[发明专利]一种基于北斗/GNSS的实时高精度海表测量方法及浮标

说明书

本发明提出了一种使用GNSS卫星免费播发、免费使用的广播星历、我国北斗卫星的精密单点定位(PPP)，以及其它的高精度服务空间信号，即可直接获得包括时间、经度、纬度、水位、波高、波周期、波向、海表流速和流向、大气水汽含量等实时、可达厘米级要素信息的一种基于北斗/GNSS的实时高精度海表测量方法及浮标；可以将这些信息存储在浮标本地或者通讯传回，适用于近海和远海场景的实时高精度海表测量；克服了现有测量方法需要额外购买精密差分改正和实时通讯的缺点，无需存储GNSS原始观测数据，无需通讯传输GNSS原始观测数据，大幅节省了存储、服务及通讯成本，扩大了基于GNSS的低成本的海表测量的工作范围，因此具有很高的实际应用价值。

技术领域

本发明涉及湖泊、河流、海洋等所有水体环境场景的环境监测和海洋导航 定位领域，具体地讲是一种基于GNSS的海表水位、海浪、海流、大气水汽含量 的实时高精度测量方法。

背景技术

海表水位、海浪、海流、大气水汽含量是海洋环境监测的重要参数，监测 其变化并研究其规律，对人类海上活动及海洋与气候的减灾防灾具有重要意义。 近几十年来，随着人类对海洋开发活动不断增加，大大促进了海表观测方法的 研究和仪器设备的研制。目前，已经出现了多种海表测量仪器，例如大型水文 气象浮标、加速度计测波仪、GNSS浮标验潮仪等。其中GNSS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，而且具有良好 的连续监测特性，可以通过位置信息来有效反演海表水位、海浪要素。GNSS浮 标结合现有的GNSS技术，可以有效观测海表水位、海浪信息，具有系统简单、成本低、体积小等优点。例如自然资源部第一海洋研究所，申请号是 202111084002.X的“一种基于表层漂流浮标的海流测量方法”，需要安装四个 GNSS定位模块，而且需要额外安装姿态传感器，但是浮标的定位精度仅仅达到 优于0.6m，因此实时定位精度低。中国海洋大学，申请号是202111454338.0的 “用于测量二维海面高度的毯载GNSS浮标及测量方法”需要利用额外的浮毯搭 载GNSS天线，浮毯固定于橡皮船上，橡皮船内搭载GNSS接收机，而且浮毯需 要保持足够稳定才能保持其GNSS天线水平；为了降低浮毯的搭载重量，需要将 控制系统和供电系统等安装在额外的充气船上，因此该专利申请需要多个额外 设备，该专利申请未说明GNSS定位数据处理方法，也未说明GNSS实时定位精 度。

上述两项技术若要实现实时高精度定位，都要将浮标GNSS观测值全部传回 数据处理中心进行实时解算，这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高，并且通讯降低了海洋监测的实时性；或者都要额 外的实时精密差分改正服务，这极大增加了精密差分改正所需要的服务成本和 通讯成本。

申请号是201510121794.1的“一种基于GNSS-R技术的河流流速测量方法 与系统”中国科学院空间科学与应用研究中心申请的专利技术，需要利用GNSS 直接信号天线和反射信号天线，对所接收的GNSS直接信号与反射信号做下变频 与采样，并且处理GNSS反射信号获取残差相位输出值。

GNSS 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精度的定 位结果，但是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 的海域，无法应用于远海场景。

PPP(Precise Point 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，但是卫星轨道和钟差产品的精度是影 响PPP定位精度的重要因素。高精度PPP依赖于高精度的GNSS卫星轨道、钟差 等改正产品，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，降低了实时场景的应用性价 比。

综上所述，现有的基于GNSS的海表测量主要有如下缺点：