CN115112093B - 绝对海面高程测量系统、测量方法及卫星高度计定标系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开绝对海面高程测量系统、测量方法及卫星高度计定标系统，涉及绝对海面高程测量技术领域，其中，绝对海面高程测量系统包括安装支架、GNSS天线和高度测量机构，GNSS天线和高度测量机构均安装于安装支架上，安装支架用于安装于安装平台上；安装完成后，高度测量机构的中心线与待测海面垂直，高度测量机构用于测量其安装平面与待测海面之间的垂直高度；GNSS天线位于高度测量机构的上方，且高度测量机构的测量中心与GNSS天线的参考点中心位于同一垂线上，该垂线与待测海面垂直。本发明能减小安全隐患，还能够减小风浪对GNSS天线数据质量的影响，保证测量质量。

Description

绝对海面高程测量系统、测量方法及卫星高度计定标系统
技术领域
本发明涉及绝对海面高程测量技术领域，特别是涉及一种绝对海面高程测量系统、测量方法及卫星高度计定标系统。
背景技术
对于卫星高度计的定标任务，现有技术设备主要包括GNSS浮标、锚系GNSS浮标等，其测量精度可以达到厘米级，卫星高度计定标结果的计算公式如下：
Bias = Halt–Hin-situ
上述公式中，Bias代表卫星高度计定标结果，Halt表示卫星高度计测量的海面绝对高程，Hin-situ代表GNSS浮标或锚系GNSS浮标测量的海面绝对高程。但是目前在GNSS浮标高度计定标过程中，需首先在实验室测定浮标上GNSS天线至海面的距离；其次需将GNSS浮标或锚系GNSS浮标布放在卫星高度计的星下点，在卫星过境前后2小时内布放，在现场布放过程中，需将浮标搭载在科考船上，使用船上的A型支架或人为将GNSS浮标布放至海面。
在实验室测定浮标上GNSS天线至海面的距离与实际海上测量存在偏差，而使用GNSS浮标或锚系GNSS浮标测量海面绝对高程时，需精确测定GNSS天线至海面的距离；如图1所示，GNSS浮标或锚系GNSS浮标测量的海面绝对高程与GNSS天线至海面的距离之间的关系如下：
Hin-situ = HGNSS–h
式中，HGNSS为GNSS天线参考点的绝对高程值，h为GNSS天线参考点至海面的距离。
上述使用GNSS浮标或锚系GNSS浮标测量海面绝对高程的方案中存在以下缺点：
1）浮标在实验室进行测量时，需要有部分浮体和仪器舱浸没在水中，实验室水体的温度、盐度等参数与卫星高度计定标位置处的海水参数差异较大，需进行温度、盐度等参数补偿，可能存在4mm~5mm的偏差，如下表所示：
表1、盐度、湿度与天线高误差的关系
Figure 167767DEST_PATH_IMAGE001
2）实验室进行测量时，GNSS浮标无需将浮标系留在船上，且无海浪、海流等因素的影响，而在实际海上布放进行卫星高度计定标时，必须考虑系留、海浪、海流等因素对H的影响，其中，H为GNSS天线相位中心至海面的距离。
3）在使用GNSS浮标、锚系GNSS浮标进行卫星高度计定标过程中，需将浮标搭载在科考船上，使用船上的A型支架或人为将GNSS浮标布放至海面，在卫星高度计过境前后进行绝对海面高程测量；在布放过程中，存在安全隐患，导致浮标受到磕碰，影响浮标的测量精度。
4）在使用GNSS浮标、锚系GNSS浮标高度计定标过程中，浮标上GNSS天线与海面的距离较近，一般GNSS浮标距离海面高度不超过0.5m，锚系GNSS浮标约1.5m；如果海上风浪较大，则会导致GNSS天线接收到的GNSS信号失锁，从而导致现场测量数据不准确。
因此，亟需提供一种绝对海面高程测量系统、测量方法及卫星高度计定标系统，以解决现有技术中所存在的上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种绝对海面高程测量系统、测量方法及卫星高度计定标系统，以解决上述现有技术存在的问题，能够减小安全隐患，还能够减小风浪对GNSS天线数据质量的影响，保证测量质量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种绝对海面高程测量系统，包括安装支架、GNSS天线和高度测量机构，所述GNSS天线和所述高度测量机构均安装于所述安装支架上，所述安装支架用于安装于安装平台上；安装完成后，所述高度测量机构的中心线与待测海面垂直，所述高度测量机构用于测量其安装平面与所述待测海面之间的垂直高度；所述GNSS天线位于所述高度测量机构的上方，且所述高度测量机构的测量中心与所述GNSS天线的参考点中心位于同一垂线上，所述垂线与所述待测海面垂直。
优选的，所述高度测量机构为验潮仪。
优选的，所述验潮仪为雷达验潮仪，所述雷达验潮仪包括雷达验潮仪传感器和主壳体，所述雷达验潮仪传感器安装于所述主壳体内，所述主壳体的顶部与所述安装支架连接，所述主壳体的底部设置有开口，所述雷达验潮仪传感器的底部与所述开口平齐；其中，所述高度测量机构的测量中心为所述雷达验潮仪传感器的测量中心。
优选的，所述主壳体的顶部通过法兰与所述安装支架连接。
优选的，所述安装支架包括竖直支架，所述竖直支架上垂直安装有水平安装台，所述高度测量机构安装于所述水平安装台的下表面上，所述GNSS天线安装于所述水平安装台的上表面上。
优选的，所述水平安装台上设置有测量孔，所述测量孔与所述水平安装台的上表面垂直，并贯穿所述水平安装台。
优选的，所述绝对海面高程测量系统还包括控制系统，所述控制系统包括数据集成模块和控制器，所述数据集成模块还与所述控制器连接；所述GNSS天线以及所述高度测量机构均与所述数据集成模块连接；或者，所述GNSS天线连接有GNSS接收机，所述GNSS接收机以及所述高度测量机构均与所述数据集成模块连接。
优选的，所述安装平台为移动平台或堤坝。
本发明还提供一种绝对海面高程测量方法，采用上述的绝对海面高程测量系统，包括以下步骤：
通过所述GNSS天线测量其参考点的绝对高程值，通过所述高度测量机构测量其安装平面到待测海面的垂直高度，测量所述GNSS天线的参考点到所述高度测量机构的安装平面的垂直高度；计算所述待测海面的绝对海面高程。
本发明还提供一种卫星高度计定标系统，包括卫星高度计以及上述的绝对海面高程测量系统。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
本发明将GNSS天线和高度测量机构集成于一安装支架上，该安装支架可以安装于安装平台上，通过高度测量机构能够直接测得其安装平面到待测海面的垂直高度，并通过测量GNSS天线的参考点到高度测量机构的安装平面的垂直高度，就能够得到GNSS天线参考点至海面的距离；无需与水体接触，相对于现有技术避免了在实验室测定浮标上GNSS天线至海面的距离时所存在的偏差。
而且，安装支架可以直接安装于安装平台上，无须再人为将GNSS浮标、锚系GNSS浮标布放到海面上，提高安全性。
进一步地，本发明中GNSS天线和高度测量机构通过安装支架可以安装在较高位置，避免海面风浪对GNSS天线数据质量的影响，不会导致数据失锁，数据连续性较好。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中GNSS天线至海面的距离示意图；
图2为本发明实施例中绝对海面高程测量系统的结构示意图；
图3为本发明实施例中绝对海面高程测量系统的侧视图；
图4为本发明实施例中绝对海面高程测量系统的俯视图；
图5为本发明实施例中水平安装台的结构示意图；
图6为本发明实施例中绝对海面高程测量系统的控制示意图；
其中，1为GNSS天线，101为GNSS天线参考点，2为安装支架，201为竖直支架，202为水平安装台，203为斜撑，204为固定螺丝，205为螺栓孔，206为测量孔，3为雷达验潮仪，301为主壳体，302为雷达验潮仪传感器，303为中心线，4为海面。
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绝对海面高程测量系统、测量方法及卫星高度计定标系统，以解决上述现有技术存在的问题，能够减小安全隐患，还能够减小风浪对GNSS天线数据质量的影响，保证测量质量。
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。
实施例一
如图2-图6所示，本实施例提供一种绝对海面高程测量系统，包括安装支架2、GNSS天线1和高度测量机构，GNSS天线1和高度测量机构均安装于安装支架2上，安装支架2用于安装于安装平台上；在测量过程中，高度测量机构的中心线303要完全与待测海面垂直，以便于测量其安装平面与待测海面之间的垂直高度；GNSS天线1位于高度测量机构的上方，且高度测量机构的测量中心与GNSS天线1的参考点中心位于同一垂线上，垂线与待测海面垂直，保证高度测量机构和GNSS天线1同时进行测量，避免了因维度不一致造成的高度归算误差。其中，上述垂线即为高度测量机构的中心线303，也是GNSS天线1的中心线。
在本实施例中，GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）天线为本领域现有成熟技术，根据具体工作需要进行选择；具体地，GNSS天线1用于搜索和接收GNSS卫星信号，可以使用GNSS接收机接收数据，获取的数据将保存在GNSS接收机中，并使用天宝RTX（全球精密定位服务）技术获取GNSS天线1相位中心的精确坐标（包括高程）；或者使用专用处理软件获取GNSS天线1相位中心的精确坐标（包括高程）。进一步地，可以通过GNSS天线1相位中心与GNSS天线参考点101的垂直距离，确定GNSS天线参考点101的绝对高程值。
在本实施例中，安装支架2为不锈钢支架，主要包括竖直支架201，竖直支架201上垂直安装有水平安装台202，高度测量机构的顶部安装于水平安装台202的下表面上，GNSS天线1的底部通过固定螺丝204安装于水平安装台202的上表面上；本实施例中选择GNSS天线1的底部与水平安装台202的连接位置为GNSS天线参考点101。
在本实施例中，在水平安装台202的下表面与竖直支架201之间还设置有斜撑203，以提高安装支架2的整体强度。
在本实施例中，高度测量机构优选为验潮仪，或者还可以根据工作需要选择其它的高度测量机构；其中，验潮仪优选为雷达验潮仪3，雷达验潮仪3主要包括雷达验潮仪传感器302和主壳体301，雷达验潮仪传感器302竖直安装于主壳体301内，并与待测海面垂直；主壳体301的顶部与水平安装台202的下表面连接，主壳体301的底部设置有开口，以便于雷达验潮仪传感器302朝下进行测量，雷达验潮仪传感器302的底部与开口平齐；其中，高度测量机构的测量中心为雷达验潮仪传感器302的测量中心，测量中心的底部即为雷达验潮仪传感器302的底部，上文中的安装平面即为与雷达验潮仪传感器302的底部平齐的平面。
在本实施例中，雷达验潮仪3为现有成熟技术，可以根据具体工作需要进行选择；雷达验潮仪传感器302通过喇叭天线向海面周期性发射脉冲电磁波（微波）信号，遇海面发生反射，获取海面反射脉冲回波信号，依据时域反射（TDR，Time Domain Reflectometry）原理，假定电磁波在空气中传播速度与真空相等，计算发射脉冲与回波脉冲时间差，获得雷达验潮仪传感器302安装平面至待测海面的距离。
在本实施例中，主壳体301为圆筒形壳体，其顶部通过法兰与水平安装台202的下表面连接；其中，如图5所示，在水平安装台202上沿圆周设置有多个螺栓孔205，法兰通过螺栓安装于螺栓孔205处。
在本实施例中，水平安装台202上还设置有测量孔206，测量孔206与水平安装台202的上表面垂直，并贯穿水平安装台202，可以使用长度测量装置穿过测量孔206，以便于测量GNSS天线参考点101到高度测量机构的安装平面的垂直高度；其中，长度测量装置可以选择卷尺或者直尺等；本实施例中，预留测量空间，能够保证href的测量精度在1mm以内，href为GNSS天线参考点101至雷达验潮仪3安装平面的垂直距离。其中，测量孔206可以设置有多个，多个测量孔206环绕在GNSS天线1的外围设置。
在本实施例中，如图6所示，绝对海面高程测量系统还包括控制系统，控制系统包括数据集成模块和控制器，GNSS天线1以及高度测量机构均与数据集成模块连接；或者，GNSS天线1连接有GNSS接收机，GNSS接收机与数据集成模块连接；数据集成模块还与控制器连接，由于数据集成模块不含数据存储功能，因此使用串口线将数据采集到控制器。
在本实施例中，优选GNSS天线1连接有GNSS接收机，GNSS接收机与数据集成模块连接；相对于同类设备数据需实时回传且处理时间滞后的问题，GNSS接收机可以接收天宝RTX系统信号，实时获取高精度绝对海面高程数据，且精度可以达到厘米级。
在本实施例中，数据集成模块将GNSS天线1数据与雷达验潮仪3的数据同时进行接收，时间采用GNSS的时间，保证了两台仪器在测量时间上的一致性；进一步地，数据集成模块和控制器均为现有成熟技术，根据需要进行选择，控制器可以选择电脑。
在本实施例中，安装平台可以为移动平台，移动平台则为船体或者浮动平台等，其高于海面的距离约为6~15米；避免了GNSS浮标等设备需要船载施放的问题，设备不必入水即可获取高精度绝对海面高程；同时也避免了因海浪、海流等因素造成的传感器测量位置至海面垂直高度测量的不确定度的影响。
在本实施例中，将GNSS天线1和高度测量机构集成于一安装支架2上，该安装支架2可以安装于船体或者浮动平台等移动平台上，通过高度测量机构能够直接测得其安装平面到待测海面的垂直高度，并通过测量GNSS天线参考点101到高度测量机构的安装平面的垂直高度，就能够得到GNSS天线参考点101至待测海面的距离；无需人为布放，在进行卫星高度计定标的过程中，可以直接将船体布放在卫星星下点，其测量精度与GNSS浮标测量精度相当，且无需与水体接触，避免了在实验室中测定浮标上GNSS天线至海面的距离时所存在的偏差。
而且，安装支架2可以直接安装于船体上，在布放时，仅需船体在锚地或港口停留稳定时，将其牢牢固定在船体上，保证GNSS天线1上方遮挡最小化、雷达验潮仪3下方无遮挡，将控制系统布放在船基实验室即可，无须再人为将GNSS浮标、锚系GNSS浮标布放到海面上，提高安全性；而且，可以使用船基实验室的电源供电，避免了采用GNSS浮标进行测量时，需要将浮标的上盖打开才能对锂电池进行充电、操作繁琐的问题。
进一步地，GNSS天线1和高度测量机构通过安装支架2可以安装在较高位置（距离海面的高度一般在6m~15m），避免海面风浪对GNSS天线1数据质量的影响，不会导致数据失锁，数据连续性较好。
本实施例还提供一种绝对海面高程测量方法，采用上述的绝对海面高程测量系统，该系统需布放在船体或浮动平台上，保证GNSS天线1中心线垂直于海面，包括以下步骤：
步骤1：设计制作安装支架2，将GNSS天线1和雷达验潮仪3安装在安装支架2上，保证GNSS天线1相位中心与雷达验潮仪3测量中心位于同一垂线；其作用是为了保证二者同时进行测量，避免了因维度不一致造成的高度归算误差；且在现场安装时，保证水平安装台202水平，雷达验潮仪传感器302垂直于待测海面采集数据。
步骤2：将GNSS天线1与GNSS接收机相连接，设置GNSS接收机可以连接天宝RTX信号，并将GNSS接收机使用串口线连接到设计的数据集成模块，将雷达验潮仪3通过数据线连接到数据集成模块；两种仪器设备同时接收的数据放到同一数组中，其作用是保证GNSS数据与雷达验潮仪3数据时间的一致性。
步骤3：通过GNSS天线1测量其参考点的绝对高程值，通过高度测量机构测量其安装平面到待测海面的垂直高度，通过直尺或者卷尺等测量GNSS天线1的参考点到高度测量机构的安装平面的垂直高度；数据集成模块连接到电脑，可以实时接收GNSS天线1相位中心或参考点位置处的高程，以及雷达验潮仪3测量的其安装平面至海面的垂直距离。
步骤4：使用相应的软件接收数据，可以获取绝对海面高程。
在本实施例中，绝对海面高程测量公式如下：
Hin-situ = HGNSS–href–hTG
其中，Hin-situ为绝对海面高程，HGNSS为GNSS天线参考点101的绝对高程值，href为GNSS天线参考点101至雷达验潮仪3安装平面的垂直距离，hTG为雷达验潮仪3安装平面至海面的垂直高度值。
本实施例还提供一种卫星高度计定标系统，包括卫星高度计以及上述的绝对海面高程测量系统。
实施例二
本实施例是在实施例一的基础上进行的改进，其改进之处在于：本实施例中安装平台为堤坝，安装支架2可以安装于堤坝或者堤坝上的护栏上，以解决GNSS浮标在码头区域对验潮仪进行绝对基准测量时，无法布放在距离验潮仪较近位置的问题（原因：码头附近的验潮仪一般安装在堤坝或自建验潮井，使用GNSS浮标进行绝对基准测量时，需要将浮标布放在较远的海域，以防止堤坝等对GNSS信号产生遮挡）；本实施例中将绝对海面高程测量系统安装在距离验潮仪较近的堤坝或栏杆上距离海面较高的区域，GNSS天线1与验潮仪位置基本一致，避免了因距离造成的海洋环境差异和大地水准面偏差，有效的提高验潮仪绝对高程基准测量的精度。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明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)

1.一种绝对海面高程测量系统，其特征在于：包括安装支架、GNSS天线和高度测量机构，所述GNSS天线和所述高度测量机构均安装于所述安装支架上；所述安装支架用于安装于安装平台上，所述安装平台为移动平台或堤坝；安装完成后，所述高度测量机构的中心线与待测海面垂直，所述高度测量机构用于测量其安装平面与所述待测海面之间的垂直高度；所述GNSS天线位于所述高度测量机构的上方，且所述高度测量机构的测量中心与所述GNSS天线的参考点中心位于同一垂线上，所述垂线与所述待测海面垂直；所述安装支架包括竖直支架，所述竖直支架上垂直安装有水平安装台，所述高度测量机构安装于所述水平安装台的下表面上，所述GNSS天线安装于所述水平安装台的上表面上；所述水平安装台上还设置有测量孔，所述测量孔与所述水平安装台的上表面垂直，并贯穿所述水平安装台，所述测量孔用于供长度测量装置穿过，以测量所述GNSS天线的参考点到高度测量机构的安装平面的垂直高度；
所述绝对海面高程测量系统还包括控制系统，所述控制系统包括数据集成模块和控制器，所述数据集成模块还与所述控制器连接；所述GNSS天线连接有GNSS接收机，所述GNSS接收机以及所述高度测量机构均与所述数据集成模块连接。
2.根据权利要求1所述的绝对海面高程测量系统，其特征在于：所述高度测量机构为验潮仪。
3.根据权利要求2所述的绝对海面高程测量系统，其特征在于：所述验潮仪为雷达验潮仪，所述雷达验潮仪包括雷达验潮仪传感器和主壳体，所述雷达验潮仪传感器安装于所述主壳体内，所述主壳体的顶部与所述安装支架连接，所述主壳体的底部设置有开口，所述雷达验潮仪传感器的底部与所述开口平齐；其中，所述高度测量机构的测量中心为所述雷达验潮仪传感器的测量中心。
4.根据权利要求3所述的绝对海面高程测量系统，其特征在于：所述主壳体的顶部通过法兰与所述安装支架连接。
5.一种绝对海面高程测量方法，其特征在于：采用如权利要求1-4任意一项所述的绝对海面高程测量系统，包括以下步骤：
通过所述GNSS天线测量其参考点的绝对高程值，通过所述高度测量机构测量其安装平面到待测海面的垂直高度，测量所述GNSS天线的参考点到所述高度测量机构的安装平面的垂直高度；计算所述待测海面的绝对海面高程。
6.一种卫星高度计定标系统，其特征在于：包括卫星高度计以及如权利要求1-4任意一项所述的绝对海面高程测量系统。
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