《一种三天线多模GNSS卫星高度计定标浮标.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种三天线多模GNSS卫星高度计定标浮标.pdf（8页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103364056 A (43)申请公布日 2013.10.23 CN 103364056 A *CN103364056A* (21)申请号 201310310864.9 (22)申请日 2013.07.22 G01F 25/00(2006.01) G01S 7/40(2006.01) (71)申请人 鲍李峰 地址 430077 湖北省武汉市武昌区徐东大街 340 号测地所 (72)发明人 鲍李峰 (54) 发明名称 一种三天线多模 GNSS 卫星高度计定标浮标 (57) 摘要 本发明涉及一种卫星高度计海面高度定标浮 标， 主要用于海平面高度的精确确定， 属于海洋监 。
2、测仪器技术领域。 本发明瞄准卫星高度计GNSS定 标浮标高精度仪器的空白， 通过引入三天线多模 GNSS 系统， 充分利用三天线组合的优越性， 精确 计算GNSS浮标的瞬时姿态， 进而提高GNSS浮标水 面高度确定的精度和可靠性。本发明克服了单天 线浮标由于 GNSS 天线相位中心与浮标质心重合， 造成的天线离水面过近， 水面多路径效应影响较 大的缺点， 设计的三天线多模 GNSS 浮标， 可以将 GNSS 观测模块延伸到水面以上， 从而避免了水面 多路径效应对GNSS定位解算精度的影响。 本发明 将应用于卫星高度计观测精确定标中。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 。
3、附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103364056 A CN 103364056 A *CN103364056A* 1/1 页 2 1. 一种卫星高度计 GNSS 标定浮标， 包括浮标模块设计和浮标姿态、 位置解算， 其特征 在于 ： 通过引入三天线多模GNSS系统， 充分利用三个GNSS天线组合， 精确计算GNSS浮标的 瞬时姿态， 可将浮标上GNSS观测模块延伸到水面以上， 避免水面多路径效应对GNSS定位解 算精度的影响。 权 利 要 求 书 CN 103364056 A 2 1/4。
4、 页 3 一种三天线多模 GNSS 卫星高度计定标浮标 技术领域 0001 本发明专利涉及一种卫星高度计海面高度定标浮标， 主要用于海平面高度的精确 确定， 属于海洋监测仪器技术领域。 背景技术 0002 卫星高度计是作为快速发展起来的一项高科技测量技术， 其研究及应用领域几乎 遍及与海洋高度有关的各个方面， 在空间大地测量和物理海洋学领域产生了一场深刻的革 命， 为全球气候变化精密定量化研究提供了有力支持。卫星测高技术可以全天候长时间监 测全球海平面及海洋动力环境， 能够获取包括海面高、 海面风场、 浪场、 海流、 温度、 潮汐等 海况的重要参数， 这些参数和数据在海洋科学研究、 海上军事活。
5、动及国民经济建设服务中 发挥着重要作用。 0003 卫星测高技术的发展使得海平面高度的观测精度， 从最初的米级发展到目前的厘 米级， 取得了质的飞跃。目前精度最高的高度计卫星对海面高度的观测能够达到 2 3cm 的精度。如此高精度的海面高观测与卫星高度计的定标工作有着密不可分的关系。在利用 高度计观测数据精密、 定量地研究全球海平面变化趋势时， 必须从最终测高观测结果中精 确扣除高度计本身的长期漂移项。高度计观测结果的绝对偏差标定和长期漂移项标定， 都 需要通过与外部实测数据的对比分析而实现。为了保证高度计测量的准确性， 必须通过外 部手段进行检核， 这也是各国发展高度计标定技术的基本出发点。。
6、 0004 定标和验证工作是卫星高度计地面系统建设的主要部分。 通过建设的卫星高度计 定标和验证系统可为高度计数据提供长期的监测， 并且在高度计数据产品分发给用户前对 数据进行真实性检验。 卫星高度计的标定， 通常采用高度计过境时与现场同步观测， 将卫星 观测的海面高度和实测的海面高度进行比较， 获得海面高度标定偏差， 进而对高度计的系 统偏差(固定偏差项和漂移偏差项)进行修正。 目前， 国内外高度计海面高度标定主要有三 种方法 ： 验潮站定标、 海上石油平台定标和 GNSS(Global Navigation Satellite System) 浮标定标。验潮站定标是基于已有的验潮站潮位资料。
7、进行定标， 验潮站通常建设在靠近海 洋的大陆沿岸或者岛屿上， 与高度计星下点不重合， 即验潮站测量点和高度计星下点存在 一定的地理位置差异， 因此， 在定标时需首先消除两者的地理位置差异， 再进行绝对比对。 海上石油平台定标是在卫星高度计地面轨迹的海上石油平台进行同步观测， 比较两者观测 的海面高度， 从而实现对卫星高度计的绝对定标。GNSS 浮标定标是在卫星星下点设置 GNSS 浮标同步观测瞬时海平面进行定标。 0005 传统的高度计标定技术为卫星测高数据的科学应用提供了可靠的基础数据。 但随 着卫星测高技术的发展， 以及人类对全球海平面变化更高观测精度的需要， 传统高度计标 定技术已不能满。
8、足新一代卫星高度计精确海平面观测精度的要求。 传统标定方法本身的方 法的局限性和测量误差已超过了高度计海面高观测要求 ( 未来高度计 1 厘米的海面高确 定精度要求高度计标定精度要优于 1 厘米 )。在利用验潮站资料进行高度计定标中， 由于 验潮观测位置与卫星高度计实际观测轨迹通常并不严格重合， 必须精确确定观测时刻星下 说 明 书 CN 103364056 A 3 2/4 页 4 点海面地形的梯度， 其目的是为了将标定点实际观测资料归算到卫星高度及实际观测区域 内。 而高精度和高分辨率的海面地形梯度精确确定仍是海洋学研究领域尚未很好解决的一 个难题。通常， 利用标定场区域大地水准面 / 似大。
9、地水准面模型得到的梯度来代替真实海 面地形梯度。这样的近似， 在高精度海面高确定的要求下， 并不严密、 误差较大。此外， 通常 验潮站设在海岸线附近， 其观测结果受海洋环境影响很大， 而高度计观测海面高精度在近 海岸区域， 由于受到陆地和岛屿的影响， 其精度与大洋区域海面高精度并不相同， 这样的标 定结果并不能真正客观地代表高度计的真实观测精度。对石油平台标定方法而言， 平台本 身定位精度受钻井开采震动等因素影响， 精度不高。GNSS 浮标标定， 部分克服了验潮站标 定方法中， 由于靠近海岸线， 卫星高度计观测精度不高和陆地 / 岛屿对高度计观测结果的 影响。相比较于传统技术， GNSS 浮标。
10、技术表现出较多的优势， 首先浮标设备相对于定标场 简单、 便捷、 成本低， 其次部署和观测灵活， 可以在不同区域不同时间段连续观测。此外， 目 前 GNSS 数据的精密处理技术较为成熟， 经处理后可以直接获得厘米级的海面高观测量， 该 观测量可作为基准值， 而卫星测高获得的海面高测量值与之进行比较就可获得高度计测量 偏差， 从而提高效率。 0006 传统GNSS定标浮标， 通常都是基于单天线的GNSS浮标进行卫星高度计的定标。 单 天线 GNSS 浮标由于本身垂向定位精度不高 ； 受海洋高频波动影响显著 ； 姿态变化频繁 ； 浮 标相位中心与真实平均海平面高度差异难以标定等因素， 造成单天线 。
11、GNSS 浮标实际观测 精度不高， 其观测误差远超过标定精度要求。本项发明提出利用三天线， 并采用多模 GNSS 观测的形式， 精确确定浮标瞬时姿态的变化。 通过解算浮标精确的姿态， 可以将卫星天线质 心与浮标质心分离， 避免了由于质心重叠， 造成整个浮标动平衡对浮标 GNSS 高度解算的影 响。由于浮标姿态可以通过三天线的方法确定， 浮标上 GNSS 天线安装时可以高于海平面， 这样可以避免由于海面复杂的多路径效应对 GNSS 浮标位置解算的影响。此外， 多模 GNSS 观测可以大幅提高卫星高度计解算精度。 0007 我国在卫星高度计领域研究起步较晚， 我国目前在海洋测高雷达高度计标定方面 。
12、与世界先进水平还有一定差距， 目前还未有专门的高度计定标场， 高度计的标定多采用航 空标校技术。在高度计标定理论和方法方面也未有成熟的成果可以借鉴， 主要以跟踪国外 技术和数据处理方法为主。因此， 积极发展我国自主的高度计标定技术对我国海洋测高卫 星系统的研制和发展具有重要作用。2011 年 8 月， 我国成功发射了首颗海洋高度计卫星 HY-2a， 并已在轨运行 20 个月。获得了大量海面高度观测资料。相比国外成熟的业务化处 理流程， 我国在高度计数据处理方法和业务化水平上仍有差距。通过本发明基于三天线的 多模 GNSS 卫星高度计定标浮标系统的研制， 可以大幅提高我国自主高度计卫星海面高度 。
13、观测的精度， 为高度计产品的应用提供可靠准确的基础数据。 0008 本项发明， 将为探索我国自主海洋卫星定标检验新模式， 推进定标与检验业务化， 为提高遥感数据的利用率与定量化水平提供服务， 通过有针对性开展自主海洋卫星现场定 标检验技术研究， 逐步解决我国海洋卫星各载荷定标检验中存在问题， 本项发明以服务于 海洋遥感业务应用为目标， 围绕自主海洋卫星定标检验中关键技术需求， 将重点突破我国 自主卫星雷达高度计海面测高在轨绝对定标， 建立自主雷达高度计海面测高在轨绝对定标 服务系统。开展与完成上述相关工作非常迫切， 不仅是我国自主海洋卫星工程系统质量评 价的需要， 也是验证其功能与性能、 发挥。
14、卫星整体效能的需要， 更是卫星遥感产品定量化应 说 明 书 CN 103364056 A 4 3/4 页 5 用的需要。 发明内容 0009 卫星高度计GNSS定标方法 ： 利用GNSS浮标通过与岸上的GNSS参考站联测获得浮 标所在位置的高精度海面高数据即该海面相对于椭球的高度， 同时测高卫星飞过该位置的 海面高测量值也通过精密处理得到。根据卫星飞行轨迹选取离 GNSS 观测点较近的测高海 面高观测量， 然后采用线性或三次样条函数内插至比较点， 得到观测点处测高卫星的海面 高测量值， 最后与 GNSS 浮标观测得到的海面高进行比较得到高度计偏差。 0010 当前， 单天线 GNSS 浮标面临。
15、的最主要问题是 ： 仅靠一个 GNSS 天线， 无法给出浮标 瞬时姿态角， 为降低浮标姿态变化对单天线浮标水面高度解算的影响， 通常采取折中的方 法， 将天线相位中心尽可能的安置在浮标的质心上， 但这样的方案使得 GNSS 天线几乎与观 测水平面在一个平面上， 造成GNSS接收机收到大量水面多路径信号， 进而影响GNSS浮标高 度解算的精度。 0011 本发明涉及的GNSS浮标， 其核心技术是利用三个GNSS天线， 准确的监测浮标姿态角 的变化。由于浮标姿态角可以精确获得， 因此 GNSS 天线无需与浮标质心一致， 且可以高出观 测水平面， 以大幅降低水面多路径效应对 GNSS 定位解算的影响。
16、。仪器研制后， 只需标定 GNSS 解算中心与浮标观测水面垂直距离， 即可将 GNSS 解算的浮标高度准确的归算到所需观测的 水面高度上。此外， 浮标姿态的精确确定， 也有助于 GNSS 浮标定位解算精度的提高。 0012 浮标研制的重点， 是通过适当的设计方案将浮标的平衡中心与浮标水位线保持在 同一平面上， 意味着， 无论浮标姿态如何变化， 整个浮标的平衡中心始终和观测水位线保持 在同一平面。由于， 初始静平衡状态下， 三天线多模 GNSS 模块计算中心与整个浮标平衡中 心位置可以精确测定， 当浮标发生倾斜时， 得益于三天线 GNSS 设计， 浮标姿态角可以精确 测得。因而 GNSS 模块中。
17、心到水面的垂直距离可以准确计算， 最终实现三天线多模 GNSS 定 位中心至观测水平面高度的精确归算。 0013 本发明瞄准高精度卫星高度计 GNSS 定标浮标仪器的空白， 通过引入三天线多模 GNSS 系统， 充分利用三天线组合的优越性， 精确计算 GNSS 浮标的瞬时姿态， 进而提高 GNSS 浮标水面高度确定的精度和可靠性。本发明克服了单天线由于 GNSS 天线相位中心与浮标 质心重合， 造成的天线离水面过近， 水面多路径效应影响较大的缺点， 设计的三天线多模 GNSS浮标， 可以将GNSS观测模块延伸到水面以上， 从而避免了水面多路径效应对GNSS定位 解算精度的影响。新的设计， 将充。
18、分利用 GNSS 高精度、 高时空分辨率、 高信息含量的特性， 水面高度确定精度将优于 10cm。 附图说明 0014 下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。 0015 图 1 三天线多模 GNSS 卫星高度计定标浮标模块设计图。 0016 三天线多模GNSS浮标主要有三个模块组成， 包括GNSS天线及接收机模块 ； 浮标电 力供应及防水模块 ； 浮标本体及数据存储， 防潮模块组成。 0017 图 2 三天线多模 GNSS 定姿、 定位模块设计图。 0018 三个 GNSS 接收机分别安装在 GNSS 平台上等边三角形的顶点位置， 三个 GNSS 天线 说 明 书 CN 10336405。
19、6 A 5 4/4 页 6 位于同一平面， 且三个天线相位中心之间的距离精确测定。等边三角形几何中心在平台上 用钢制测量标志标注。整个 GNSS 平台以设定高度高出浮标的吃水线。 0019 图 3 三天线多模 GNSS 水面高度归算示意图。 具体实施方式 0020 三天线多模GNSS浮标主要有三个模块组成， 包括GNSS天线及接收机模块 ； 浮标电 力供应及防水模块 ； 浮标本体及数据存储， 防潮模块组成。 0021 三天线多模GNSS模块由三个GNSS天线及接收机组成， 三个GNSS分别安装在GNSS 平台上等边三角形的顶点位置， 三个 GNSS 天线位于同一平面， 且三个天线相位中心之间的。
20、 距离精确测定。等边三角形几何中心在平台上用钢制测量标志标注。等边三角形几何中心 至各个天线距离精确测量。整个 GNSS 平台以设定高度高出浮标的吃水线。GNSS 浮标处于 正常水平情况下， 将三台 GNSS 解算的等边三角形几何中心高度， 扣除平台固定高度， 即可 得到水面高度测量的观测值。三台天线呈等边三角安置的主要原因是为了精确获得 GNSS 平台的法线与垂线夹角， 即 GNSS 浮标的姿态角。GNSS 平台高出水面的设计， 是为了尽可能 屏蔽周围复杂水面发射造成的多路径效应。为保证仪器的正常工作， GNSS 浮标上部， 用高 强度材料， 制成密封罩， 防止海浪、 海水侵入对浮标内部仪器。
21、的损害。GNSS 天线安装平台由 不锈钢材料制成， 为降低平台形变对水位观测结果的影响。 平台内部将做特殊处理， 保证平 台整体与浮标本体的刚性连接。 0022 太阳能供电模块由若干太阳能电池板及电池组组成。 太阳能电池板以一定倾角固 定安装在 GNSS 接收机平台侧面。为保证浮标质心尽可能与几何中心位于同一垂线上。太 阳能电池板将围绕中心对称分布。电池板采用高效率多晶硅太阳能片封装， 保证太阳能电 池板发电功率充足。用优质 EVA 膜层作为太阳电池的密封剂和与玻璃、 太阳能板之间的连 接剂。具有较高的透光率和抗老化能力。 0023 为提高 GNSS 浮标的抗腐蚀性和浮力。将采用离子聚合泡沫塑。
22、料制成浮标浮体组 件。 离子聚合泡沫塑料是一种优质的聚合体， 其组织细胞非常强韧、 壁厚及紧密， 重量轻、 浮 力高 ； 抗吸水性强， 不受燃料及化学品渗透 ； 安全性理想， 颜料、 紫外光稳定剂及抗氧化剂 可以直接、 均匀地整合至细胞组织内， 非常耐用， 不用上漆。 在浮体成形后， 表层透过高温及 高压加密， 形成一层异常强硬、 一体性外皮 ( 与高尔夫球、 保龄球瓶外保护层的物料相同 )， 具自体防撞性能。 用离子聚合泡沫塑料制成的浮标具有如下优点 ： 一体性的颜料、 一体性的 表皮 ： 每次投放间无需喷磨及上漆 ； 极端耐用、 存活力无可比拟 ： 可承受枪火等破坏， 穿孔 后亦不会继续腐。
23、蚀及下沉 ； 碰撞时不会损坏碰撞物 ； 能抵抗生物沾附物的侵蚀， 与溶剂及 化学品的腐蚀 ； 低维护量与长使用寿命代表在整个生命周期间的成本低廉 ； 高浮力 / 重量 比 ： 可在较小、 较易携带的浮标上得到更重的载重量 ； 易于存放及搬迁， 置于甲板上亦非常 安全。 0024 利用GNSS浮标通过与岸上的GNSS参考站联测获得浮标所在位置的高精度海面高 数据即该海面相对于椭球的高度， 同时测高卫星飞过该位置的海面高测量值也通过精密处 理得到。根据卫星飞行轨迹选取离 GNSS 浮标观测点较近的测高海面高观测量， 然后采用线 性或三次样条函数内插至比较点， 得到观测点处测高卫星的海面高测量值， 最后与 GNSS 浮 标观测得到的海面高进行比较得到高度计偏差。 说 明 书 CN 103364056 A 6 1/2 页 7 图 l 说 明 书 附 图 CN 103364056 A 7 2/2 页 8 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103364056 A 8 。