情况下无法完成观测。此外浮标标体受到浪涌的影响晃动比较大，其姿态信息难以精确测量。
发明内容
本发明提出了一种用于卫星高度计定标的多天线组合浮标系统，解决现有技术中GNSS浮标进行卫星高度计定标时，位置和姿态测量精度偏低的问题。
一种用于卫星高度计定标的多天线组合浮标系统，包括浮标、GNSS接收机、INS传感器和四个GNSS天线；
所述浮标包括浮标标体、电力供应系统、防水防潮系统和数据处理中心，浮标的定位包括RTK和PPP两种方式，所述INS传感器测定并输出浮标高频的位置、速度和姿态信息，所述GNSS天线提供浮标高精度的姿态信息；
当测高卫星经过浮标正上方时，通过卫星测高和精确测定的浮标高，对卫星高度 计进行标定，卫星高度计每隔一段时间向海面发射一个电磁波脉冲，并接收海平面反射的 电磁波脉冲信号，计算脉冲发射和接收的时间之差
Figure 364938DEST_PATH_IMAGE001
，再乘以脉冲的传播速度
Figure 246307DEST_PATH_IMAGE002
，得到高度 计到海平面的距离
Figure 605131DEST_PATH_IMAGE003
：
Figure 255556DEST_PATH_IMAGE004
；
基于GNSS浮标阵列进行海面高度检验：
Figure 773125DEST_PATH_IMAGE005
Figure 407368DEST_PATH_IMAGE006
是由卫星高度计测量得到的瞬时海面高度，
Figure 301375DEST_PATH_IMAGE007
是由GNSS浮标测量 得到的海面高度，最终得到的
Figure 196519DEST_PATH_IMAGE008
正值表示高度计测量的海面高度比实际海面高度要 高，负值相反。
优选地，浮标标体底部连接锚系确保浮标不发生漂移，浮标标体上装有多块太阳能电池板作为电力供应系统，所述防水防潮系统保护浮标上的电子设备，所述数据处理中心进行数据保存、数据处理计算和数据传输。
优选地，四个GNSS天线安装在浮标标体的顶部，呈十字形，包括1个主天线和3个辅天线；
同一基线在载体坐标系中的位置矢量和在导航坐标系中的位置矢量之间的关系反应了载体坐标系和导航坐标系间的旋转变换的关系，通过上述旋转变换的关系，利用最小二乘法进行姿态解算，求出载体的姿态信息。
优选地，第i个天线相对于天线的基线向量在载体系和导航系的投影之间的关系为：
Figure 25934DEST_PATH_IMAGE009
i=2，3…t，t表示天线数，
Figure 6529DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 845172DEST_PATH_IMAGE011
为观测值，
Figure 329243DEST_PATH_IMAGE012
表示姿态矩阵；
基于
Figure 595139DEST_PATH_IMAGE013
作线性化得：
Figure 797450DEST_PATH_IMAGE014
Figure 439784DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 43941DEST_PATH_IMAGE016
是姿态角的近似值，
Figure 215159DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 907696DEST_PATH_IMAGE018
是观测误差，
Figure 947196DEST_PATH_IMAGE019
是设计矩阵，
Figure 281226DEST_PATH_IMAGE020
是待估 参数，具体为
Figure 13558DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 800249DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 643440DEST_PATH_IMAGE023
是观测向量，联合所有天线的观测数据， 通过间接平差原理估计
Figure 956609DEST_PATH_IMAGE021
：
姿态角的估值为：
Figure 735210DEST_PATH_IMAGE024
，在得到姿态角后需要进行倾斜改正。
优选地，根据GNSS浮标的观测原理，瞬时海面高程测量结果的计算公式：
Figure 399409DEST_PATH_IMAGE025
i为观测序号；
Figure 656078DEST_PATH_IMAGE026
为瞬时海面高程；
Figure 89333DEST_PATH_IMAGE027
为浮标经过差分解算后得到GNSS天线相位 中心处大地高；
Figure 38835DEST_PATH_IMAGE028
为观测站的GNSS天线高程改正，即GNSS天线相位中心至浮标吃水面距离； N为浮标测量海域的高程异常值，在固定海域为固定值；
GNSS天线高程改正是GNSS天线相位中心至海面的动态高度，根据四个天线的位置 可以算出四天线纵向中心轴，改正公式为：
Figure 659172DEST_PATH_IMAGE029
Figure 112675DEST_PATH_IMAGE028
为GNSS天线相位中心至海面的动态垂向距离；
Figure 275803DEST_PATH_IMAGE030
为静水时GNSS天线相位中心至 海面的垂向距离，对于同一个浮标，该值为固定值，可以通过全站仪测量得到；
Figure 255260DEST_PATH_IMAGE031
分别为 GNSS浮标动态横滚角和俯仰角，可通过四天线测姿或INS得到。
优选地，INS传感器测量载体三轴的加速度和角速度，经过积分得到高频的姿态、速度和位置信息，并和GNSS进行组合测量。
优选地，如果卫星高度计的检校场在近海海域，采用RTK相对定位，如果卫星高度计的检校场在远海海域，周围没有可以作为基准站的地方，采用PPP模式进行单点定位。
优选地，当超过RTK定位的极限距离时，组合浮标系统根据定位结果的精度评定情况，自动切换浮标的定位方式。
优选地，INS传感器测量载体三轴的加速度和角速度，经过积分得到高频的姿态、速度和位置信息，并和GNSS进行组合测量。
优选地，提前将多天线GNSS/INS组合的浮标系统放置在测高卫星的航行轨迹星下点上，进行初始化操作，待测高卫星经过该点时，进行同步观测，获得相关的测量数据，将测量的数据在浮标的数据处理中心进行数据处理，将处理后的结果通过卫星通信传输给陆地上的观测中心，同时将数据进行本地保存。
与现有技术对比，本发明的系统的有益效果是：采用四天线GNSS/INS组合方式实现对浮标的精确定位和测姿，克服了单天线无法完成姿态输出的缺点；同时INS输出的位姿信息是对四天线GNSS位姿信息的补充，确保了系统测量的精度和可靠性；此外，RTK/PPP相互切换的模式适用于近远海不同场景。
附图说明
图1为本发明的高度计定标原理图；
附图标记包括：1-测高卫星，2-浮标标体，3-锚系，4-海面，5-参考椭球面。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
一种用于卫星高度计定标的多天线GNSS/INS组合浮标标体2系统，以参考椭球面5为基准，包括浮标标体2、GNSS接收机、INS传感器和四个GNSS天线；
所述浮标标体2包括浮标标体2标体、电力供应系统、防水防潮系统和数据处理中心，浮标标体2的定位包括RTK和PPP两种方式，所述INS传感器测定并输出浮标标体2高频的位置、速度和姿态信息，所述GNSS天线提供浮标标体2高精度的姿态信息；
当测高卫星1在海面4上运行经过浮标标体2正上方时，通过卫星测高和精确测定 的浮标标体2高，对卫星高度计进行标定，如图1，卫星高度计每隔一段时间向海面发射一个 电磁波脉冲，并接收海平面反射的电磁波脉冲信号，计算脉冲发射和接收的时间之差
Figure 769418DEST_PATH_IMAGE001
， 再乘以脉冲的传播速度
Figure 758103DEST_PATH_IMAGE002
，得到高度计到海平面的距离
Figure 775737DEST_PATH_IMAGE003
：
Figure 191675DEST_PATH_IMAGE004
；
基于GNSS浮标阵列进行海面高度检验：
Figure 193129DEST_PATH_IMAGE005
Figure 454346DEST_PATH_IMAGE006
是由卫星高度计测量得到的瞬时海面高度，
Figure 779017DEST_PATH_IMAGE007
是由GNSS浮标测量 得到的海面高度，最终得到的
Figure 506802DEST_PATH_IMAGE008
正值表示高度计测量的海面高度比实际海面高度要 高，负值相反。
浮标标体2标体底部连接锚系3确保浮标标体2不发生漂移，浮标标体2标体上装有多块太阳能电池板作为电力供应系统，所述防水防潮系统保护浮标标体2上的电子设备，所述数据处理中心进行数据保存、数据处理计算和数据传输。
太阳能板和四个GNSS天线安装在浮标标体2标体的顶部，四个GNSS天线呈十字形，包括1个主天线和3个辅天线；
同一基线在载体坐标系中的位置矢量和在导航坐标系中的位置矢量之间的关系反应了载体坐标系和导航坐标系间的旋转变换的关系，通过上述旋转变换的关系，利用最小二乘法进行姿态解算，求出载体的姿态信息。
第i个天线相对于天线的基线向量在载体系和导航系的投影之间的关系为：
Figure 854606DEST_PATH_IMAGE009
i=2，3…t，t表示天线数，
Figure 794881DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 637373DEST_PATH_IMAGE011
为观测值，
Figure 660693DEST_PATH_IMAGE012
表示姿态矩阵；
基于
Figure 105580DEST_PATH_IMAGE013
作线性化得：
Figure 974179DEST_PATH_IMAGE014
Figure 86492DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 749554DEST_PATH_IMAGE016
是姿态角的近似值，
Figure 71951DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 619607DEST_PATH_IMAGE018
是观测误差，
Figure 711060DEST_PATH_IMAGE019
是设计矩阵，
Figure 420390DEST_PATH_IMAGE020
是待估 参数，具体为
Figure 230083DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 581430DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 261810DEST_PATH_IMAGE023
是观测向量，联合所有天线的观测数据， 通过间接平差原理估计
Figure 938779DEST_PATH_IMAGE021
：
姿态角的估值为：
Figure 441960DEST_PATH_IMAGE024
，在得到姿态角后需要进行倾斜改正。
根据GNSS浮标的观测原理，瞬时海面高程测量结果的计算公式：
Figure 456053DEST_PATH_IMAGE032
i为观测序号；
Figure 397464DEST_PATH_IMAGE026
为瞬时海面高程；
Figure 838809DEST_PATH_IMAGE027
为浮标经过差分解算后得到GNSS天线相位 中心处大地高；
Figure 232882DEST_PATH_IMAGE028
为观测站的GNSS天线高程改正，即GNSS天线相位中心至浮标吃水面距离； N为浮标测量海域的高程异常值，在固定海域为固定值；
GNSS天线高程改正是GNSS天线相位中心至海面的动态高度，根据四个天线的位置 可以算出四天线纵向中心轴，改正公式为：
Figure 785086DEST_PATH_IMAGE033
Figure 705637DEST_PATH_IMAGE028
为GNSS天线相位中心至海面的动态垂向距离；
Figure 458830DEST_PATH_IMAGE030
为静水时GNSS天线相位中心至 海面的垂向距离，对于同一个浮标，该值为固定值，可以通过全站仪测量得到；
Figure 464832DEST_PATH_IMAGE031
分别为 GNSS浮标动态横滚角和俯仰角，可通过四天线测姿或INS得到。
INS传感器测量载体三轴的加速度和角速度，经过积分得到高频的姿态、速度和位置信息，并和GNSS进行组合测量。
如果卫星高度计的检校场在近海海域，采用RTK相对定位，如果卫星高度计的检校场在远海海域，周围没有可以作为基准站的地方，采用PPP模式进行单点定位。
当超过RTK定位的极限距离时，组合浮标标体2系统根据定位结果的精度评定情况，自动切换浮标标体2的定位方式。
INS传感器测量载体三轴的加速度和角速度，经过积分得到高频的姿态、速度和位置信息，并和GNSS进行组合测量。
提前将多天线GNSS/INS组合的浮标标体2系统放置在测高卫星1的航行轨迹星下点上，进行初始化操作，待测高卫星1经过该点时，进行同步观测，获得相关的测量数据，将测量的数据在浮标标体2的数据处理中心进行数据处理，将处理后的结果通过卫星通信传输给陆地上的观测中心，同时将数据进行本地保存。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于卫星高度计定标的多天线组合浮标系统，其特征在于，包括浮标、GNSS接收机、INS传感器和四个GNSS天线；
所述浮标包括浮标标体、电力供应系统、防水防潮系统和数据处理中心，浮标的定位包括RTK和PPP两种方式，所述INS传感器测定并输出浮标高频的位置、速度和姿态信息，所述GNSS天线提供浮标高精度的姿态信息；
当测高卫星经过浮标正上方时，通过卫星测高和精确测定的浮标高，对卫星高度计进 行标定，卫星高度计每隔一段时间向海面发射一个电磁波脉冲，并接收海平面反射的电磁 波脉冲信号，计算脉冲发射和接收的时间之差
Figure 197064DEST_PATH_IMAGE001
，再乘以脉冲的传播速度
Figure 973259DEST_PATH_IMAGE002
，得到高度计到 海平面的距离
Figure 221837DEST_PATH_IMAGE003
：
Figure 210522DEST_PATH_IMAGE004
；
基于GNSS浮标阵列进行海面高度检验：
Figure 493736DEST_PATH_IMAGE005
Figure 909674DEST_PATH_IMAGE006
是由卫星高度计测量得到的瞬时海面高度，
Figure 645548DEST_PATH_IMAGE007
是由GNSS浮标测量得到 的海面高度，最终得到的
Figure 437924DEST_PATH_IMAGE008
正值表示高度计测量的海面高度比实际海面高度要高，负 值相反。
2.如权利要求1所述的一种用于卫星高度计定标的多天线组合浮标系统，其特征在于，浮标标体底部连接锚系确保浮标不发生漂移，浮标标体上装有多块太阳能电池板作为电力供应系统，所述防水防潮系统保护浮标上的电子设备，所述数据处理中心进行数据保存、数据处理计算和数据传输。
3.如权利要求2所述的一种用于卫星高度计定标的多天线组合浮标系统，其特征在于，四个GNSS天线安装在浮标标体的顶部，呈十字形，包括1个主天线和3个辅天线；
同一基线在载体坐标系中的位置矢量和在导航坐标系中的位置矢量之间的关系反应了载体坐标系和导航坐标系间的旋转变换的关系，通过上述旋转变换的关系，利用最小二乘法进行姿态解算，求出载体的姿态信息，同样也可以通过INS传感器测得的姿态信息。
4.如权利要求3所述的一种用于卫星高度计定标的多天线组合浮标系统，其特征在于，第i个天线相对于天线的基线向量在载体系和导航系的投影之间的关系为：
Figure 575644DEST_PATH_IMAGE009
i=2，3…t，t表示天线数，
Figure 162483DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 385654DEST_PATH_IMAGE011
为观测值，
Figure 716141DEST_PATH_IMAGE012
表示姿态矩阵；
基于
Figure 708368DEST_PATH_IMAGE013
作线性化得：
Figure 734618DEST_PATH_IMAGE014
Figure 445085DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 454629DEST_PATH_IMAGE016
是姿态角的近似值，
Figure 691575DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 495583DEST_PATH_IMAGE018
是观测误差，
Figure 817980DEST_PATH_IMAGE019
是设计矩阵，
Figure 365636DEST_PATH_IMAGE020
是待估参 数，具体为
Figure 457089DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 697577DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 241691DEST_PATH_IMAGE023
是观测向量，联合所有天线的观测数据，通 过间接平差原理估计
Figure 593038DEST_PATH_IMAGE021
：
姿态角的估值为：
Figure 804577DEST_PATH_IMAGE024
，在得到姿态角后需要进行倾斜改正。
5.如权利要求4所述的一种用于卫星高度计定标的多天线组合浮标系统，其特征在于，根据GNSS浮标的观测原理，瞬时海面高程测量结果的计算公式：
Figure 950387DEST_PATH_IMAGE025
i为观测序号；
Figure 981797DEST_PATH_IMAGE026
为瞬时海面高程；
Figure 871256DEST_PATH_IMAGE027
为浮标经过差分解算后得到GNSS天线相位中心 处大地高；
Figure 937301DEST_PATH_IMAGE028
为观测站的GNSS天线高程改正，即GNSS天线相位中心至浮标吃水面距离；N为 浮标测量海域的高程异常值，在固定海域为固定值；
GNSS天线高程改正是GNSS天线相位中心至海面的动态高度，根据四个天线的位置可以 算出四天线纵向中心轴，改正公式为：
Figure 519592DEST_PATH_IMAGE029
Figure 41227DEST_PATH_IMAGE028
为GNSS天线相位中心至海面的动态垂向距离；
Figure 734377DEST_PATH_IMAGE030
为静水时GNSS天线相位中心至海面 的垂向距离，对于同一个浮标，该值为固定值，可以通过全站仪测量得到；
Figure 389349DEST_PATH_IMAGE031
分别为GNSS 浮标动态横滚角和俯仰角，可通过四天线测姿或INS得到。
6.如权利要求5所述的一种用于卫星高度计定标的多天线组合浮标系统，其特征在于，INS传感器测量载体三轴的加速度和角速度，经过积分得到高频的姿态、速度和位置信息，并和GNSS进行组合测量。
7.如权利要求6所述的一种用于卫星高度计定标的多天线组合浮标系统，其特征在于，如果卫星高度计的检校场在近海海域，采用RTK相对定位，如果卫星高度计的检校场在远海海域，周围没有可以作为基准站的地方，采用PPP模式进行单点定位。
8.如权利要求7所述的一种用于卫星高度计定标的多天线组合浮标系统，其特征在于，当超过RTK定位的极限距离时，组合浮标系统根据定位结果的精度评定情况，自动切换浮标的定位方式。
9.如权利要求8所述的一种用于卫星高度计定标的多天线组合浮标系统，其特征在于，提前将多天线GNSS-INS组合的浮标系统放置在测高卫星的航行轨迹星下点上，进行初始化操作，待测高卫星经过该点时，进行同步观测，获得相关的测量数据，将测量的数据在浮标的数据处理中心进行数据处理，将处理后的结果通过卫星通信传输给陆地上的观测中心，同时将数据进行本地保存。
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