CN117420581A - 单频卫星浮标时间差分载波相位波浪参数反演方法及系统 - Google Patents
单频卫星浮标时间差分载波相位波浪参数反演方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种单频卫星浮标时间差分载波相位波浪参数反演方法及系统，属于海洋波浪参数提取技术领域；通过选用1Hz的采样率，本发明在确保波浪特性捕捉的精度的同时，显著减少了数据处理的时间和存储要求，大幅度提高了数据处理的效率。特别是在对大面积海域的长期监测中，这一优点能够有效降低数据采集和处理的成本。采用L1单频GNSS信号处理方法，相对于传统的LC双频组合，降低了设备和运营成本。同时，通过算法优化，确保了波浪参数测量的高精度，使得单频解算的波浪信息满足专业海洋物理研究的严格要求，为成本与精度之间找到了最佳平衡点。不需要依赖岸基基站，在全球任何海域都可以独立应用，能够实现快速的初始化和较低的延迟。
Description
技术领域
本发明涉及一种单频卫星浮标时间差分载波相位波浪参数反演方法及系统，属于海洋波浪参数提取技术领域。
背景技术
在现有的海洋波浪观测技术中，传统浮标和卫星遥感方法存在成本高、数据处理复杂、需定期校准和测量精度受限等问题。全球导航卫星系统（GNSS）浮标，特别是单频GNSS浮标，因其成本效益、设置简便和免校准的特点成为海浪监测的有力候选者。传统的GNSS浮标处理技术，如差分后处理方法（PPK）和精密单点定位（PPP），虽提供了相对位移的精确记录，但存在依赖地面站、数据处理资源需求大以及实时数据获取能力有限的局限。多普勒频移法虽能实时监测，但面临环境干扰和数据精度波动的挑战。
现有GNSS（全球卫星导航系统）浮标技术存在以下弊端：
精度问题: 现有GNSS浮标技术可能无法在单频GNSS系统上达到高精度的波浪周期和有效波高参数的测量。
数据处理效率: 现有GNSS浮标在数据处理上可能存在效率低下的问题。
成本效益: 多频GNSS系统设备成本较高，而单频GNSS设备相对便宜，但其数据质量和测量能力常受限于较低的信噪比和分辨率。
实时性: 现有技术在实时获取和处理波浪参数方面可能存在延迟。
例如，中国专利公开号CN114620186A，公开了一种小型化海洋测波浮标装置与测波及风要素反演方法，包括浮标体外壳、测量控制系统、通信传输系统、锚链和配重；测量控制系统包括电源模块、微控制器模块、数据存储模块和加速度传感器模块；电源模块用于为整个装置供电；数据存储模块用于存储所有数据；加速度传感器模块用于采集波浪特征信息；所述微控制器模块用于将加速度传感器模块采集的数据进行实时解算，并将所有数据一并存储于数据存储模块中或传输至上位机；通信传输系统包括数传电台和外置天线两部分，数传电台与微控制器模块相连。就存在上述的问题。
因此，需要研究一种单频卫星浮标时间差分载波相位波浪参数反演方法及系统，能够提高单频GNSS浮标在海波参数反演中的精确度；能够更快速地从原始GNSS数据中提取波浪参数；成本效益更高的解决方案，同时不牺牲测量结果的可靠性；能够实现更快的数据处理和近乎实时的波浪参数更新。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种单频卫星浮标时间差分载波相位波浪参数反演方法及系统，能够提高单频GNSS浮标在海波参数反演中的精确度；能够更快速地从原始GNSS数据中提取波浪参数；成本效益更高的解决方案，同时不牺牲测量结果的可靠性；能够实现更快的数据处理和近乎实时的波浪参数更新。
本发明所述的一种单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法，包括：
步骤S1、载波相位观测数据采集：采集GNSS单频接收机的载波相位观测数据；
步骤S2、载波相位测量模型构建及差分：通过载波相位测量模型构建几何距离、时钟误差、大气延迟和整周模糊度多个分量的组合，执行载波相位观测值的差分处理，得到接收机的位移信息；
步骤S3、最小二乘解算：基于差分的观测方程来求解接收机位置变化和时钟偏差变化，进而求解接收机的速度，通过对垂直方向的速度进行积分，获得海面高度数据；
步骤S4、海浪周期和有效波高参数计算：通过海面高度数据计算海浪周期和有效波高参数。
选择使用L1单频GNSS信号而非LC双频组合，在海洋波浪监测应用中，单频信号在数据处理的简便性和存储空间占用上具有明显优势。同时，通过对算法进行优化，L1单频信号的波浪参数反演精度能够满足甚至超越传统LC双频信号的性能，从而有效地降低了设备成本并提高了工作效率。
优选的，所述步骤S1中以1Hz采样率捕获相位变化信息。
1Hz的数据采样率在捕捉到波浪动态特性的同时，能够减少数据处理负担，并与真实的海洋波浪活动高度吻合。这一采样率的优化不仅提高了波浪参数反演的时效性，也确保了数据处理的实用性和经济性。
优选的，所述载波相位测量模型构建表达如下：
；
其中，是/>频率信号的波长；/>是接收机/>与卫星/>之间的/>频率的载波相位观测值；
是接收机与卫星之间的几何距离；/>是光速；/>和/>分别是接收机和卫星的时钟误差；/>是载波相位的整周模糊度；/>和/>分别是电离层和对流层的延迟误差；/>包括多路径和其他剩余误差的随机测量噪声。
优选的，所述步骤S2具体包括如下步骤：
步骤S201、载波相位测量模型构建：载波相位测量模型作为GNSS数据处理中用于估计接收机至卫星间距离的关键表达式，具体表达为：
；
其中，是/>频率信号的波长；/>是接收机/>与卫星/>之间的/>频率的载波相位观测值；
是接收机与卫星之间的几何距离；/>是光速；/>和/>分别是接收机和卫星的时钟误差；/>是载波相位的整周模糊度；/>和/>分别是电离层和对流层的延迟误差；/>包括多路径和其他剩余误差的随机测量噪声；
步骤S202、载波相位差分：从连续的载波相位观测值中提取速度信息，执行载波相位观测值的差分处理，具体表达为：
；
其中，Δ代表时间序列中两个连续观测值的差值；
步骤S203、差分卫星距离：通过差分两个连续历元的卫星和接收机之间的几何距离，可以得到接收机的位移信息；具体的计算步骤如下:
首先，计算两个连续历元的卫星到接收机的单位方向向量；然后，利用以下公式计算差分卫星距离/>:
；
其中，代表接收机在两个历元之间的位置变化，/>和/>分别表示第/>个历元的卫星和接收机的坐标向量。
优选的，所述步骤S3具体包括如下步骤：
步骤S301、误差方程：建立基于差分的观测方程来求解接收机位置变化和时钟偏差，具体步骤如下：
构建时间差分载波相位的误差方程：
；
其中，代表观测值与计算值之间的残差；/>是基于观测值构建的向量，包含差分的载波相位观测值和误差的差分值:
；
步骤S302、周跳探测与修复：在速度估计之前检测并修复的周跳；
步骤S303、最小二乘解算：使用超过四颗卫星的观测数据，通过最小二乘方法解算接收机的位置变化。
优选的，所述最小二乘解算，具体的计算步骤如下:
a.设计矩阵构建: 基于时间差分载波相位的误差方程，构建设计矩阵A；b.法方程建立: 使用设计矩阵和差分载波相位观测量，构建法方程），其中/>是权矩阵，表示各观测量的精度；/>是观测量向量，即差分观测值； d.残差计算与评估：计算残差来评估观测值与模型的拟合程度；e. 结果验证: 残差分析模型的不足或数据的问题，进行模型修正或数据清理；f. 接收机速度求解: 利用位置变化量/>和相应的时间间隔/>，求解接收机的速度/>，即/>。
优选的，所述步骤S4具体包括如下步骤：
步骤S401、垂直速度积分：通过对垂直方向的速度进行积分，获得海面高度；具体公式如下：
其中，是在时间/>的海面高度；/>是初始时间/>的海面高度；/>是在时间/>的垂直速度；/>是积分过程中的时间变量，表示从/>到/>的积分区间；
步骤S402、高通滤波处理：对得到的数据进行高通滤波处理获得经过高通滤波器处理后的信号/>；
步骤S403、计算有效波高：利用数据，通过计算波频域内的能量积分，得到有效波高；
步骤S404、计算平均波周期: 通过对海浪谱进行分析，计算能量加权平均波周期。
优选的，所述有效波高通过如下公式计算：
；
其中，为由/>计算的海浪谱域积分。
优选的，所述平均波周期使用零穿越方法和能量加权平均波频的公式确定：
；
其中，为由/>计算的海浪谱域积分。
本发明所述的一种用于实现上述的单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法的系统，包括：
载波相位观测数据采集模块：用于采集GNSS单频接收机的载波相位观测数据；
载波相位测量模型构建及差分模块：用于通过载波相位测量模型构建几何距离、时钟误差、大气延迟和整周模糊度多个分量的组合，执行载波相位观测值的差分处理，得到接收机的位移信息；
最小二乘解算模块：用于基于差分的观测方程来求解接收机位置变化和时钟偏差变化，进而求解接收机的速度，通过对垂直方向的速度进行积分，获得海面高度数据；
海浪周期和有效波高参数计算模块：用于通过海面高度数据计算海浪周期和有效波高参数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
降低成本和简化系统：采用单一模块进行波浪参数的实时测量，避免了昂贵的IMU系统，减少了系统复杂性。
免除频繁校准：TDCP（时间差分载波相位）方法不需要像传统IMU（惯性测量）设备那样频繁校准。
提高数据处理效率：TDCP方法无需依赖地面基站，减少了数据处理的复杂性，有利于实现快速和实时的波浪监测。
降低数据量：仅使用1Hz采样的L1 波段的GNSS信号，大大降低数据存储量，且精度有所提升。
实现更广范围的监测：TDCP方法的独立性允许在更广泛的海域进行波浪监测，无需担心地面站的限制。
提高测量精度：单频TDCP方法在测试中显示出比双频TDCP和多普勒速度测量方法更高的精度，从而提供更为准确的波浪动力学数据。
附图说明
图1是本发明所述一种NEU方向四种方法的测速精度对比；
图2为利用本技术发明通过GNSS测高浮标反演的有效波高和海洋站业务化波浪浮标结果的比较；
图3为利用本技术发明通过GNSS测高浮标反演的平均周期和海洋站业务化波浪浮标结果的比较；
图4为利用本发明技术从1Hz和5Hz数据中反演的有效波高对比；
图5为利用本发明技术从1Hz和5Hz数据中反演的平均周期对比。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或技术方案，下面将对实施例或技术方案描述作简单地介绍，显而易见地，下面描述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，还可以根据这些实施例获得其他的实施例。
实施例1
经过对现有技术进行研究，其主要缺点如下：
成本和复杂性：传统波浪浮标配备的惯性运动单元（IMU）增加了观测成本和系统复杂性。
定期校准需求：这些设备需要定期校准以维持数据精度，增加了长期运维的难度和成本。
空间和时间限制：由于固定测量平台的局限性，难以实现广泛区域的连续和全面监测。
数据处理资源：PPK和PPP方法虽然能够提供精确数据，但需要大量计算资源，并受限于精确轨道和钟差产品的延迟提供，不利于实时数据获取。
数据大：现有GNSS浮标反演波浪多采用多频GNSS数据，导致存储需求较大，而且现有GNSS浮标方法采用的数据采样率也普遍偏大，进一步增加了存储空间。
精度局限：卫星遥感提供的间接波浪数据精度不如直接海面测量，且受到不同环境条件的影响可能会有准确性的降低。
本实施例的目的在于提供一种单频GNSS信号的时间差分载波相位（TDCP）方法，克服以上缺点。具体如下：
1.载波相位观测数据采集:首先需要采集GNSS单频（L1频率）接收机的载波相位观测数据。此数据采集过程应以1Hz采样率捕获足够的相位变化信息，为后续速度估算提供基础。
2.载波相位测量模型:载波相位测量模型是GNSS数据处理中用于估计接收机至卫星间距离的关键表达式。该模型涉及的载波相位观测值可以表达为几何距离、时钟误差、大气延迟和整周模糊度等多个分量的组合。
；
其中:
是/>频率信号的波长；
是接收机/>与卫星/>之间的/>频率的载波相位观测值；
是接收机与卫星之间的几何距离；
是光速；
和/>分别是接收机和卫星的时钟误差；
是载波相位的整周模糊度；
和/>分别是电离层和对流层的延迟误差；
包括多路径和其他剩余误差的随机测量噪声。
此步骤的目标是确立一个准确的测量模型，为接下来的速度确定提供稳固的基础，特别是在需要消除或减小各种误差影响时，该模型的精确度尤为重要。
3.载波相位差分: 载波相位差分是一个关键步骤，用于从连续的载波相位观测值中提取速度信息。差分操作能够有效消除对速度估计不敏感的误差分量，如卫星和接收机的时钟偏差、固定的整周模糊度，同时也减少了大气延迟的影响。
在本步骤中，执行载波相位观测值的差分处理，具体表达为：
。
差分运算用于减少系统误差和随机误差的影响。此处的代表了时间序列中两个连续观测值的差值。差分后的距离/>和其他差分项能够表示接收机位置的变化和速度信息。通过差分，可以有效地消除因卫星和接收机钟差不变或缓变而导致的误差，同时也消除或减小了电离层和对流层延迟的影响。
这一步是整个TDCP方法中的核心，它为下一步估计接收机的速度变化提供了必要的观测量。
4.差分卫星距离:
在TDCP方法中，差分卫星距离是衡量接收机相对于卫星位置变化的关键参数。通过差分两个连续历元的卫星和接收机之间的几何距离，可以得到接收机的位移信息。具体的计算步骤如下:
首先，计算两个连续历元的卫星到接收机的单位方向向量，它是从接收机到卫星位置的向量差分的归一化结果。
然后，利用以下公式计算差分卫星距离:
；
其中，代表接收机在两个历元之间的位置变化，/>和/>分别表示第/>个历元的卫星和接收机的坐标向量。
通过这个步骤，可以将接收机在两个不同历元之间的位移转化为可观测的差分距离，为速度的计算奠定了基础。这一步骤对于理解接收机的运动状态和动态特性至关重要。
5.误差方程：建立基于差分的观测方程来求解接收机位置变化和时钟偏差。
在TDCP技术中，误差方程是用来描述观测值与实际值之间的偏差。这个方程体现了多种误差源对速度估计的影响，包括但不限于卫星和接收机的时钟偏差、大气延迟（包括电离层和对流层延迟）以及测量噪声。误差方程的建立是为了通过调整模型参数来最小化这些误差，进而获得更准确的速度估计。具体步骤如下：
利用前述的差分卫星距离方程，我们将其插入到载波相位差分观测方程中，构建起TDCP的误差方程：
；
其中代表观测值与计算值之间的残差，而/>是基于观测值构建的向量，包含差分的载波相位观测值和各种误差的差分值:
；
在这个模型中，未知数包括接收机在连续历元间的位置变化以及接收机时钟偏差变化/>。当有足够多的卫星（超过四颗）被观测时，可以使用最小二乘方法解算这些未知数。
构建和解算误差方程是TDCP方法中的关键步骤，它直接关系到最终速度估计的准确性。通过精细的误差分析和处理，可以显著提高速度估计的精度。
6.周跳探测与修复:
周跳探测与修复是确保载波相位测量准确性的关键步骤。在TDCP方法中，周跳指的是由于接收机的丢锁或其他因素导致的载波相位连续性的中断。周跳会导致载波相位观测值出现突变，从而影响速度的估计准确性。因此，在速度估计之前必须检测并修复可能的周跳。
步骤如下：
a. 探测：使用多种算法检测周跳，常见的方法包括Melbourne-Wübbena组合、TurboEdit算法或者基于载波相位与伪距观测值的一致性检验。
b. 修复：一旦探测到周跳，就需要对相位数据进行修复。这可能涉及到丢弃受影响的观测数据，或者使用估算方法来补偿这些数据的跳变。
c. 验证：修复后需要验证周跳是否被成功修正，这通常通过分析修复后的数据残差来实现。
d. 数据整合：在确认数据质量后，可以将修复后的载波相位数据用于后续的速度估计。
7.最小二乘解算:
使用超过四颗卫星的观测数据，通过最小二乘方法解算接收机的位置变化。在利用TDCP (Time-Differenced Carrier Phase) 方法进行速度估计时，最小二乘解算步骤可详细分为以下子步骤:
a. 设计矩阵构建: 基于TDCP观测方程，构建设计矩阵 (A矩阵)。设计矩阵中的每一行代表一个差分观测方程对应的系数，这些系数与接收机位置变化和钟差变化有关。
b. 法方程建立: 使用设计矩阵和差分载波相位观测量，构建法方程），其中/>是权矩阵，表示各观测量的精度；/>是观测量向量，即差分观测值。通常使用矩阵求逆或其他数值方法如Cholesky分解来求解。
d. 残差计算与评估：计算残差来评估观测值与模型的拟合程度。残差的大小和分布可用于检验数据质量和模型的适用性。
e. 结果验证: 残差分析可以揭示模型的不足或数据的问题，如需要，进行模型修正或数据清理。
f. 接收机速度求解: 利用位置变化量和相应的时间间隔/>，求解接收机的速度/>，即/>。
8.垂直速度积分: 通过对垂直方向的速度进行积分，获得海面高度 (SSH)，表示浮标探测到的海表面的垂向运动时间序列，
；
在这个公式中:
是在时间/>的海面高度 (Sea Surface Height)；
是初始时间/>的海面高度，它可以是已知的起始值或假设为零；
是在时间/>的垂直速度，这可以通过TDCP技术从GNSS数据中提取；
是积分过程中的时间变量，表示从/>到/>的积分区间；
SSH包含波浪信息、潮汐信息、海流作用影响、TDCP累计误差等。
9.高通滤波处理: 考虑到SSH是多种信息的合计，因此需要对积分得到的SSH进行后续处理。对得到的SSH数据进行高通滤波处理，滤波器的时间窗口设定为 20 分钟，这个设置足以去除由于潮汐、海流以及长周期的TDCP积累导致的误差，确保剩余的信号反映更高频率的波浪波动。
假设代表未经过滤的信号，那么经过高通滤波器处理后的信号/>可以用以下形式表示:
；
其中，是应用低通滤波器后的信号，它代表被抑制掉的低频分量。高通滤波器通常可以通过减去低通滤波器的输出从原始信号中实现，即通过以上公式。
以离散时间的移动平均滤波器为例，低通滤波后的信号可表示为:
；
在这里，是对应于 20 分钟窗口长度的样本数。而/>就是从原信号中减去这个平均值得到的结果。这样处理后，我们获得的/>将更准确地反映波浪波动的高频成分。
10.计算有效波高（）: 利用/>数据，通过计算波频域内的能量积分，得到有效波高/>。有效波高是指在特定时间间隔内观测到的最高波浪的平均高度，通常为最高三分之一波浪高度的平均值，数学上表示为/>，其中/>为由/>计算的海浪谱域积分得到。
11.平均波周期（Average wave period）的计算: 通过对海浪谱进行分析，计算能量加权平均波周期。具体地，使用零穿越方法和能量加权平均波频的公式/>来确定。
综上，具有以下显著优点和有益效果：
1.数据采集与处理效率的显著提升：通过选用1Hz的采样率，本发明在确保波浪特性捕捉的精度的同时，显著减少了数据处理的时间和存储要求，大幅度提高了数据处理的效率。特别是在对大面积海域的长期监测中，这一优点能够有效降低数据采集和处理的成本。
2.精度与成本的平衡优化：本发明采用L1单频GNSS信号处理方法，相对于传统的LC双频组合，降低了设备和运营成本。同时，通过算法优化，确保了波浪参数测量的高精度，使得单频解算的波浪信息满足专业海洋物理研究的严格要求，为成本与精度之间找到了最佳平衡点。
3.与PPK及PPP方法的优势比较：本发明的波浪监测方法与传统PPK方法相比，其显著优势在于不需要依赖岸基基站。这使得本方法在全球任何海域都可以独立应用，尤其适用于偏远海域或者那些建立固定基站不现实的地区。同时，相对于精确单点定位方法，本发明不需要延迟更新的精密卫星轨道和钟差产品，能够实现快速的初始化和较低的延迟，提供准实时的波浪监测服务。本方法的独立性和灵活性意味着，它可以快速部署在任何需要的区域，且不受地理位置的限制，极大地扩展了波浪监测的可能区域和实时性，特别是在迅速响应海上突发事件（例如油污泄漏、海啸监测等）时，能够提供及时有效的波浪数据信息。这一点对于需要快速获取精确海浪数据的海洋科学研究、海上搜救、海洋工程建设等领域具有重要意义。
为了验证上述显著优点和有益效果，首先选择陆地静态GNSS测量数据模拟动态数据，进行方法精度比对，站点为两个独立的GNSS连续运行站。对比PPK、Doppler、LC双频TDCP和本申请L1单频TDCP的测速精度如图1所示，精度统计结果如下表1所示，结果表明L1单频TDCP方法的测速精度最佳。
表1精度统计结果
再者，在沿海开展了GNSS测高浮标试验，在海洋站波浪浮标附近的同一地点布放了两个GNSS测高浮标，利用本技术发明进行了海浪信息的提取，通过和业务化海洋观测资料比较，具有较高的一致性。如图2和3，利用本技术发明通过GNSS测高浮标反演的有效波高和海洋站业务化波浪浮标结果的比较，二者的一致性较高，差异估计为1.9cm±5.7cm；平均周期差异估计为0±0.1s。如图4和图5，利用本发明技术从1Hz和5Hz数据中反演的和平均周期对比，结果表明SWH均符合较好，但是1Hz得到的平均周期精度更好。
实施例2
本实施例公开了一种应用于实施例1所述的一种单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法的系统，包括：
载波相位观测数据采集模块：用于采集GNSS单频接收机的载波相位观测数据；
载波相位测量模型构建及差分模块：用于通过载波相位测量模型构建几何距离、时钟误差、大气延迟和整周模糊度多个分量的组合，执行载波相位观测值的差分处理，得到接收机的位移信息；
最小二乘解算模块：用于基于差分的观测方程来求解接收机位置变化和时钟偏差变化，进而求解接收机的速度，通过对垂直方向的速度进行积分，获得海面高度数据；
海浪周期和有效波高参数计算模块：用于通过海面高度数据计算海浪周期和有效波高参数。
上述实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法，其特征在于，包括：
步骤S1、载波相位观测数据采集：采集GNSS单频接收机的载波相位观测数据；
步骤S2、载波相位测量模型构建及差分：通过载波相位测量模型构建几何距离、时钟误差、大气延迟和整周模糊度多个分量的组合，执行载波相位观测值的差分处理，得到接收机的位移信息；
步骤S3、最小二乘解算：基于差分的观测方程来求解接收机位置变化和时钟偏差变化，进而求解接收机的速度，通过对垂直方向的速度进行积分，获得海面高度数据；
步骤S4、海浪周期和有效波高参数计算：通过海面高度数据计算海浪周期和有效波高参数。
2.根据权利要求1所述的单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法，其特征在于，所述步骤S1中以1Hz采样率捕获相位变化信息。
3.根据权利要求1所述的单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法，其特征在于，所述载波相位测量模型构建表达如下：
；
其中，是/>频率信号的波长；/>是接收机/>与卫星/>之间的/>频率的载波相位观测值；
是接收机与卫星之间的几何距离；/>是光速；/>和/>分别是接收机和卫星的时钟误差；/>是载波相位的整周模糊度；/>和/>分别是电离层和对流层的延迟误差；/>包括多路径和其他剩余误差的随机测量噪声。
4.根据权利要求1所述的单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括如下步骤：
步骤S201、载波相位测量模型构建：载波相位测量模型作为GNSS数据处理中用于估计接收机至卫星间距离的关键表达式，具体表达为：
；
其中，是/>频率信号的波长；/>是接收机/>与卫星/>之间的/>频率的载波相位观测值；
是接收机与卫星之间的几何距离；/>是光速；/>和/>分别是接收机和卫星的时钟误差；/>是载波相位的整周模糊度；/>和/>分别是电离层和对流层的延迟误差；/>包括多路径和其他剩余误差的随机测量噪声；
步骤S202、载波相位差分：从连续的载波相位观测值中提取速度信息，执行载波相位观测值的差分处理，具体表达为：
；
其中，Δ代表时间序列中两个连续观测值的差值；
步骤S203、差分卫星距离：通过差分两个连续历元的卫星和接收机之间的几何距离，可以得到接收机的位移信息；具体的计算步骤如下:
首先，计算两个连续历元的卫星到接收机的单位方向向量；然后，利用以下公式计算差分卫星距离/> :
；
其中，代表接收机在两个历元之间的位置变化，/>和/>分别表示第/>个历元的卫星和接收机的坐标向量。
5.根据权利要求4所述的单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括如下步骤：
步骤S301、误差方程：建立基于差分的观测方程来求解接收机位置变化和时钟偏差，具体步骤如下：
构建时间差分载波相位的误差方程：
；
其中，代表观测值与计算值之间的残差；/>是基于观测值构建的向量，包含差分的载波相位观测值和误差的差分值:
；
步骤S302、周跳探测与修复：在速度估计之前检测并修复的周跳；
步骤S303、最小二乘解算：使用超过四颗卫星的观测数据，通过最小二乘方法解算接收机的位置变化。
6.根据权利要求5所述的单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法，其特征在于，所述最小二乘解算，具体的计算步骤如下:
a.设计矩阵构建: 基于时间差分载波相位的误差方程，构建设计矩阵A；b.法方程建立: 使用设计矩阵和差分载波相位观测量，构建法方程），其中/>是权矩阵，表示各观测量的精度；/>是观测量向量，即差分观测值； d.残差计算与评估：计算残差来评估观测值与模型的拟合程度；e. 结果验证: 残差分析模型的不足或数据的问题，进行模型修正或数据清理；f. 接收机速度求解: 利用位置变化量/>和相应的时间间隔/>，求解接收机的速度/>，即/>。
7.根据权利要求1所述的单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括如下步骤：
步骤S401、垂直速度积分：通过对垂直方向的速度进行积分，获得海面高度；具体公式如下：
其中，是在时间/>的海面高度；/>是初始时间/>的海面高度；/>是在时间/>的垂直速度；/>是积分过程中的时间变量，表示从/>到/>的积分区间；
步骤S402、高通滤波处理：对得到的数据进行高通滤波处理获得经过高通滤波器处理后的信号/>；
步骤S403、计算有效波高：利用数据，通过计算波频域内的能量积分，得到有效波高；
步骤S404、计算平均波周期: 通过对海浪谱进行分析，计算能量加权平均波周期。
8.根据权利要求7所述的单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法，其特征在于，所述有效波高通过如下公式计算：
；
其中，为由/>计算的海浪谱域零阶矩积分。
9.根据权利要求7所述的单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法，其特征在于，所述平均波周期使用零穿越方法和能量加权平均波频的公式确定：
；
其中，为由/>计算的海浪谱域零阶矩积分。
10.一种用于实现权利要求1-9任一项所述的单频卫星浮标时间差分载波相位的波浪参数反演方法的系统，其特征在于，包括：
载波相位观测数据采集模块：用于采集GNSS单频接收机的载波相位观测数据；
载波相位测量模型构建及差分模块：用于通过载波相位测量模型构建几何距离、时钟误差、大气延迟和整周模糊度多个分量的组合，执行载波相位观测值的差分处理，得到接收机的位移信息；
最小二乘解算模块：用于基于差分的观测方程来求解接收机位置变化和时钟偏差变化，进而求解接收机的速度，通过对垂直方向的速度进行积分，获得海面高度数据；
海浪周期和有效波高参数计算模块：用于通过海面高度数据计算海浪周期和有效波高参数。
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