CN117647308A - 基于单站北斗观测值的海洋平台振动监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于单站北斗观测值的海洋平台振动监测方法，包括以下步骤：步骤S1：对载波相位观测值相邻历元间进行差分，构建载波相位观测模型；步骤S2：对所述载波相位观测模型进行参数估计，得到测站坐标变化序列；步骤S3：对所述测站坐标变化序列进行谱分析，提取各方向功率谱序列中的所有峰值；步骤S4：通过最小二乘振幅估计模型，获取峰值的对应频率的振幅，以完成对海洋平台的震动监测。仅通过单站北斗接收机，实现海洋平台的振动监测，对其他卫星导航定位系统及其所有频率均适用，具有广泛的适用性。
Description
技术领域
本发明涉及海洋平台监测技术领域，具体涉及一种基于单站北斗观测值的海洋平台振动监测方法。
背景技术
在海洋工程中，由于受到环境侵蚀长期影响，频繁振动往往会致使工程结构材料疲劳从而导致形变影响结构安全。因此，海洋工程结构振动监测必不可少。传统海洋平台振动监测一般采用单轴振动传感器进行数据采集，并采用人工辅助布设导线的方式进行数据传输，需要专业的振动数据采集设备和人员参与，这不仅成本高昂，数据采集方式极为不便。
北斗卫星导航系统（Beidou Navigation Satellite System, BDS）具有精度高、实时性强、全天时、全天候等特点，已广泛应用于桥梁、大坝、高层建筑等土木工程安全监测和边坡、滑坡、地面沉降等地质灾害监测中。在这些应用中，通常采用北斗/GNSS RTK（Real-time Kinematic）和PPP（Precise Point Positioning）两种技术手段进行数据处理获取点位坐标，并形成监测点的变形时间序列，以支持变形分析和振动信号提取。然而，在海洋平台的健康监测应用中，监测区域内难以选择稳固的基准站进行RTK定位；海上通讯条件有限，无法实时高采样的播发各项改正数据以支持PPP定位，这两大问题极度影响北斗定位技术在海上平台健康监测的服务效能。
发明内容
本发明提出了一种基于单站北斗观测值的海洋平台振动监测方法，以解决在海上无法建立固定基准站和提供有效的网络通信支持，导致现有的监测手段不稳定的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于单站北斗观测值的海洋平台振动监测方法，包括以下步骤：
步骤S1：对载波相位观测值相邻历元间进行差分，构建载波相位观测模型；
步骤S2：对所述载波相位观测模型进行参数估计，得到测站坐标变化序列；
步骤S3：对所述测站坐标变化序列进行谱分析，提取各方向功率谱序列中的所有峰值；
步骤S4：通过最小二乘振幅估计模型，获取峰值的对应频率的振幅，以完成对海洋平台的震动监测。
优选地，步骤S1中通过构建载波相位观测值的非差非组合观测值，进行误差修正：
；
式中，和/>分别为卫星和测站编号，/>为频率编号，/>，/>为卫星到接收机的几何距离，/>和/>分别表示接收机和卫星的钟差，/>为对流层湿延迟参数，/>为第/>频段上的卫星入射方向的电离层延迟，/>为载波相位观测值的波长，/>为具有整数特性的载波相位模糊度，/>为载波相位硬件延迟、相对论效应、地球自转、海潮和多路径效应误差等及其他未模型化误差的集合，/>表示载波相位观测值噪声。
优选地，所述载波相位观测模型的表达式为：
；
；
式中，为历元间差分算子；/>为历元间三维位置参数的变化量，即/>；为三维位置参数在地心地固坐标系下的方向余弦；/>为接收机钟延迟参数；/>和/>表示改正量；/>表示卫星轨道运动及地球自转引起的位置变化；/>表示卫星钟差；/>表示流层延迟；/>表示地球固体潮和海潮改正量；/>表示载波相位硬件延迟。
优选地，步骤S2包括以下步骤：
步骤S21：将相邻历元各颗卫星的载波相位观测模型转化为矩阵形式：
；
式中，k表示当前历元；Lk表示观测值向量，即伪距和载波相位观测值； Ak表示设计矩阵；Xk表示状态向量；Vk表示残差向量；
步骤S22：建立参数估计状态方程：
；
式中，表示状态转移方程的系数矩阵，/>表示均值为零且方差为/>的正态白噪声；
步骤S23：将步骤S21和步骤S22的公式进行联立，采用采用卡尔曼滤波参数估计方法估计出测站坐标变化序列。
优选地，步骤S3中进行谱分析的方法包括：将三维坐标序列的各方向序列带入Lomb-Scargle谱估计函数，输出功率谱序列。
优选地，步骤S4包括：根据周期性序列表达公式得到振幅估计的最小二乘参数估计方程；带入最小二乘参数估计模型，估计对应序列中相应频率的正余弦振幅并序列中相应频率的振幅。
优选地，所述周期性序列表达公式的表达式为：
；
式中，q表示提取的频率个数，i为历元编号，k为频率编号，t为序列采样点的时间，为第k个频率的角频率，即/>，/>表示波峰所对应的频率，k表示频率编号；/>和/>为正弦和余弦的振幅，。
优选地，振幅估计的最小二乘参数估计方程的表达式为：
；
；
式中，为序列的期望，y表示周期性序列表达公式/>行成的序列，/>为序列的方差，/>为系数矩阵，/>为待估参数向量，/>为方差协方差矩阵。
优选地，相应频率的正余弦振幅的表达式为：
；
式中，表示参数列表，其中包含的/>和/>分别表示正弦和余弦的振幅参数估计值。
优选地，对应频率的振幅的表达式为：
。
本发明的有益效果至少包括：本发明采用高采样北斗载波相位观测值的历元间差分算法，消去与测站位置变化不相关误差，有效提取测站位置变化信息，在于仅采用单台北斗接收机的观测值进行处理的情况下，实现海洋平台的振动监测，无需稳固的基准站支持和良好的通讯条件，可广泛应用于海上平台的定位和健康监测应用中，同时发挥北斗卫星导航系统的定位和结构健康监测作用。
附图说明
图1为本发明实施例的方法流程示意图；
图2为本发明实施例的各方向振动序列的频率提取和振幅估计流程示意图；
图3为本发明实施例的数据编码示意图。
具体实施方式
下面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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于单站北斗观测值的海洋平台振动监测方法，包括以下步骤：
步骤S1：对载波相位观测值相邻历元间进行差分，构建载波相位观测模型。
具体地，本发明实施例中，首先读取北斗载波相位观测值和广播星历信息，之后构建载波相位观测值的非差非组合观测值，进行各项误差改正：
（1）
式中，和/>分别为卫星和测站编号，/>为频率编号且/>，/>为卫星到接收机的几何距离，/>和/>分别表示接收机和卫星的钟差，/>为对流层湿延迟参数，/>为第/>频段上的卫星入射方向的电离层延迟，/>为载波相位观测值的波长，/>为具有整数特性的载波相位模糊度，/>为载波相位硬件延迟、相对论效应、地球自转、海潮和多路径效应误差等及其他未模型化误差的集合，/>表示载波相位观测值噪声。式（1）中除载波相位模糊度是以周为单位外，其余符号均为以米为单位。
在进行了误差改正后，对观测到的载波相位观测值相邻历元间进行差分，构建载波相位观测值历元间差分模型，即载波相位观测模型，步骤如下：
（2）
式中，为历元间差分算子，/>表示相邻历元间测站的位置变化，同时还包含了卫星运动、地球自转影响以及地球固体潮和海潮在相邻历元间的变化。
对上式进行整理，构建载波相位观测方程：
（3）
其中，为历元间三维位置参数的变化量，即/>；/>为三维位置参数在地心地固坐标系下的方向余弦，/>为接收机钟延迟参数；/>和/>为两项改正量，即：
（4）
式中，分别为卫星轨道运动及地球自转引起的位置变化/>、卫星钟差/>和对流层延迟/>改正；/>为地球固体潮和海潮改正量/>及载波相位硬件延迟/>等其他未模型化误差影响。其中，/>中包含各项可根据广播星历提供数据根据各误差改正模型进行计算得到；当海洋工程振动监测应用中采样率较高时，/>各项可通过差分消除，则此时可忽略不计。
步骤S2：对所述载波相位观测模型进行参数估计，得到测站坐标变化序列。
具体地，包括以下步骤：
步骤S21：将相邻历元各颗卫星的观测值按载波相位观测模型列观测方程，并写成矩阵形式，如式（5）所示
（5）
式中，为当前历元；/>为观测值向量，即伪距和载波相位观测值；/>为设计矩阵；为状态向量，包含了位置参数和模糊度参数；/>为残差向量。
S22建立参数估计状态方程：
（6）
式中，表示状态转移方程的系数矩阵，/>为均值为零的协方差矩阵。
S23将式（5）和式（6）联立后，采用卡尔曼滤波参数估计方法估计出测站坐标变化序列。
步骤S3：对所述测站坐标变化序列进行谱分析，提取各方向功率谱序列中的所有峰值。
具体地，如图3所示，本发明实施例中将三维坐标序列的各方向序列带入Lomb-Scargle谱估计函数，输出功率谱序列；通过对三维坐标序列各方向功率谱序列得到所有峰值。
步骤S4：通过最小二乘振幅估计模型，获取峰值的对应频率的振幅，以完成对海洋平台的震动监测。
具体地，根据周期性序列表达公式，如式（7）所示， 列振幅估计的最小二乘参数估计方程，如式（8）所示。
（7）
式（7）中，q表示提取的频率个数，i为历元编号，k为频率编号，t为序列采样点的时间，为第k个频率的角频率，即/>，/>表示波峰所对应的频率，k为频率编号；/>和为正余弦的振幅，即为待估参数。
（8）
式（8）中，为序列的期望，y表示周期性序列表达公式/>行成的序列，/>为序列的方差，/>为系数矩阵，/>为待估参数向量，/>为方差协方差矩阵。
（9）
带入最小二乘参数估计模型，估计对应序列中相应频率的正余弦振幅：
（10）
则序列中相应频率的振幅为：
。
本发明实施例为了更方便的和北斗系统进行通信，将测站信息、振动频率和振幅等数据进行编码，采用北斗短报文设备进行数据传输；如图3所示，步骤包括：编码由3部分组成：数据头、数据体和数据尾；数据头包含8位测站名，12位数据时间，24位测站位置；数据体包含三个方向的各振动频率及其振幅，其中方向标识为8位，频率和振幅各12位；数据尾包含24位循环冗余校验码；数据编码后经北斗短报文设备向指定地址发送。
本发明实施例通过将提取的振动信息进行编码，并利用北斗的短报文通信功能将海洋平台振动信号发送至地面管理平台，实现海洋平台的无人值守自动化监测。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，仅表达了本发明的较佳实施例而已，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种基于单站北斗观测值的海洋平台振动监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：对载波相位观测值相邻历元间进行差分，构建载波相位观测模型；
步骤S1中通过构建载波相位观测值的非差非组合观测值，进行误差修正：
；
式中，和/>分别为卫星和测站编号，/>为频率编号，/>， />为卫星到接收机的几何距离，/>和/>分别表示接收机和卫星的钟差，/>为对流层湿延迟参数，/>为第/>频段上的卫星入射方向的电离层延迟， />为载波相位观测值的波长，/>为具有整数特性的载波相位模糊度，/>为载波相位硬件延迟、相对论效应、地球自转、海潮和多路径效应误差等及其他未模型化误差的集合， />表示载波相位观测值噪声；
步骤S2：对所述载波相位观测模型进行参数估计，得到测站坐标变化序列；
步骤S3：对所述测站坐标变化序列进行谱分析，提取各方向功率谱序列中的所有峰值；
步骤S4：通过最小二乘振幅估计模型，获取峰值的对应频率的振幅，以完成对海洋平台的震动监测。
2.根据权利要求1所述的一种基于单站北斗观测值的海洋平台振动监测方法，其特征在于：所述载波相位观测模型的表达式为：
；
；
式中，为历元间差分算子；/>为历元间三维位置参数的变化量，即/>；/>为三维位置参数在地心地固坐标系下的方向余弦；/>为接收机钟延迟参数；/>和/>表示改正量；/>表示卫星轨道运动及地球自转引起的位置变化；/>表示卫星钟差；/>表示流层延迟；/>表示地球固体潮和海潮改正量；/>表示载波相位硬件延迟。
3.根据权利要求1所述的一种基于单站北斗观测值的海洋平台振动监测方法，其特征在于：步骤S2包括以下步骤：
步骤S21：将相邻历元各颗卫星的载波相位观测模型转化为矩阵形式：
；
式中，k表示当前历元；Lk表示观测值向量，即伪距和载波相位观测值； Ak表示设计矩阵；Xk表示状态向量；Vk表示残差向量；
步骤S22：建立参数估计状态方程：
；
式中，表示状态转移方程的系数矩阵，/>表示均值为零且方差为/>的正态白噪声；
步骤S23：将步骤S21和步骤S22的公式进行联立，采用采用卡尔曼滤波参数估计方法估计出测站坐标变化序列。
4.根据权利要求1所述的一种基于单站北斗观测值的海洋平台振动监测方法，其特征在于：步骤S3中进行谱分析的方法包括：将三维坐标序列的各方向序列带入Lomb-Scargle谱估计函数，输出功率谱序列。
5.根据权利要求1所述的一种基于单站北斗观测值的海洋平台振动监测方法，其特征在于：步骤S4包括：根据周期性序列表达公式得到振幅估计的最小二乘参数估计方程；带入最小二乘参数估计模型，估计对应序列中相应频率的正余弦振幅并序列中相应频率的振幅；
所述周期性序列表达公式的表达式为：
；
式中，q表示提取的频率个数，i为历元编号，k为频率编号，t为序列采样点的时间，为第k个频率的角频率，即/>，/>表示峰值对应的频率；/>和/>为正弦和余弦的振幅。
6.根据权利要求5所述的一种基于单站北斗观测值的海洋平台振动监测方法，其特征在于：振幅估计的最小二乘参数估计方程的表达式为：
；
；
式中，为序列的期望，y表示周期性序列表达公式/>行成的序列，/>为序列的方差，/>为系数矩阵，/>为待估参数向量，/>为方差协方差矩阵。
7.根据权利要求6所述的一种基于单站北斗观测值的海洋平台振动监测方法，其特征在于：相应频率的正余弦振幅的表达式为：
；
式中，表示参数列表，其中包含的/>和/>分别表示正弦和余弦的振幅参数估计值。
8.根据权利要求7所述的一种基于单站北斗观测值的海洋平台振动监测方法，其特征在于：对应频率的振幅的表达式为：
。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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