基于GNSS浮标的波浪反演技术研究

波浪观测在海洋环境预报、海洋工程建设、海洋资源调查、航海安全等领域具有重要作用。基于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)浮标进行波浪观测的方法具有全天候、实时、准确度高、价格低等诸多优点,同时还可以在浮标上集成其他海洋环境测量仪器,因此越来越受到世界各国研究者的重视。本文提出一种基于GNSS浮标的波浪参数反演方法,并成功应用于浙江温州海域,在海试过程中,同公认的波浪骑士浮标对比,平均波高相关系数达到0.95,标准差为4.06 cm,平均波周期相关系数为0.92,标准差为0.24 s,完全符合国家标准。本文所用浮标系统还可以搭载多种海洋环境要素观测传感器,可将数据实时传输至接收终端,具有较高的应用价值。

基于GNSS浮标和验潮资料的HY-2A卫星高度计绝对定标

为探测我国HY-2A卫星高度计海面高测量绝对偏差及其在轨运行状态,本文利用GNSS浮标星下点同步测量和验潮资料海面高传递方法在山东千里岩和珠海担杆岛海域开展定标研究。为验证GNSS浮标定标方法的准确性,还对国外卫星Jason-2和Saral进行了定标实验。实验表明GNSS浮标绝对海面高测量精度达2cm,对Jason-2和Saral高度计多个周期定标得到的海面高偏差均值分别为5.7cm和-2.3cm,与国际专门定标场的结果符合较好。2014年9月和2015年5月HY-2A卫星高度计浮标定标结果分别是-65cm和-91cm,因两次结果差异显著,故又利用千里岩验潮站资料对HY-2A卫星高度计第56至73周期进行了定标分析,结果证明HY-2A卫星海面高存在约-51cm/a的漂移,置信度为95%的回归分析表明浮标和验潮定标结果符合。本文研究结果表明在我国尚无专门定标场的情况下,可利用GNSS浮标对我国高度计实施灵活、精准的在轨绝对定标,在有高度计轨迹经过验潮站的情况下可使用验潮资料结合精密大地水准面模型进行绝对定标。

GNSS浮标导出多普勒速度测波应用研究

高精度的GNSS位置或速度是利用GNSS浮标研究海浪运动规律的关键。基于不同测速模型,GNSS浮标单站原始多普勒、单站导出多普勒速度和PPK载波位置差分速度精度展开对比分析;在此基础上对速度进行积分,提取波面位移,进行功率谱分析得到表面波浪的波高和周期。通过海上数据实测发现,单站导出多普勒相比于单站原始多普勒测速精度更高,以位置差分实测波面位移为参考,单站导出多普勒更能满足波浪观测的精度要求。该方法仅需一台GNSS接收机,不需要架设岸边基站,为GNSS浮标深远海观测应用提供一定的参考。

基于GNSS浮标的潮位测量技术研究

利用研制的GNSS浮标,在海南省清澜湾进行了21.5 h的潮位测量工作,分别使用GAMIT+TRACK和精密单点定位技术(PPP)两种方法对GNSS数据进行解算,并对高频GNSS解算结果进行了巴特沃斯、低通滤波、中值滤波、小波滤波等处理,处理结果与实测潮位数据进行了对比。结果表明:(1)使用GNSS浮标可以进行潮位测量;(2)移动平均滤波或中值滤波对高频GNSS浮标解算数据的处理结果较好,其次为巴特沃斯滤波,小波滤波处理结果较差;(3)在GNSS基准站的支持下,GAMIT+TRACK对GNSS解算结果精度可达1.065 cm,并可以给出绝对高程下的潮位信息;PPP技术解算结果的精度为4.283 cm,但不需要GNSS基准站的支持,可用于远海潮位测量。

GNSS浮标高程测量精度的影响因素研究

针对高度计定标检验的需求，研制了GNSS浮标，并在天津市于桥水库和威海市石岛镇分别进行了浮标性能测试。通过对影响浮标数据处理精度的因素进行研究，为GNSS浮标数据处理方法建立了完整的技术流程，使其满足高度计定标检验的需求。结果表明：GNSS浮标可以满足高度计定标检验的需求；但需特定的数据处理方法。（1）在基准站数据处理中，卫星截止高度角选择为5°~15°，数据采集时间不少于24 h；（2）浮标数据处理模式选择为自动模式，并对其进行移动平均滤波或中值滤波处理后，流动站解算结果最优；（3） GNSS浮标的水面高程测量精度优于1 cm；（4）受到GNSS本身的限制，当浮标距离GNSS基准站越远，浮标数据的解算精度越低。

基于GNSS浮标的实时水深船舶导航模型

在海洋航行中,航道海水深度的预报对保证航海安全和航道的充分利用具有重要意义。通过在航道海面布设一些GNSS浮标,实时测定浮标所在位置海水面的高度,借助数据链,将经数据处理中心处理后的浮标实时水深传播给用户船舶,借以对船舶进行导航。对该导航模型的原理和方法及可行性进行了阐述。

海水温盐度对GNSS浮标天线高的影响

根据卫星高度计定标中GNSS浮标测量海面高的精度需求，研究了浮标天线参考点高（简称天线高）受温盐度变化的影响。推导了浮标天线高随水体密度变化的计算公式，计算了不同海水温盐度条件下天线高的变化，分析了在淡水条件下标定浮标天线高的有效性，讨论了近岸测量与浮标布设区域测量温盐度不同对天线高改正的影响。结果表明：当水温在0～400C、盐度在0—40％。范围内变化时，浮标天线高相对于原标定结果可能有最大约3—4mm量级的变化，在高度计定标过程中有必要对天线高进行改正；在淡水条件下对天线高进行标定是可行的，该标定结果在实际应用时必须经过改正；当浮标布设区域与近岸海域温盐度相差分别不超过±5℃与±5‰时，可以通过在近岸海面测得的海水温盐度计算布设点处天线高的改正量。

GNSS浮标海面高测量中海浪的影响分析

以骑浪式浮标为对象,研究了海浪对于GNSS浮标测量海面高的影响。以单向规则波的形态简化模拟了海浪以及GNSS浮标随海浪的运动过程。在某固定海况条件下,比较了浮标天线参考点高不同时海面高测量误差;在浮标天线参考点高固定的条件下,比较了不同海况时海面高测量误差;给出了GNSS浮标在卫星高度计定标应用中的建议。结果表明:浮标测量海面高误差与天线参考点高成正比,海浪周期越长、波高越小时,测量误差越小;天线参考点高为5 cm,海浪振幅为1 m、周期为7 s、传播速度为5 m/s时,测量海面高平均比实际海面高低0.4 mm;相同浮标在小于3~4级的海况条件下,由海浪引起的海面高测量偏差约在1 mm以内,对于卫星高度计定标工作而言,该误差影响可以忽略。

GNSS浮标技术标定卫星雷达高度计的发展现状

本文介绍了GNSS浮标技术在标定卫星雷达高度计中的基本原理和发展历程,分析了现有GNSS浮标设备的优缺点,总结概括了GNSS浮标数据处理的流程,分析了数据处理中的固体朝、极潮等各种地球物理改正项,给出了改正项的量级和改正公式。还以TOPEX/Poseidon,Jason-1测高卫星为例介绍了Bass海峡GNSS浮标标定两颗卫星雷达高度计偏差的实际效果,对GNSS浮标标定技术的未来发展进行了展望分析。

GNSS浮标海潮高滤波光滑算法

全球导航卫星系统(global navigation statellite system,GNSS)浮标观测获取的实时海面高程数据中包含了潮汐、波浪和白噪声,其周期相差较大,可以通过滤波提取潮位信息。海面高作为一种非平稳和非线性的时间序列,常用的门限滤波、低通滤波、小波滤波等并不适用,经验模态分析法(empirical mode decomposition,EMD)适用于海面高分析,但容易存在模态混叠和分量冗余现象。基于改进的多指标多尺度排列熵算法(multi-scale permutation entropy,MMPE),分别与变分模态分解(variational model decomposition,VMD)和完全集合经验模态分解(complete ensemble empirical modal decomposition,CEEMD)结合,提出VMD+MMPE和CEEMD+MMPE两种降噪光滑模型。通过分析GNSS浮标数据的潮汐序列结果,并与小波分析重构潮位变化结果对比,其标准差分别为1.67 cm和1.39 cm,相关系数达到0.9996与0.9998,其中MMPE值分别为0.8988和0.9737。同时,通过三维频谱图的时频分析下,实验结果表明基于CEEMD+MMPE的算法具有更好的时频聚集性,在GNSS验潮数据处理方面具有较高的可行性和有效性。

海水表面温盐度变化特性分析及在GNSS浮标测量中的应用建议

针对GNSS浮标用于卫星高度计定标时测量海面高可能受海水温、盐度影响的问题,选用美国国家浮标数据中心提供的海面浮标温、盐度观测数据,分析了临近海域海水表面温、盐度时间和空间变化特性.结果表明,在单曰以及30km距离内,海水表面温、盐度的变化分别在±4丈与±50范围内,据此给出了卫星高度计定标应用中对海水温、盐度变化进行补偿的具体建议.

海上动态GNSS浮标的周跳处理算法

常规全球卫星导航系统(GNSS)周跳探测方法大多忽略了高度角对多路径误差以及观测噪声的影响.由于海上GNSS浮标的数据质量受海面影响很大,在卫星高度角降低时其观测噪声和多路径误差显著增大,且具有高频周跳特点,常规GNSS周跳探测方法并不适用.据此,提出了一种综合电离层总电子含量变化率(TECR)和顾及高度角加权阈值模型的改进双频码相组合(MW)探测法的周跳探测与修复方法.实验结果表明:该方法能有效抑制低高度角和多路径影响带来的信号噪声,准确探测到各种类型周跳,可有效应用于海上GNSS浮标的数据预处理.

基于GNSS浮标的海岛礁稀少控制DOM生产技术

针对远海岛礁多为不可登岛,开展远海岛礁大比例尺测图难度大的问题,该文提出了利用GNSS浮标作为海上控制点,探讨GNSS浮标在海岛礁1∶2 000DOM生产中发挥的作用。采用长航时无人机获取试验岛礁高分辨率影像,在无人机常规航线并加摄构架航线的前提下,结合PPP技术,在海岛四周布设GNSS浮标的控制组合方式进行区域网平差和影像生产。试验结果表明,利用此种方法进行远海岛礁大比例尺DOM生产是切实可行的,精度基本满足海岛1∶2 000DOM生产精度要求,研究成果为远海岛礁1∶2 000DOM生产提供了一套合理的解决方案,为远海岛礁大比例尺测图提供参考。

基于GNSS浮标的潮汐测量技术研究

文章利用自主研制的GNSS浮标在山东省青岛市胶州湾进行了潮汐测量工作。通过对比可以看出,自主研制的GNSS浮标,可以远距离实现潮位的获取与监测,能够提高海上潮位监测的效率。

基于参数分析法的GNSS测波浮标波浪方向谱估计

随着全球导航卫星系统的不断进步,基于GNSS实时精密单点定位技术的波浪测量受到广泛关注。将GNSS技术结合浮标观测应用于波浪谱观测与估计,需要海洋方向谱估计基础作技术支持。首先,以频谱分析理论为基础,对频谱估计进行验证。再基于参数分析法,建立了方向谱数据处理程序;以波浪骑士测得浮标位移数据为案例,对比了分析结果与波浪骑士处理结果,两者基本一致;针对参数分析法的方向函数估计中易出现函数为负的情况,给出了修正方法。

高噪声状态下潮汐信号提取

GNSS浮标由于特殊的观测环境,数据质量普遍较差,这导致其坐标时间序列存在较高的噪声,并且存在某些阶跃(或称跳变).针对该问题,本文提出了一种基于滑动窗的双边累积和(cumulative sum,CUSUM)的阶跃探测和修复方法,该方法在非侵入式负荷监测领域已有广泛应用.对于GNSS精密单点定位(precise point positioning,PPP)计算所得海面高程(sea surface height,SSH),用该算法探测阶跃并修复后与验潮站参考数据对比,其均方根误差(root mean square error,RMSE)提升了75.5%,相关性提升了7.46%;对于从修复前后的高程时间序列提取的有效波高(significant wave height,SWH),以海洋浮标(wavebuoy,WB)测量结果作为参考,其RMSE提升了65.22%,相关性提升了208.28%.研究结果表明:该方法可以有效提高GNSS技术反演海浪参数的精确度和可靠性,为GNSS技术在潮汐信号提取提供有价值的参考,对于提高海洋工程安全性和经济效益具有积极意义.

基于现场的卫星高度计定标技术研究

卫星高度计数据的广泛应用离不开准确的现场定标检验工作。在青岛千里岩海上试验的基础上,分别使用GNSS浮标法和潮汐法对Jason-2卫星高度计进行了定标。其结果显示:(1)GNSS浮标法使用高精度GNSS数据处理软件GAMIT/GLOBK及其Track模块,对GNSS浮标数据进行高精度处理,得到的高度计偏差为+195.7 mm,该方法可以消除大地水准面和潮位的影响,精度较高;(2)在潮汐法中,利用FVCOM海洋模式模拟了千里岩周边的潮位,并对比了GNSS浮标测得的潮位结果,二者的标准偏差达到了1.3 cm,满足高度计定标的要求,结合EGM2008计算的大地水准面和平均动力地形,得到的高度计偏差结果为+150.9±35.1 mm,该方法受限较多,精度较差。但两种方法最终得到的高度计偏差与国际其他定标场的结果相当。

基于有源定标器的卫星雷达高度计近海测高基准重建方法研究

利用卫星雷达高度计开展高精度近海高度测量面临诸多问题，重构受污染的近海回波波形，建立近海测高基准是实现高精度近海高度测量的重要基础。介绍一种利用有源定标器重建卫星雷达高度计近海测高基准的方法，以HY-2卫星雷达高度计为例，分别分析了离岸距离大于20km、离岸距离小于2km及离岸距离处于2～20km之间处近海地区雷达高度计回波波形受影响情况，并从理论上推导了该方法建立近海测高基准的精度。在2012年7月5日唐山近海地区HY-2高度计在轨定标试验中，首次观测到近海地区有源定标器转发高度计信号的回波波形，结果表明：利用有源定标器重建卫星雷达高度计近海测高基准的方法可行，该方法将有助于提高近海测高精度。