一种可用于云端实时解算的GNSS浮标数据处理装置和方法

技术领域

本发明涉及潮汐和波浪测量浮标技术领域，具体涉及一种采用GNSS技术的、可用于云端实时测量潮汐和波浪的方法和设备。

背景技术

潮汐和海浪对于海洋防灾减灾、科学研究、海上活动等有重要意义，在全球加速变暖的背景下，对沿海居民的生产生活影响更加显著，因此潮汐和波浪的精确测量和描述意义重大，已经成为我国海洋站的重要业务化观测内容，也是许多海洋科研机构以及海洋开发单位的重点观测目标。全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)浮标是一种伴随卫星导航定位发展而诞生的测量装备，自上世纪九十年代开始首先应用于卫星高度计的海上定标工作，并发展为一种既可以测量潮汐信号又可以同步测量波浪信息的新型仪器。其主要特点是布放灵活，可以满足无海洋站情况下的潮汐和波浪测量，且测量成本较传统方法低。

然而，目前国内外对GNSS浮标的数据处理大多使用后处理形式的动态相对定位(Post-Processed Kinematic,PPK)或精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)等方法。原始的测量数据需要在任务结束后从设备中导出，再使用软件进行解算。这无疑造成了潮汐和波浪测量结果的滞后，对于海洋灾害预报、应急保障等实时性需要较高的行业，显然是无法接受的。

为了解决传统GNSS浮标的测量结果滞后性的问题，本申请提出一种可在云端解算的实时GNSS浮标数据处理方法，以及为了实现该方法所设计和使用的装置。

发明内容

本发明为一种可在云端解算的实时GNSS浮标数据处理方法，以及为了实现该方法所设计和使用的装置。

本发明解决其技术问题的具体方案为：一种可用于云端实时解算的GNSS浮标数据处理装置，包括海面上布设GNSS浮标，浮标安置GNSS板卡或GNSS接收机，并安装有数据编码模块和3G/4G/5G或无线电台通讯模块。

采用上述装置的数据处理方法，包括以下步骤：

(1)浮标上的GNSS板卡或GNSS接收机采集GNSS观测数据；

(2)浮标上的数据编码模块将采集到的GNSS观测数据编码为Ntrip协议支持的数据流(如RTCM、CMR、CMR+、NCT等)；

(3)以GNSS浮标作为Ntrip Server，通过浮标上的通讯模块，将经步骤(2)编码过的观测数据流发送至一台Ntrip Caster服务器；

(4)负责GNSS浮标数据解算的服务器访问步骤(3)中的同一台Ntrip Caster服务器，获取GNSS浮标观测数据流，并对该数据流进行解码，获得原始的GNSS测量数据；

(5)步骤(4)中负责GNSS浮标数据解算的服务器同时也访问提供RTK(Real-TimeKinematic)或PPP-RTK服务的Ntrip Caster服务器，获得GNSS浮标处的GNSS误差改正数；

(6)步骤(3)-(5)中负责GNSS浮标数据解算的服务器在解算GNSS浮标数据时，将步骤5获得的误差改正数应用到解算中，获得高精度的GNSS浮标的坐标；

(7)基于步骤(6)计算的高精度的GNSS浮标坐标，进一步计算得到浮标所在海域的海面高(Sea Surface Height，SSH)、有效波高(Significant Wave Height，SWH)、波长(Wavelength)等信息。

本发明的特点及有益效果为：

(1)步骤(3)的Ntrip Caster服务器和步骤(4)-(7)的GNSS浮标数据解算服务器都可部署在云端，服务器的数量和性能可随着需要解算的GNSS浮标的数量调整；

(2)GNSS浮标的数据解算软件可部署在云端，用户不需要在自己的计算机上安装和运行数据解算软件，减少了用户的学习和使用成本；

(3)GNSS浮标上无需安装复杂的数据处理模块，成本和功耗都比较低；

(4)浮标的GNSS观测数据以Ntrip协议传输，无需定义新的数据传输协议，可使用业界已有的硬件和软件；

(5)GNSS浮标的数据解算实时进行，可以及时获得浮标布设海域的海面潮汐和波浪参数；

(6)GNSS浮标的数据传输采用3G/4G/5G或无线电台通讯，原始数据和测量结果都可从服务器下载，避免了传统的连接USB数据接口、插拔SD存储卡等数据导出方式，用户使用更加便捷，设备防水性能也更好。

附图说明

图1为本发明整体架构图；

图2为使用本发明测量得到的实时SSH时间序列图；

图3为使用本发明测量得到的实时SWH时间序列图；

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示为本发明的整体架构图，本发明提供一种可用于云端实时解算的GNSS浮标数据处理装置及处理方法，其中，处理装置包括海面上布设GNSS浮标，浮标安置GNSS板卡或GNSS接收机，并安装有数据处理模块和3G/4G/5G或无线电台通讯模块。

采用上述处理装置的数据处理方法，包括以下步骤：

(1)浮标上的GNSS板卡或GNSS接收机采集GNSS观测数据；

(2)浮标上的数据编码模块将采集到的GNSS观测数据编码为Ntrip协议支持的数据流(如RTCM、CMR、CMR+、NCT等)；

(3)以GNSS浮标作为Ntrip Server，通过浮标上的通讯模块，将经步骤(2)编码过的观测数据流发送至一台Ntrip Caster服务器；

(4)负责GNSS浮标数据解算的服务器访问步骤(3)中的同一台Ntrip Caster服务器，获取GNSS浮标观测数据流，并对该数据流进行解码，获得原始的GNSS测量数据；

(5)步骤(4)中负责GNSS浮标数据解算的服务器同时也访问提供RTK(Real-TimeKinematic)或PPP-RTK服务的Ntrip Caster服务器，获得GNSS浮标处的GNSS误差改正数；

(6)步骤(3)-(5)中负责GNSS浮标数据解算的服务器在解算GNSS浮标数据时，将步骤5获得的误差改正数应用到解算中，获得高精度的GNSS浮标的坐标；

(7)基于步骤(6)计算的高精度的GNSS浮标坐标，进一步计算得到浮标所在海域的海面高(Sea Surface Height，SSH)、有效波高(SignificantWave Height，SWH)、波长(Wavelength)等信息。

其中，步骤(3)的Ntrip Caster服务器和步骤(4)-(7)的GNSS浮标数据解算服务器都可部署在云端，服务器的数量和性能可随着需要解算的GNSS浮标的数量调整。

GNSS浮标的数据解算软件也可部署在云端，用户不需要在自己的计算机上安装和运行数据解算软件，原始数据和解算结果可直接从数据解算服务器下载。

为了实施和验证本发明，2023年3月22日，在青岛小麦岛海域进行了为期两小时的实验，实验时在小麦岛海域布设了一个GNSS浮标，浮标具有数据编码和4G传输模块，可以将其中的GNSS接收机采集的数据以Ntrip协议发送至一台运行Ntrip Caster软件的云服务器上。在岸边架设一台GNSS接收机作为单基站RTK的参考站，参考站的坐标事先已使用精密GNSS数据处理软件获得。参考站的数据也通过Ntrip协议发送至一台运行Ntrip Caster的云服务器，我们使用一台笔记本电脑进行GNSS浮标数据解算，在其上运行RTK软件，以GNSS浮标作为流动站，以单基站RTK接收机作为参考站，获得了GNSS浮标实时的海面高(SSH)、有效波高(SWH)等。

为了验证本次实验所得的成果，在GNSS浮标附近同时布设了一台由荷兰Datawell公司开发的基于加速度计的波浪骑士浮标(Waverider)，该设备每30分钟输出一个SWH测量结果，测量精度约5cm。

其中，图2为使用本发明测量得到的实时SSH时间序列图，从图2可以看出，从本发明获得的实时SSH可以看出较明显的海面潮汐变化。

图3为使用本发明测量得到的实时SWH时间序列图，图3反映了本发明测量的实时SWH与波浪骑士测量结果的一致性较好。事实上，实验期间的由GNSS浮标测得的平均SWH为0.50m，波浪骑士测得的平均SWH为0.53m，二者相差0.03m，可认为是正常的测量误差，这充分证明了本发明所提出的数据处理方法和设备的潮汐和波浪测量结果的准确性与可靠性。