本发明公开了一种基于大型无人机的深远海海面高度观测定标方法和系统。该系统包括岸基GNSS参考站、GNSS集成观测浮标系统和波浪能剖面浮标观测阵列；所述GNSS集成观测浮标由上浮体、GNSS天线、CTD剖面仪和底部压力计组成，在近海（~20km）进行布放；所述波浪能剖面浮标观测阵列包括多个波浪能剖面浮标，所述波浪能剖面浮标由上浮球、剖面平台、爬行钢缆和底部压力计组成。与传统的机载高度计定标检验方案相比，本发明能够有效提高深远海定标检验的精(56)对比文件Xi-Yu Xu.Simulation of the Wide SwathSea Surface Height Calibration Using GNSSBuoy Array.IGARSS 2020 - 2020 IEEEInternational Geoscience and RemoteSensing Symposium.2021,全文.
1.一种基于大型无人机的深远海海面高度观测与定标方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：构建高精度深远海海面高度观测网络，包括岸基GNSS参考站、GNSS集成观测浮标系统和波浪能剖面浮标观测阵列，以获取与机载高度计同时空的海面高度观测数据集；所述GNSS集成观测浮标系统由上浮体、GNSS天线、CTD剖面仪和底部压力计组成，在近海进行布放；所述波浪能剖面浮标观测阵列包括多个波浪能剖面浮标，所述波浪能剖面浮标由上浮球、剖面平台、爬行钢缆和底部压力计组成；
S2：近海GNSS集成观测浮标解算：联合GNSS基准站与近岸GNSS集成观测浮标，解算出近GNSS海高精度海面高度基准点SSH ；
S3：外推得到相邻波浪能剖面浮标点位的高精度海面高度SSH1 ，构建与机载航线同GNSS步的高精度海面高度定标参考数据集{SSHi }：利用波浪能剖面浮标阵列所搭载的传感器模块观测要素反演海面高度，即首先根据第一台波浪能剖面浮标所携带的气压计‑CTD剖面仪‑压力计反演出海面高度值SSH0，其次计算出SSH0与相邻波浪能剖面浮标SSH1的海面高度GNSS差异Δ，最后与所述高精度海面高度基准点SSH 联合，外推出相邻波浪能剖面浮标点位GNSS的高精度海面高度SSH1 ；不断重复，即构建与机载航线同步的高精度海面高度定标参考GNSS数据集{SSHi }；
S4：计算校验误差值ΔEi：基于大型无人机获取到的机身高度Hi 、载荷观测高度ΔLi，GNSS以及所述高精度海面高度定标参考数据集{SSHi }联合解算校验误差值；
S5：定标检验：沿机载Ku/Ka双频合成孔径雷达高度计的观测轨迹依次计算校验误差值，构建机载ku/ka双频合成孔径雷达高度计的深远海海面高度定标检验方法。
2.如权利要求1所述的基于大型无人机的深远海海面高度观测与定标方法，其特征在于，所述S2具体为：S2‑1：GNSS基准站数据处理：在航空飞行试验中，岸上数据中心将实时基准站数据进行解算，在解算过程中引入邻近海洋站的IGS站原始数据和IGS分析中心处理后的产品；
S2‑2：计算SSH ：解算策略采用RTK定位方法。
3.如权利要求2所述的基于大型无人机的深远海海面高度观测与定标方法，其特征在于，所述S2‑2具体如下：首先利用GPS海面反射信号与直射信号到达的接收时间差来计算路程差，实现海面高度的测量；其次基于GNSS双差定位模型消除接收机钟差、卫星钟未知参数，在处理过程中考虑接收机和卫星天线相位中心位置偏差改正，同时选择双频无电离层组合方法消除电离层一阶项的折射影响，并采用卡尔曼滤波法逐历元进行参数估计，得到近海GNSS集成观测浮标与岸边基准站之间的坐标差值，最终以1HZ的采样频率获取近海GNSS集成观测浮标的海面高度，为飞机航行试验提供瞬时参考值。
4.如权利要求1所述的基于大型无人机的深远海海面高度观测与定标方法，其特征在于，所述S3具体为：S3‑1：计算SSH0：在波浪能剖面浮标阵列中，首个浮标的布放位置紧挨近海GNSS集成观测浮标，故利用波浪能剖面浮标所搭载的CTD剖面仪能够高效地采集到该点位的海水温度、电导率的垂直剖面；当剖面数据经近岸无线传输网络回传至数据中心后，会对其进行数据处理以去除盐度的峰值，并调整滞后的传感器响应，最后由流体静力学方程从海底到海表面积分计算出SSH0，具体计算公式如下：其中， 代表从海底到海表面的积分结果，H代表海底深度，g代表重力加速度，代表海水密度的平均值，ρ0代表参考密度，代表海面高度的平均值， 代表大气压力的平均值；方程式中 代表该浮标点位的底部压力，需要由底部压力计BPR测得；
代表该浮标点位的动力高度，需要具有CTD剖面仪的系泊装置提供；
S3‑2：计算SSH1：利用公式(1)计算出波浪能剖面浮标阵列中第二个浮标点位的海面高度；
S3‑3：计算SSH1 ：首先将SSH0和SSH1进行比较计算出相对海面高度差，利用二者的差GNSS异消除掉CTD剖面仪衍生的空间高度误差，其次将近海高精度海面高度基准点SSH 和相GNSS对海面高度差联合计算出SSH1 ，最终实现了高精度海面高度的外推；
S3‑4：沿大型无人机的航行路线不断重复以上步骤，直到所有的浮标点位均计算完毕，GNSS构建出与机载航线同步的高精度海面高度定标参考数据集{SSHi }。
5.如权利要求1所述的基于大型无人机的深远海海面高度观测与定标方法，其特征在于，所述S4具体为：GNSS
S4‑1：基于大型无人机所搭载的GNSS天线获取机身高度数据集{Hi }，基于飞机雷达高度计载荷观测高度数据集{ΔLi}；
S4‑2：联合机身高度数据集{Hi }、载荷观测高度数据集、海面高度定标参考数据集GNSS{SSHi }解算校验误差值，计算公式如下：
6.如权利要求1所述的基于大型无人机的深远海海面高度观测与定标方法，其特征在于，所述S5具体为：S5‑1：沿飞机飞行航线获取机载Ku/Ka双频合成孔径雷达高度计的实际观测数据集，并不断重复S4计算出相应的校验误差值；
S5‑2：由校验误差值对机载雷达高度计所观测到的高度数据依次进行校正，提高机载高度计载荷在深远海区域定标结果的精确度。
基于大型无人机的深远海海面高度观测定标方法和系统
技术领域
[0001] 本发明属于海洋观测技术领域，具体涉及一种基于大型无人机的深远海海面高度观测定标方法和系统。
背景技术
[0002] 科学卫星所搭载的高度计是进行海洋科学研究不可或缺的重要工具，但在卫星测高的过程中，由于受到海况偏差、电离层路径延迟、潮汐等其他诸多种因素的影响，其数据不确定性较大，需要进行严格的误差项修正和现场定标来观测数据的精度和漂移。国内外高度计卫星在发射前会多次开展机载飞行试验的定标以探究高度计的定标方案，在科学卫星发射之前对其载荷开展相关机载校飞试验已成为研究学者的共识，这不仅有利于全新载荷进行技术验证而且能够积累大量的真实观测数据集。
[0003] 目前大多数与机载卫星高度计飞行试验所匹配的海面高度观测网络往往采用岸基验潮仪与GNSS浮标平台相结合的方式，但此方案存在以下问题：首先利用岸边验潮仪进行海面高度外推时，海面高度的测量精度与潮汐模型和大地水准面的精度息息相关；其次，当利用固定在平台周围的GNSS浮标及其阵列去反演海面高度时，近岸高程的测量精度尚能满足飞行试验的要求，但随着离岸边GNSS基准站的距离越来越远，GNSS浮标所测量的海面高精度会逐渐下降，定标检验的效果较近海区域随之下滑。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种基于大型无人机的深远海海面高度观测定标方法和系统，以弥补现有高度计定标方案的不足和提高深远海的定标检验技术的精准程度。
[0005] 在传统的机载雷达高度计现场观测与定标系统中，往往通过在岸边设立验潮仪和GNSS静态接收终端作为解算的参考基站，并在相关试验海域布放GNSS浮标或GNSS浮标阵列。这样的定标检验方案精度在很大程度上依赖于潮汐模型和大地水准面，在卫星机载校飞试验的过程中，定标精度会随着与岸基参考站距离的增加而下降。尤其是在离岸较远的深海区域，传统的定标方案已经不能够为机载高度计定标提供高精度的参考数据集。
[0006] 本发明在保留岸基GNSS参考站的基础之上，引入波浪能剖面浮标阵列，并基于此设备增加了温盐剖面的观测与解算。
[0007] 基于上述原理，为实现上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
[0008] 一种基于大型无人机的深远海海面高度观测与定标系统，该系统包括岸基GNSS参考站、GNSS集成观测浮标系统和波浪能剖面浮标观测阵列；所述GNSS集成观测浮标由上浮体、GNSS天线、CTD剖面仪和底部压力计组成，在近海(～20km)进行布放；所述波浪能剖面浮标观测阵列包括多个波浪能剖面浮标，所述波浪能剖面浮标由上浮球、剖面平台、爬行钢缆和底部压力计组成。该系统需要在在航空试验飞行前至少24小时形成。
[0009] 进一步的，所述上浮体包括数据采集模块，其由GNSS接收机板卡、姿态补偿仪和无线传输模块构成；其中姿态补偿仪能够以50HZ的频率准确高效地输出浮标姿态数据，对测量的数据进行姿态补偿，测量精度能够达到0.1度，具有很好的随波性和稳定性。
[0010] 进一步的，所述上浮球内含远距离无线传输装置，能够将剖面数据实时回传至岸上控制室并保存至本地数据库；剖面平台则由传感器模块、数据中转中心、电池仓供电模块组成，能够长期持续稳定地提供剖面温盐数据；剖面机械架构配合钢缆能够在0～500米内选择任意的观测深度，垂向观测分辨率约为3厘米左右。
[0011] 进一步的，所述波浪能剖面浮标观测阵列的布放规则是：沿机载航线方向、按照ku/ka双频合成孔径雷达高度计载荷采样分辨率间隔依次布放。
[0012] 一种基于大型无人机的深远海海面高度观测与定标方法，该方法包括以下步骤：
[0013] S1：构建高精度深远海海面高度观测网络，包括岸基GNSS参考站、GNSS集成观测浮标系统和波浪能剖面浮标观测阵列，以获取与机载高度计同时空的海面高度观测数据集；
[0014] S2：近海GNSS集成观测浮标解算：联合GNSS基准站与近岸GNSS集成观测浮标，解算GNSS出近海高精度海面高度基准点SSH ；
[0015] S3：外推得到相邻波浪能剖面浮标点位的高精度海面高度SSH1GNSS，构建与机载航GNSS线同步的高精度海面高度定标参考数据集{SSHi }：利用波浪能剖面浮标阵列所搭载的传感器模块观测要素反演海面高度，即首先根据第一台波浪能剖面浮标所携带的气压计‑剖面CTD仪‑压力计反演出海面高度值SSH0，其次计算出SSH0与相邻波浪能剖面浮标SSH1的GNSS
海面高度差异Δ，最后与所述高精度海面高度基准点SSH 联合，外推出相邻波浪能剖面GNSS
浮标点位的高精度海面高度SSH1 ；不断重复，即构建与机载航线同步的高精度海面高度GNSS
定标参考数据集{SSHi }；
[0016] S4：计算校验误差值ΔEi：基于大型无人机获取到的机身高度HiGNSS、载荷观测高度GNSSΔLi，以及所述高精度海面高度定标参考数据集{SSHi }联合解算校验误差值ΔEi；
[0017] S5：定标检验：沿机载Ku/Ka双频合成孔径雷达高度计的观测轨迹依次计算校验误差值ΔEi，构建机载ku/ka双频合成孔径雷达高度计的深远海海面高度定标检验方法。
[0018] 进一步的，所述S2具体为：
[0019] S2‑1：GNSS基准站数据处理：在航空飞行试验中，岸上数据中心利用Bernese或GAMIT软件将实时基准站数据进行解算，在解算过程中需引入邻近海洋站的IGS站原始数据和IGS分析中心的后处理产品；
[0020] S2‑2：计算SSHGNSS：解算策略采用RTK定位方法，具体如下：首先利用GPS海面反射信号与直射信号到达的接收时间差来计算路程差，实现海面高度的测量；其次基于GNSS双差定位模型消除接收机钟差、卫星钟未知参数，在处理过程中考虑接收机和卫星天线相位中心位置偏差改正，同时选择双频无电离层组合方法消除电离层一阶项的折射影响，并采用卡尔曼滤波法逐历元进行参数估计，得到近海GNSS集成观测浮标与岸边基准站之间的坐标差值，最终获取近海GNSS集成观测浮标1HZ的海面高度，为飞机航行试验提供瞬时参考值。
[0021] 进一步的，所述S3具体为：
[0022] S3‑1：计算SSH0：在波浪能剖面浮标阵列中，首个浮标的布放位置紧挨近海GNSS集成观测浮标，故利用波浪能剖面浮标所搭载的CTD仪能够高效地采集到该点位的海水温度、电导率的垂直剖面；当剖面数据经近岸无线传输网络回传至数据中心后，会对其进行数据处理以去除盐度的峰值，并调整滞后的传感器响应，最后由流体静力学方程从海底到海表面积分计算出SSH0，具体计算公式如下：
[0023]
[0024] 其中， 代表从海底到海表面的积分结果，H代表海底深度，g代表重力加速度， 代表海水密度的平均值，ρ0代表参考密度，代表海面高度的平均值， 代表大气压力的平均值；方程式中 代表该浮标点位的底部压力，需要由底部压力计(BPR)测得； 代表该浮标点位的动力高度，需要具有CTD的系泊装置提供； 代表该浮标点位的大气压力，由浮体上的气压计提供；
[0025] S3‑2：计算SSH1：利用公式(1)计算出波浪能剖面浮标阵列中第二个浮标点位的海面高度；
[0026] S3‑3：计算SSH1GNSS：首先将SSH0和SSH1进行比较计算出相对海面高度差Δ，利用二GNSS者的差异消除掉CTD衍生的空间高度误差，其次将近岸高精度全深度立体高度SSH 和相GNSS
对海面高度差Δ联合计算出SSH1 ，最终实现了高精度海面高度的外推；
[0027] S3‑4：沿大型无人机的航行路线不断重复以上步骤，直到所有的浮标点位均计算GNSS完毕，构建出与机载航线同步的高精度海面高度定标参考数据集{SSHi }。
[0028] 进一步的，所述S4具体为：
[0029] S4‑1：基于大型无人机所搭载的GNSS天线获取飞机飞行的高度{HiGNSS}，基于飞机雷达高度计载荷观测高度数据集{(ΔLi}；
[0030] S4‑2：联合机身高度数据集{HiGNSS}、载荷观测高度数据集{ΔLi}、海面高度定标参GNSS考数据集{SSHi }解算校验误差值ΔEi，计算公式如下：
[0031]
[0032] 进一步的，所述S5具体为：
[0033] S5‑1：沿飞机飞行航线获取机载Ku/Ka双频合成孔径雷达高度计的实际观测数据集，并不断重复S4计算出相应的校验误差值ΔEi；
[0034] S5‑2：由校验误差值ΔEi对机载雷达高度计所观测到的高度数据依次进行校正，提高机载高度计载荷在深远海区域定标结果的精确度。
[0035] 本发明的优点和有益效果：
[0036] 本发明在保留岸基GNSS参考站的基础之上，引入近海GNSS集成观测浮标和波浪能剖面浮标阵列，构建了深远海高精度海面高度定标检验组网。并基于波浪能剖面浮标阵列所搭载的气压计‑剖面CTD仪‑底部压力计和大型无人机上的GNSS模块构建高精度深远海定标检验系统，为Ku/Ka双频合成孔径雷达高度计定标提供了精准的误差校验值，解决了传统验潮仪/GNSS参考站‑GNSS浮标阵列观测方案在深远海域中定标检验精度下降的问题。
[0037] 与传统的机载高度计定标检验方案相比，本发明能够有效提高深远海定标检验的精确程度，为机载高度计定标检验提供更加精细的校验值，实现了海洋三维高时空分辨率的真实性检验。
附图说明
[0038] 图1本发明所提供方法的基本流程图。
[0039] 图2本发明所提供系统的基本示意图。
[0040] 图3波浪能剖面浮标数据采集结果。
具体实施方式
[0041] 以下通过具体实施例并结合附图对本发明进一步解释和说明。
[0042] 实施例1：
[0043] 如图1所示，该实施例提出了一种空海同步观测的高精度深远海海面高度观测与定标方法，具体为：
[0044] 1.构建同时空海面高度的观测数据集。
[0045] 海面高度观测网络如图2所示，由近岸GNSS基准站、近海(～20km)GNSS集成观测浮标和波浪能剖面浮标阵列组成，具体包括：
[0046] (1)建立岸基GNSS参考站，并布设近海GNSS集成观测浮标。GNSS集成观测浮标由上浮体(含数据采集模块)、GNSS天线、CTD剖面仪和底部压力计组成，数据采集模块由GNSS接收机板卡、姿态补偿仪和无线传输模块构成。其中姿态补偿仪能够以50HZ的频率准确高效地输出浮标姿态数据，在恶劣的海洋环境中保证了瞬时浮标测高数据的有效性，测量精度能够达到0.1度。
[0047] (2)布设波浪能剖面浮标阵列。波浪能剖面浮标由上浮球、剖面平台、爬行钢缆和底部压力计组成，其中上浮球内含远距离无线传输装置，能够将剖面数据实时回传至岸基控制室并保存至本地数据库；剖面平台则由传感器模块、数据中转中心、电池仓供电模块组成，能够长期持续稳定地提供剖面温盐数据。
[0048] (3)构建高精度深远海海面高度观测网络。岸基GNSS参考站、近海GNSS集成观测浮标和波浪能剖面浮标阵列构成了高精度深远海海面高度观测网络，其中波浪能剖面浮标阵列沿着机载航线方向，依据ku/ka双频合成孔径雷达高度计载荷采样分辨率间隔呈一字型布放，构建与机载高度计数据集同时空的高精度海面观测数据集。
[0049] 2.实现近海GNSS集成观测浮标的解算。联合GNSS基站与近岸GNSS集成观测浮标，GNSS基于RTK定位方法解算出近海高精度海面高度参考值SSH ，具体为：
[0050] (1)GNSS基准站数据处理。在航空飞行试验中，岸上数据中心利用Bernese或GAMIT软件将实时基准站数据进行解算，在解算过程中需引入邻近海洋站的IGS站原始数据和IGS分析中心的后处理产品。
[0051] (2)计算海面高度。利用GPS海面反射信号与直射信号到达的接收时间差来计算路程差，实现GNSS集成观测浮标的海面高度测量。
[0052] (3)计算卫星定位系统误差。卫星定位中存在的误差既来源于系统的内部，也来源于外部。针对不同的误差来源，首先基于GNSS双差定位模型消除接收机钟差、卫星钟等未知参数，在处理过程中考虑接收机和卫星天线相位中心位置偏差等改正，并选择双频无电离层组合方法消除电离层一阶项的折射影响。其次由于对流层大气总延迟(ZTD)则包含湿分量延时(ZWD)和静水力学延时(俗称干分量延时ZHD)两个部分，对流层大气总延迟公式如下：
[0053] ZTD＝ZWD+ZHD (3)
[0054] 其中ZHD可以由Elgeredl流体静力学延迟公式得到：
[0055]
[0056] 式中 为地理纬度，h为测站海拔高度(KM)，Ps为地面气压单位为hPa，由此可以得到GNSS反演的大气湿延迟。
[0057] (4)计算高精度海面高度参考值SSHGNSS。经过以上误差项修正能够获取近海GNSS集成观测浮标与岸边基准站之间的坐标差值，最终得到由近海GNSS集成观测浮标所提供的GNSS高精度海面高度测量值SSH 。
[0058] 3.通过GNSS集成观测浮标所测得的SSHGNSS与同步波浪能剖面浮标所测得的SSH0进行海面高度外推(SSH1)，具体为：
[0059] (1)计算SSH0。在波浪能剖面浮标阵列中，首个浮标的布放位置紧挨近海GNSS集成观测浮标，利用波浪能剖面浮标所搭载的CTD仪能够高效地采集到该点位的海水温度、电导率的垂直剖面；当剖面数据经近岸无线传输网络回传至数据中心后，会对其进行数据处理以去除盐度的峰值，并调整滞后的传感器响应，最后由流体静力学方程从海底到海表面积分计算出SSH0，具体计算公式如下：
[0060]
[0061] 其中，方程式的三项分别代表了该浮标点位的底部压力、动力高度以及由海表面引起的海面压力和大气压力，分别需要由底部压力计(BPR)、具有CTD的系泊装置和气压计来提供。在本方案中，波浪能剖面浮标阵列能够依赖自身的传感器组(气压计‑剖面CTD仪‑底部压力计)推导出等效全深度的立体海面高度。
[0062] (2)计算SSH1。同理基于波浪能剖面浮标自身的传感器组(气压计‑剖面CTD仪‑压力计)推导出第二个浮标点位的等效全深度的立体海面高度SSH1。
[0063] (3)计算SSH1GNSS。首先将步骤a)和步骤b)得到的立体海面高度(SSH0和SSH1)进行比较计算出相对海面高度差Δ，利用二者的差异消除掉CTD等衍生的空间高度误差。其中Δ的计算公式为：
[0064] Δ＝SSH1‑SSH0 (5)
[0065] 其次将近岸高精度全深度立体高度SSHGNSS和相对海面高度差Δ联合计算出GNSS GNSSSSH1 ，实现高精度海面高度的外推。其中SSH1 的计算公式为：
[0066]
[0067] (4)沿飞机的航行路线不断重复以上步骤，直到所有的浮标点位均计算完毕，构建GNSS与机载航线同步的高精度海面高度定标参考数据集{SSHi }；
[0068] 4.沿飞机飞行航线计算校验误差值ΔEi，具体为：
[0069] (1)分别通过大型无人机所搭载的GNSS天线和机载雷达高度计获取飞机飞行的高GNSS度数据集{Hi }和载荷观测高度数据集{ΔLi}。
[0070] (2)联合海面高度定标参考数据集{SSHi GNSS}、机身高度数据集{HiGNSS}和机载雷达高度计观测数据集{ΔLi}联合解算校验误差值ΔEi，计算公式如下：
[0071]
[0072] 5.实现机载Ku/Ka双频合成孔径雷达高度计的定标检验，具体为：
[0073] (1)沿飞机飞行航线获取机载Ku/Ka双频合成孔径雷达高度计的实际观测数据集，并不断重复步骤4)计算出相应的校验误差值ΔEi。
[0074] (2)由校验误差值ΔEi对机载雷达高度计所观测到的高度数据依次进行校正，提高机载高度计载荷在深远海区域定标结果的精确度。
[0075] 实施例2：应用实例
[0076] 以实施例1为基础，在中国南海海域布设海空三维观测网络，图3是波浪能剖面浮标于2023年4月17日定点采集到的温度剖面数据，在进行数量控制后，得到了10个完整剖面；由图可知海表和海底有较大的温度差异，最大的温差达到10℃，且温跃层较深，上界深度在110m附近，下界深度在150～180m深度处；实验证明波浪能剖面浮标测量结果准确，能够以较高精度帮助高度计产品完成检验误差的定量化分析。
[0077] 在上述实施例的基础上，本发明继续对其中涉及到的技术特征及该技术特征在本发明中所起到的功能、作用进行详细的描述，以帮助本领域的技术人员充分理解本发明的技术方案并且予以重现。
[0078] 最后，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
