CN116697982A - 绝对海面高程测量浮标及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及绝对海面高程测量浮标及测量方法，包括太阳能电池板、设备舱和至少三个浮体，浮体通过连接杆与设备舱相连，所述设备舱的顶部设置有GNSS天线和通信天线，设备舱内部设置有电源、GNSS接收机、通信模块、处理单元和太阳能控制器，设备舱的外壁设置有高度检测机构，所述浮体包括圆柱形的浮筒和设置在浮筒底部的半球形浮球，所述太阳能电池板水平设置在浮筒的顶面；所述浮体的外径小于被测海面海浪的1/4波长。本发明能够实时测量GNSS天线到待测海面高度，降低设备舱的重心，减小设备舱的倾斜角度，提高浮标的随波性，从而保证测量的准确性。
Description
技术领域
本发明属于绝对海面高程测量技术领域，尤其是一种绝对海面高程测量浮标及测量方法。
背景技术
绝对海面高程测量浮标主要是利用GNSS卫星信号测量绝对海面高程，其原理是通过浮标搭载的GNSS天线接收卫星信号，通过GNSS接收机对接收的信号进行解算获得坐标及高程信息。将得到的高程信息和GNSS天线到水面的距离相减，得到待测海面绝对高程。公式如下：hSea＝hGNSS-hBuoy,上述公式中，hGNSS代表浮标GNSS天线到标准海平面高程，hBuoy表示浮标GNSS天线到待测海面高度，hSea表示待测海面到标准海平面的绝对高程。从式中可以看出hSea的精确度取决于hGNSS和hBuoy，hGNSS取决于GNSS接收机解算结果，一般很难提高。hBuoy需在实验室事先测量，在实际应用时用试验室的测量值代替实际值进行计算。但是由于多种因素影响，实际值与实验室的测量值存在较大误差。翟万林等在《绝对海面高程测量系统、测量方法及卫星高度计定标系统》(中国专利，申请号CN202211036434)中提到：1、浮标的部分浮体和仪器舱浸没在水中，实验室水体的温度、盐度等参数与待测的海水参数差异较大，需进行补偿。2、实验室进行测量时，无海浪、海流等因素的影响，而在实际应用时必须考虑系留、海浪、海流等因素的影响。因此，绝对海面高程测量浮标的测量精确度主要取决于GNSS天线到海面的距离。由于浮标吃水在海中受到风、浪、流及待测海域与实验室水体之间存在差异等因素影响，GNSS天线到海面的实际距离与实验室测量值存在一定误差。若可以实时测量GNSS天线到海面的距离将会大大提高绝对海面高程测量浮标的测量精确度和测量便利性。
另外，传统的传统浮标为了保证恶劣海况下不倾覆往往设计成球状，且重心靠近底部，传统浮标的不倒翁设计虽然具有很好的抗倾覆性能但是随波性较差，即海面出现波浪后，浮标容易倾斜，不能随着波浪竖直升降。CN111409774A公开了一种用于测量海面高的GNSS浮标，通过设置多个超声波液位计，可以修正测量结果，提高测量的准确性，但这种浮标也存在随波行较差的问题，如果能够尽量减小设备仓舱的倾斜角度，测量结果势必更加精确。CN205098417U公开了一种GNSS海面大地高测量浮标，包括三角支架、浮球、GNSS天线和仪器舱。仪器舱位于三角支架中央，三角支架连接浮球，GNSS天线固定在仪器舱上部的密封舱盖上，GNSS天线上安装天线罩，这种浮标具有较高的随波性，但由于电气设备运行必须要持续供电，这种浮标只通过蓄电池供电，续航能力较差。为了提高浮标的续航能力，经常在浮标上设置太阳能电池板，利用太阳能电池板产生的电能对蓄电池进行充电，如CN114872833A-一种北斗定位测波浮标等，但目前几乎所有的浮标都是将太阳能电池板设置在设备舱的顶部，且需要设置支架来安装太阳能电池板，增加了设备舱的结构复杂性，太阳能电池板和支架的重量使得设备舱的重心较高，不利于保持稳定，容易在波浪的影响下而倾斜，且浮标布放与回收时，支架容易与绳索发生缠绕，影响布放与回收的便利性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种绝对海面高程测量浮标及测量方法，能够实时测量GNSS天线到待测海面高度，降低设备舱的重心，减小设备舱的倾斜角度，提高浮标的随波性，从而保证测量的准确性。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：绝对海面高程测量浮标，包括太阳能电池板、设备舱和至少三个浮体，所述浮体围绕设备舱均匀分布，且所述浮体通过连接杆与设备舱相连，
所述设备舱的顶部设置有GNSS天线和通信天线，设备舱内部设置有电源、GNSS接收机、通信模块、处理单元和太阳能控制器，设备舱的外壁设置有高度检测机构，所述高度检测机构、GNSS接收机、通信模块均与处理单元相连，所述GNSS天线与GNSS接收机相连，所述通信天线与通信模块相连，所述太阳能电池板、太阳能控制器和电源依次连接；
所述浮体包括圆柱形的浮筒和设置在浮筒底部的半球形浮球，所述太阳能电池板水平设置在浮筒的顶面；
所述浮体的外径小于被测海面海浪的1/4波长。
进一步地，所述设备舱的顶部设置有可拆卸的舱盖，所述GNSS天线和通信天线设置在舱盖的上表面，所述设备支架与舱盖固定连接。
进一步地，所述电源设置在设备舱的底部，所述电源的上方设置有设备支架，所述太阳能控制器设置在设备支架的底部，所述GNSS接收机、通信模块均与处理单元设置在太阳能控制器上方的设备支架内。
进一步地，所述设备舱的顶部边缘设置有法兰盘所述舱盖通过螺栓与法兰盘相连，且舱盖与法兰盘之间设置有密封圈。
进一步地，所述舱盖上设置有多个水密接插件。
进一步地，所述高度检测机构为超声波液位计。
进一步地，所述浮体包括由内之外依次设置的泡沫体和聚脲加强层。
进一步地，所述浮体为三个，三个浮体位于等边三角形的三个顶点。
进一步地，每个浮体内预埋有不锈钢管，所述不锈钢管沿径向贯穿浮体，所述设备舱顶部的外壁设置有3个连接耳，所述连接杆为三根，每根连接杆的中部贯穿连接耳，且连接杆的一端与不锈钢管相连，另一端与相邻的连接杆相连。
进一步地，所述浮体的外径为1至2m。
绝对海面高程测量方法，采用上述绝对海面高程测量浮标，高度检测机构实时监测高度检测机构自身与被测海面的距离，计算GNSS天线到被测天线的距离；GNSS接收机通过GNSS天线实时接收GNSS卫星信号并计算GNSS天线到标准海面的距离，最后计算被测海面的绝对海面高程。
本发明的有益效果是：1、本发明利用GNSS天线接收GNSS卫星信号并将GNSS卫星信号传输至GNSS接收机，GNSS接收机即可计算出GNSS天线到标准海面的距离，然后再利用高度检测机构检测高度检测机构自身到被测海面的距离，即可计算出GNSS天线到被测海面的距离，进而计算出被测海面的绝对海面高程。本发明通过在被测海面进行实时测量，通过实时测量浮标吃水深度来实时修正结果，减少由于风、浪、流和温盐等水体差异引起的浮标吃水不同造成的误差。还省却了实验预先测量的步骤，也无需对实验室水体和待测海域水体的差异做预估，从而大大降低了工作量并减小了误差。此外由于可以利用仪器进行实时测量，不再需要人为对风浪流等因素进行估算，从而进一步减小了测量误差。
2、整个浮标呈扁平状，具有更好的随波性。此外，浮体的外径小于被测海面海浪的1/4波长，体积较小，使得浮体能够随着波浪起伏，进一步提高了浮标的随波性，减小设备舱的倾斜角度，进而提高了测量的准确性。
3、通过设置太阳能电池板，提高了浮标的续航能力，此外，通过将太阳能电池板与浮体设置为一体，替代将太阳能电池板设置在设备舱的方案，减小了设备舱的重量，有利于降低设备舱的重心，同时无需设置支架，简化了设备舱的结构，方便浮标的布放与回收。
附图说明
图1是本发明的立体图；
图2是设备舱的示意图；
图3是设备舱的放大示意图；
图4是浮体的示意图；
附图标记：1—设备舱；101—法兰盘；102—连接耳；103—舱盖；104—水密接插件；2—GNSS天线；3—通信天线；4—连接杆；5—浮体；501—不锈钢管；502—太阳能电池板；6—高度检测机构；7—GNSS接收机；8—通信模块；9—处理单元；10—电源；11—太阳能控制器；12—设备支架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的绝对海面高程测量浮标，如图1至图4所示，包括太阳能电池板502、设备舱1和至少三个浮体5，浮体5围绕设备舱1均匀分布，且浮体5通过连接杆4与设备舱1相连。
浮体5用于为整个浮标提供浮力，采用低密度的轻质材料制成，如泡沫等，由于海水具有较强的腐蚀性，因此可以在浮体5外壁涂刷一层聚脲材料，起到防腐的作用。因此，本发明的浮体5包括由内之外依次设置的泡沫体和聚脲加强层。
设备舱1作为主要的测量部件，其顶部设置有GNSS天线2和通信天线3，设备舱1内部设置有电源10、GNSS接收机7、通信模块8、处理单元9和太阳能控制器11，设备舱1的外壁设置有高度检测机构6，高度检测机构6、GNSS接收机7、通信模块8均与处理单元9相连，GNSS天线2与GNSS接收机7相连，通信天线3与通信模块8相连，太阳能电池板502、太阳能控制器11和电源10依次连接。
GNSS天线2用于接收GNSS卫星信号，通信天线3用于收发通信信号。电源10采用常见的蓄电池，用于向各个用电元件供电。GNSS接收机7用于解算GNSS卫星信号，得出GNSS天线2到标准海面的距离，并将解算结构传输至处理单元9。通信模块8用于通信，具体可采用RS485通信，可将测量数据等远程传输至地面站。高度检测机构6用于检测高度检测机构6自身到被测海面的距离，本发明中，设备舱1的下部位于水面以下，上部位于水面以上，因此，可以将高度检测机构6设置在设备舱1的上部，使得高度检测机构6高于海面，检测高度检测机构6到海面的距离；也可以将高度检测机构6设置在设备舱1的下部，使得高度检测机构6低于海面，此时可采用超声波液位计，超声波液位计的探头向上朝向水面，精确度1mm，检测高度检测机构6所处位置的液位。处理单元9用于计算绝对海面高程，并且控制信号的收发，处理单元9内置计算程序，根据高度检测机构6到被测海面的距离以及高度检测机构6与GNSS天线2的高度差，可以计算出GNSS天线2到被测海面的距离，再根据GNSS接收机7解算得到的GNSS天线2到标准海面的距离，即可计算出绝对海面高程，计算过程简单，常规的处理芯片就能够完成计算任务。太阳能控制器11用于控制太阳能充放电，采用常规的太阳能充放电控制器即可。
浮体5具体包括圆柱形的浮筒和设置在浮筒底部的半球形浮球，太阳能电池板502水平设置在浮筒的顶面。太阳能电池板502可通过聚脲固定在浮体5上表面。由于太阳能电池板502重量比较大，将太阳能电池板502设置在浮体5上后，无需在设备舱1上设置太阳能电池板502，因此可降低设备舱1的重心，提高设备舱1的稳定性，当被测海面出现波浪时，设备舱1的倾斜角度小，对检测准确性的影响更小。此外，无需在设备舱1上设置支架，简化了设备舱1的结构，减少外露部件，浮标在布放与回收时，不容易出现绳索缠绕的现象。另外，由于浮体5至少为三个，数量较多，在每个浮体5的上表面设置均设置太阳能电池板502，太阳能电池板502总的面积更大，发电功率更高，有利于提高续航。
浮体5的外径小于被测海面海浪的1/4波长，具体地，浮体5的外径为1至2m，当浮体5的外径小于海浪的1/4波长时，浮体5占地面积较小，整体能够随着海浪起伏，从而具有更好的随波性。
电源10、GNSS接收机7、通信模块8、处理单元9和太阳能控制器11等元件设置在设备舱1内部，避免海水对其造成腐蚀或损坏，为了便于对设备舱1内的元件进行检修，设备舱1的顶部设置有可拆卸的舱盖103，具体地，设备舱1的主体为底部封口的不锈钢或钛合金圆桶，设备舱1的顶部边缘设置有法兰盘101舱盖103通过螺栓与法兰盘101相连，且舱盖103与法兰盘101之间设置有密封圈，密封圈可提高密封性，防止海水从舱盖103与法兰盘101之间的间隙进入设备舱1。GNSS天线2和通信天线3设置在舱盖103的上表面。舱盖103上设置有多个水密接插件104，GNSS天线2、通信天线3和高度检测机构6分别通过水密接插件104与内部的GNSS接收机7、通信模块8和处理单元9相连，避免海水进入设备舱1内。
电源10设置在设备舱1的底部，电源10的上方设置有设备支架12，设备支架12与舱盖103固定连接，太阳能控制器11设置在设备支架12的底部，GNSS接收机7、通信模块8均与处理单元9设置在太阳能控制器11上方的设备支架12内。由于蓄电池的重量一般比较大，因此将电源10设置在设备舱1的最下方，其他比较轻的部件设置在上部，可以进一步地降低设备舱1的重心。设备支架12固定在舱盖103上，GNSS接收机7、通信模块8、处理单元9和太阳能控制器11等元件设置在设备支架12上，检修时，拆下舱盖103，即可将设备支架12、GNSS接收机7、通信模块8、处理单元9和太阳能控制器11等整体取出，以便于对各个元件进行检修。
浮体5可以是四个、五个等，位于正多边形的顶点上，围绕设备舱1均匀分布，保证整个浮标的稳定性。作为优选的实施方式，浮体5为三个，三个浮体5位于等边三角形的三个顶点。
为了实现浮体5与设备舱1的稳定连接，每个浮体5内预埋有不锈钢管501，不锈钢管501沿径向贯穿浮体5，设备舱1顶部的外壁设置有3个连接耳102，连接耳102上设置有通孔，连接杆4为三根，每根连接杆4的中部贯穿连接耳102，且连接杆4的一端与不锈钢管501相连，另一端与相邻的连接杆4相连。具体地，可以在连接杆4的一端设置连接套，连接套与连接杆4之间的角度为60度，连接套的一端伸入不锈钢管501并通过螺钉与不锈钢管501相连，连接套的另一端套接在相邻的连接杆4端部外并与通过螺钉与连接杆4相连。三根连接杆4组成三角形的支架，稳定性强。连接耳102可以焊接在设备舱1外壁，也可以通过万向连接球与设备舱1外壁铰接，使得连接耳102能够朝着任意一个方向转动。海面出现海浪时，海浪一般会先到达一个浮体5，该浮体5随着海浪起伏，由于连接耳102可以转动，浮体5的起伏带动与该浮体5相连的连接杆4转动，连接杆4转动至倾斜状态，而设备舱1则不会受到浮体5起伏的影响，可以保持竖直状态，不会倾斜，即浮体5起伏时产生的作用力通过连接杆4传递至其他的浮体5，对设备舱1的影响较小，不会导致设备舱1倾斜，从而可以保证检测的准确性。
本发明的绝对海面高程测量方法，采用上述绝对海面高程测量浮标，高度检测机构6实时监测高度检测机构6自身与被测海面的距离，计算GNSS天线2到被测天线的距离；GNSS接收机7通过GNSS天线2实时接收GNSS卫星信号并计算GNSS天线2到标准海面的距离，最后计算被测海面的绝对海面高程。
本发明通过在被测海面进行实时测量，通过实时测量浮标吃水深度来实时修正结果，减少由于风、浪、流和温盐等水体差异引起的浮标吃水不同造成的误差。还省却了实验预先测量的步骤，也无需对实验室水体和待测海域水体的差异做预估，从而大大降低了工作量并减小了误差。此外由于可以利用仪器进行实时测量，不再需要人为对风浪流等因素进行估算，从而进一步减小了测量误差。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)
1.绝对海面高程测量浮标，包括太阳能电池板(502)、设备舱(1)和至少三个浮体(5)，所述浮体(5)围绕设备舱(1)均匀分布，且所述浮体(5)通过连接杆(4)与设备舱(1)相连，其特征在于：
所述设备舱(1)的顶部设置有GNSS天线(2)和通信天线(3)，设备舱(1)内部设置有电源(10)、GNSS接收机(7)、通信模块(8)、处理单元(9)和太阳能控制器(11)，设备舱(1)的外壁设置有高度检测机构(6)，所述高度检测机构(6)、GNSS接收机(7)、通信模块(8)均与处理单元(9)相连，所述GNSS天线(2)与GNSS接收机(7)相连，所述通信天线(3)与通信模块(8)相连，所述太阳能电池板(502)、太阳能控制器(11)和电源(10)依次连接；
所述浮体(5)包括圆柱形的浮筒和设置在浮筒底部的半球形浮球，所述太阳能电池板(502)水平设置在浮筒的顶面；
所述浮体(5)的外径小于被测海面海浪的1/4波长。
2.如权利要求1所述的绝对海面高程测量浮标，其特征在于：所述设备舱(1)的顶部设置有可拆卸的舱盖(103)，所述GNSS天线(2)和通信天线(3)设置在舱盖(103)的上表面。
3.如权利要求2所述的绝对海面高程测量浮标，其特征在于：所述电源(10)设置在设备舱(1)的底部，所述电源(10)的上方设置有设备支架(12)，所述设备支架(12)与舱盖(103)固定连接，所述太阳能控制器(11)设置在设备支架(12)的底部，所述GNSS接收机(7)、通信模块(8)均与处理单元(9)设置在太阳能控制器(11)上方的设备支架(12)内。
4.如权利要求2所述的绝对海面高程测量浮标，其特征在于：所述设备舱(1)的顶部边缘设置有法兰盘(101)所述舱盖(103)通过螺栓与法兰盘(101)相连，且舱盖(103)与法兰盘(101)之间设置有密封圈。
5.如权利要求2所述的绝对海面高程测量浮标，其特征在于：所述舱盖(103)上设置有多个水密接插件(104)。
6.如权利要求1所述的绝对海面高程测量浮标，其特征在于：所述高度检测机构(6)为超声波液位计。
7.如权利要求1所述的绝对海面高程测量浮标，其特征在于：所述浮体(5)包括由内之外依次设置的泡沫体和聚脲加强层。
8.如权利要求1所述的绝对海面高程测量浮标，其特征在于：所述浮体(5)为三个，三个浮体(5)位于等边三角形的三个顶点。
9.如权利要求8所述的绝对海面高程测量浮标，其特征在于：每个浮体(5)内预埋有不锈钢管(501)，所述不锈钢管(501)沿径向贯穿浮体(5)，所述设备舱(1)顶部的外壁设置有3个连接耳(102)，所述连接杆(4)为三根，每根连接杆(4)的中部贯穿连接耳(102)，且连接杆(4)的一端与不锈钢管(501)相连，另一端与相邻的连接杆(4)相连。
10.绝对海面高程测量方法，其特征在于：采用权利要求1至9任意一项权利要求所述的绝对海面高程测量浮标，高度检测机构(6)实时监测高度检测机构(6)自身与被测海面的距离，计算GNSS天线(2)到被测天线的距离；GNSS接收机(7)通过GNSS天线(2)实时接收GNSS卫星信号并计算GNSS天线(2)到标准海面的距离，最后计算被测海面的绝对海面高程。
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Cited By (1)
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2023
- 2023-06-09 CN CN202310679686.0A patent/CN116697982A/zh active Pending
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| CN117607908A (zh) * | 2024-01-23 | 2024-02-27 | 山东大学 | 无人机载平台的gnss-r码相位海面测高方法及装置 |
| CN117607908B (zh) * | 2024-01-23 | 2024-04-05 | 山东大学 | 无人机载平台的gnss-r码相位海面测高方法及装置 |
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