[发明专利]一种基于GNSS的实时高精度波浪测量方法及装置

说明书

本发明提出了一种基于GNSS的实时高精度波浪测量新方法，通过波浪浮标等海面载体搭载的GNSS接收机(或板卡)和天线，采集GNSS相位、伪距、多普勒频移观测值和广播星历，利用相位观测值的历元差分获取浮标等载体的三维速度，进而求得波浪的方向谱、频谱，以及波高、周期、波向等要素信息；由速度积分一定时长并去除线性趋势项得到位移随时间的变化，也可求得波浪要素信息；无需额外的精密差分改正数，节省了精密差分改正的服务成本与通讯成本。本发明适用于近海、远海场景，实时得到高精度的波浪要素信息，存储在浮标本地或者定期通讯传回，扩大了基于GNSS的海洋波浪测量的工作范围，具有高实际应用价值。

技术领域

本专利属于海洋环境监测领域，适用于湖泊、河流、海洋等所有水体环境场景，特别适用于远海的一种基于GNSS的实时高精度波浪测量方法。

背景技术

波浪作为海洋中的重要运动现象，监测波浪的变化并研究其规律，对人类在海上活动及减灾防灾活动具有重要意义。近几十年来，随着人类对海洋的开发活动不断增加，大大促进了海洋观测方法的研究和仪器设备的研制。目前，已经出现了各式各样的测波仪器：加速度式测波仪、压力式测波仪、声学测波仪及GNSS测波浮标等。其中GNSS测波浮标利用了全球导航卫星系统(GNSS)获取浮标载体的三维空间位置和时间信息，而且GNSS测波浮标具有良好的随波运动特性，可以通过位置信息来有效反演波浪要素。GNSS测波浮标结合现有的GNSS技术，可以有效观测波浪信息，而且具有系统简单、成本低、体积小等优点。由于GNSS技术的限制，比如利用RTK(Real-Time Kinematic)实时载波相位差分技术和PPK(Post-Processing Kinematic)动态后处理差分技术均可得到厘米级定位结果，但这些方法都依赖于基站，有效作用距离限制在离岸几十公里以内，无法应用于远海场景；PPP(PrecisePoint Positioning)精密单点定位技术不受距离限制，不需要从一个或多个近距离基站获取数据。卫星轨道和钟差产品的精度是影响PPP定位精度的最重要因素之一。高精度PPP依赖于高精度的GNSS卫星轨道、钟差改正产品，实时高精度PPP方法需要额外的实时精密差分改正产品，极大增加了精密差分改正所需要的服务成本和通讯成本，而且这类实时产品一般存在时间延迟和精度下降，降低了实时场景的应用精度。

综上所述，传统的基于GNSS的波浪测量主要有如下缺点：

(1)若要实现实时厘米级的测量精度，要将波浪浮标GNSS观测值传回数据处理中心进行实时解算，则需要大量的通讯带宽，从而产生了通讯成本，尤其是远海卫星通讯成本，并且由于通讯降低了实时性；若将波浪浮标GNSS观测值在浮标本地进行实时解算，则需要额外的差分改正服务，其中，在近海需要与陆地通讯获得差分改正服务，在远海需要从通讯卫星获得差分改正服务，因此增加了购买差分改正服务和通讯的成本。

(2)若要实现事后厘米级的测量精度，要将波浪浮标GNSS观测数据传回数据处理中心进行事后解算，则需要大量的通讯带宽，从而产生了通讯成本，尤其是远海卫星通讯成本；若回收波浪浮标再读取GNSS数据进行解算，一方面增加了回收操作的成本，自动化差，另一方面也增加了波浪浮标存储大量GNSS数据的成本。

由以上分析不难了解，目前传统的GNSS测波方法在实时高精度波浪测量方面存在极大劣势和限制。随着GNSS技术的不断发展，突破实时高精度波浪测量方法，是提高海洋波浪业务化实时测量时效和波浪反演精度的核心，可直接为全球海洋波浪要素信息反演提供技术支持。

发明内容

为克服上述技术中的缺陷，本发明提出了一种只需要搭载一个GNSS接收机(或板卡)，适用于近海、远海场景，直接基于GNSS卫星免费播发、免费使用的广播星历，无需额外的精密差分改正服务及其通讯，可获得实时高精度厘米级的波浪测量结果，实时的至少米级精度的浮标位置；可将波高、周期、波向等波浪要素信息存储在浮标本地或者通讯传回，能够节省精密差分改正服务、通讯及存储成本的基于GNSS的实时高精度波浪测量方法。

本发明目的是由以下技术方案实现的：