CN116413757B - 一种基于时间差分载波相位技术的舰船升沉测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于时间差分载波相位技术的GNSS高精度舰船升沉测量方法，首先获取实时定位数据，基于接收机在相邻历元接收到的载波相位观测量，构建接收机在当前历元的时间差分载波相位观测方程，根据当前历元载波相位时间差分观测方程，采用TD算子和最小二乘法获取接收机高精度位置增量，得到当前历元接收机垂向位置，将当前历元接收机垂向位置作为参考信号，然后通过一阶高通滤波器得到实时精确的舰船垂向位置。本发明消除了时间差分载波相位测量技术产生的长周期漂移误差,实现了升沉测量过程中实时性和准确性的要求。

Description

一种基于时间差分载波相位技术的舰船升沉测量方法

技术领域

本发明属于舰船监测数据技术领域，尤其是涉及一种基于时间差分载波相位技术的舰船升沉测量方法。

背景技术

在海上航行领域中，船舶升沉运动测量具有重要的工程价值。由于由海浪、海风和洋流等复杂海洋环境因素引起造成的舰船升沉运动测量难以找到一个固定的参考点，无法确定其位移。由于时间差分载波相位测量技术未完全消除的测量误差而产生的长周期漂移误差，造成结果存在误差，故需要对垂向位置信息进行处理来获得准确实时的升沉运动信息。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于时间差分载波相位技术的舰船升沉测量方法，能够基于时间差分载波相位技术采用单接收机进行动态定位，并通过一阶高通滤波器消除的测量误差而产生的长周期漂移误差，实现对升沉信息的实时精确测量。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于时间差分载波相位技术的舰船升沉测量方法，包括如下步骤：

步骤1：接收机天线实时获取可见卫星的载波相位观测值及导航信息；

步骤2：根据步骤1获取卫星的载波相位观测值，通过卫星接收机接收的相邻历元的载波相位观测值，构建接收机在当前历元的载波相位时间差分观测方程；

步骤3：根据当前历元载波相位时间差分观测方程，采用TD算子和最小二乘法获取接收机高精度位置增量，得到当前历元接收机垂向位置；

步骤4：将当前历元接收机垂向位置作为参考信号，然后通过一阶IIR高通滤波器得到舰船垂向位置。

进一步的，所述步骤1具体包括：接收机天线实时获取可见卫星的原始伪距测量消息、原始卫星星历表消息，并得到相邻历元载波相位观测值和导航电文信息。

进一步的，所述步骤2具体包括：

步骤2.1：根据步骤1中相邻历元下接收机获取到的可见卫星的载波相位测量值以及当前舰船的初始位置为参考值，构建接收机在相邻历元的载波相位时间差分观测方程，其方程为：

Φⁿ(t_u)＝Φⁿ(t_k)-Φⁿ(t_k-1)≈Δrⁿ(t_u)+c·Δδt_u+w(t_u) (1)

其中，上标是卫星数,Δ表示历元间差分算子，Φⁿ(t_k)是第n颗可见卫星历元k的载波相位测量值，Φⁿ(t_k-1)是第n颗可见卫星历元k-1的载波相位测量值，c是光速，Δδt_u是时间[t_k,t_k-1]内接收机钟差之差，w(t_u)是时间[t_k,t_k-1]内的加性高斯白噪声，这里其均值为0，方差为Δrⁿ(t_u)是时间[t_k,t_k-1]内接收机天线相位中心至第n颗卫星的距离变化量，其方程为：

Δrⁿ(t_u)＝||S(t_k)-u(t_k-1)||-||S(t_k-1)-u(t_k-1)||+g(t_k)·δu(t_k) (2)

其中，||·||是欧几里和范数，S(t_k)是历元k卫星坐标位置矢量，这里S(t_k)＝[X(t_k),Y(t_k),Z(t_k)]，S(t_k-1)是历元k-1卫星坐标位置矢量，这里S(t_k-1)＝[X(t_k-1),Y(t_k-1),Z(t_k-1)]，u(t_k-1)是历元k-1接收机位置矢量，这里u(t_k-1)＝[x(t_k-1),y(t_k-1),z(t_k-1)]，δu(t_k)是历元k接收机位置增量，这里δu(t_k)＝[δx(t_k),δy(t_k),δz(t_k)],g(t_k)是历元k接收机到卫星方向的单位向量，这里r(t_k-1)是历元k-1卫星到接收机距离；

步骤2.2：将式(2)代入式(1),并将已知的常数项移到方程左边，其方程为：

其中，上标是卫星数,ΔS(t_k)＝||S(t_k)-u(t_k-1)||-||S(t_k-1)-u(t_k-1)||，cB(t_u)是时间[t_k,t_k-1]接收机时钟误差。

进一步的，所述步骤3具体包括：

步骤3.1:式(3)改写为向量矩阵方程，其方程为：

Φ_TD＝Gδx_TD+w_TD (4)

其中，

步骤3.2:引入向量TD算子，其方程为：

步骤3.3、基于历元k载波相位时间差分观测方程，采用TD算子与最小二乘法得到接收机垂向位置和时钟误差向量增量：

其中，Φ_TD为引入TD算子的载波相位时间差分观测向量，Q_TD为载波相位时间差分的协方差，

步骤3.4、基于历元k接收机垂向位置变化δu(t_k)与历元k-1的接收机位置参考点u(t_k-1)相加，计算出当前历元接收机垂向位置u(t_k)：

u(t_k)＝u(t_k-1)+δu(t_k) (7)。

进一步的，所述步骤4具体包括：将当前历元接收机垂向位置作为参考信号，然后通过一阶IIR高通滤波器得到舰船垂向位置，一阶IIR高通滤波器其方程为：

其中，v(t_k)为历元k系统内部状态变量，v(t_k-1)为历元k-1系统内部状态变量，h(t_k-1)为历元k-1舰船垂向位置，a为权重因子，这里a＝0.95，u(t_k)为历元k接收机垂向位置，h(t_k)为历元k高通滤波器输出的精确舰船垂向位置，且零点位于1，截止频率为0.008Hz。

相对于现有技术，本发明所述的一种基于时间差分载波相位技术的舰船升沉测量方法具有以下优势：

本发明采用单接收机进行动态定位，处理方法简单，测量精度高且不需要复杂通信设备，并通过一阶高通滤波器消除因测量误差而产生的长周期漂移误差，实现了舰船升沉测量的实时性与准确性。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的一种基于时间差分载波相位技术的舰船升沉测量方法流程图示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所述，本发明提供了一种基于时间差分载波相位技术的舰船升沉测量方法，包括如下步骤：

步骤1、接收机实时获取定位数据，具体包括接收机天线实时获取可见卫星的载波相位观测值及导航消息的必要信息，其实现过程如下：

接收机天线实时获取对可见卫星的原始伪距测量消息、原始卫星星历表消息，得到相邻历元载波相位观测值和导航电文的必要信息。

步骤2、基于接收机在相邻历元接收到的载波相位观测值，构建接收机在当前历元的载波相位时间差分观测方程，其实现过程如下：

步骤2.1、根据步骤1中相邻历元下接收机获取到的可见卫星载波相位测量值以及当前舰船的初始位置为参考值，构建接收机在相邻历元的载波相位时间差分观测方程，其方程为：

Φⁿ(t_u)＝Φⁿ(t_k)-Φⁿ(t_k-1)≈Δrⁿ(t_u)+c·Δδt_u+w(t_u) (1)

其中，上标是卫星数,Δ表示历元间差分算子，Φⁿ(t_k)是第n颗可见卫星历元k的载波相位测量值，Φⁿ(t_k-1)是第n颗可见卫星历元k-1的载波相位测量值，c是光速，Δδt_u是时间[t_k,t_k-1]内接收机钟差之差，w(t_u)是时间[t_k,t_k-1]内的加性高斯白噪声，这里其均值为0，方差为Δrⁿ(t_u)是时间[t_k,t_k-1]内接收机天线相位中心至第n颗卫星的距离变化量，其方程为：

Δrⁿ(t_u)＝||S(t_k)-u(t_k-1)||-||S(t_k-1)-u(t_k-1)||+g(t_k)·δu(t_k) (2)

其中，||·||是欧几里和范数，S(t_k)是历元k卫星坐标位置矢量，这里S(t_k)＝[X(t_k),Y(t_k),Z(t_k)]，S(t_k-1)是历元k-1卫星坐标位置矢量，这里S(t_k-1)＝[X(t_k-1),Y(t_k-1),Z(t_k-1)]，u(t_k-1)是历元k-1接收机位置矢量，这里u(t_k-1)＝[x(t_k-1),y(t_k-1),z(t_k-1)]，δu(t_k)是历元k接收机位置增量，这里δu(t_k)＝[δx(t_k),δy(t_k),δz(t_k)],g(t_k)是历元k接收机到卫星方向的单位向量，这里r(t_k-1)是历元k-1卫星到接收机距离。

步骤2.2、将式(2)代入式(1),并将已知的常数项移到方程左边，其方程为：

其中，上标是卫星数,ΔS(t_k)＝||S(t_k)-u(t_k-1)||-||S(t_k-1)-u(t_k-1)||，cB(t_u)是时间[t_k,t_k-1]接收机时钟误差。

步骤3、根据当前历元载波相位时间差分观测方程，采用TD算子和最小二乘法获取接收机高精度位置增量，得到当前历元接收机垂向位置，其实现过程如下：

步骤3.1、式(3)改写为向量矩阵方程，其方程为：

Φ_TD＝Gδx_TD+w_TD (4)

其中，

步骤3.2、引入向量TD算子，其方程为：

步骤3.3、根据历元k载波相位时间差分观测方程，采用TD算子与最小二乘法得到接收机垂向位置变化：

其中，Φ_TD为引入TD算子的载波相位时间差分观测向量，Q_TD为载波相位时间差分的协方差，

步骤3.4、基于历元k接收机垂向位置变化δu(t_k)与历元k-1的接收机位置参考点u(t_k-1)相加，计算出当前历元接收机垂向位置u(t_k)：

u(t_k)＝u(t_k-1)+δu(t_k) (7)。

步骤4、将当前历元接收机垂向位置作为参考信号，然后通过一阶IIR高通滤波器得到精确的舰船垂向位置，其实现过程如下：

将接收机位置作为参考信号，然后通过一阶IIR高通滤波器得到精确的舰船垂向位置，一阶IIR高通滤波器其方程为：

v(t_k)＝av(t_k-1)+(1-a)h(t_k-1)

h(t_k)＝u(t_k)-v(t_k) (8)

其中，v(t_k)为历元k系统内部状态变量，v(t_k-1)为历元k-1系统内部状态变量，h(t_k-1)为历元k-1舰船垂向位置，a为权重因子，这里a＝0.95，u(t_k)为历元k接收机垂向位置，h(t_k)为历元k高通滤波器输出的精确舰船垂向位置，且零点位于1，截止频率为0.008Hz。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于时间差分载波相位技术的舰船升沉测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：接收机天线实时获取可见卫星的载波相位观测值及导航信息；

步骤2：根据步骤1获取卫星的载波相位观测值，通过卫星接收机接收的相邻历元的载波相位观测值，构建接收机在当前历元的载波相位时间差分观测方程；

步骤3：根据当前历元载波相位时间差分观测方程，采用时间差分算子和最小二乘法获取接收机高精度位置增量，得到当前历元接收机垂向位置；

步骤4：将当前历元接收机垂向位置作为参考信号，然后通过一阶IIR高通滤波器得到舰船垂向位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于时间差分载波相位技术的舰船升沉测量方法，其特征在于：所述步骤1具体包括：接收机天线实时获取可见卫星的原始伪距测量消息、原始卫星星历表消息，并得到相邻历元载波相位观测值和导航电文信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于时间差分载波相位技术的舰船升沉测量方法，其特征在于：所述步骤2具体包括：

步骤2.1：根据步骤1中相邻历元下接收机获取到的可见卫星的载波相位测量值以及当前舰船的初始位置为参考值，构建接收机在相邻历元的载波相位时间差分观测方程，其方程为：

其中，上标是卫星数,Δ表示历元间差分算子，Φⁿ(t_k)是第n颗可见卫星历元k的载波相位测量值，Φⁿ(t_k-1)是第n颗可见卫星历元k-1的载波相位测量值，c是光速，Δδt_u是时间[t_k,t_k-1]内接收机钟差之差，w(tu)是时间[t_k,t_k-1]内的加性高斯白噪声，这里其均值为0，方差为Δrⁿ(tu)是时间[t_k,t_k-1]内接收机天线相位中心至第n颗卫星的距离变化量，其方程为：

Δrⁿ(t_u)＝||S(t_k)-u(t_k-1)||-||S(t_k-1)-u(t_k-1)||+g(t_k)·δu(t_k) (2)

其中，是欧几里和范数，S(t_k)是历元k卫星坐标位置矢量，这里S(t_k)＝[X(t_k),Y(t_k),Z(t_k)]，S(t_k-1)是历元k-1卫星坐标位置矢量，这里S(t_k-1)＝[X(t_k-1),Y(t_k-1),Z(t_k-1)]，u(t_k-1)是历元k-1接收机位置矢量，这里u(t_k-1)＝[x(t_k-1),y(t_k-1),z(t_k-1)]，δu(t_k)是历元k接收机位置增量，这里δu(t_k)＝[δx(t_k),δy(t_k),δz(t_k)],g(t_k)是历元k接收机到卫星方向的单位向量，这里

是历元k-1卫星到接收机距离；

步骤2.2：将式(2)代入式(1),并将已知的常数项移到方程左边，其方程为：

其中，上标是卫星数,ΔS(t_u)＝||S(t_k)-u(t_k-1)||-||S(t_k-1)-u(t_k-1)||，B(t_u)是时间[t_k,t_k-1]接收机时钟误差。

4.根据权利要求3所述的一种基于时间差分载波相位技术的舰船升沉测量方法，其特征在于：所述步骤3具体包括：

步骤3.1:式(3)改写为向量矩阵方程，其方程为：

Φ_TD＝Gδx_TD+w_TD (4)

其中，

步骤3.2:引入向量时间差分算子，其方程为：

步骤3.3:基于历元k载波相位时间差分观测方程，采用TD算子与最小二乘法得到接收机垂向位置和时钟误差向量增量：

其中，Φ_TD为引入时间差分算子的载波相位时间差分观测向量，Q_TD为载波相位时间差分的协方差，

步骤3.4:基于历元k接收机位置变化δu(t_k)与历元k-1的接收机位置参考点u(t_k-1)相加，计算出当前历元接收机垂向位置u(t_k)：

u(t_k)＝u(t_k-1)+δu(t_k) (7)。

5.根据权利要求1所述的一种基于时间差分载波相位技术的舰船升沉测量方法，其特征在于：所述步骤4具体包括：将当前历元接收机垂向位置作为参考信号，然后通过一阶IIR高通滤波器得到舰船垂向位置，一阶IIR高通滤波器其方程为：

其中，v(t_k)为历元k系统内部状态变量，v(t_k-1)为历元k-1系统内部状态变量，h(t_k-1)为历元k-1舰船垂向位置，a为权重因子，这里a＝0.95，u(t_k)为历元k接收机垂向位置，h(t_k)为历元k高通滤波器输出的精确舰船垂向位置，且零点位于1，截止频率为0.008Hz。