[发明专利]一种船体姿态计算方法及应用

权利要求书

1.一种船体姿态计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)利用船载GNSS天线、GNSS接收机观测GNSS信号信噪比：采集并存储各GNSS接收机发送的数据，提取各GNSS接收机对应的当前可见卫星信号载噪比C/N₀，然后计算信号信噪比SNR；

(2)反演GNSS天线距水面高度：对GNSS信号信噪比的波动项作Lomb Scargle周期谱分析得到相干频率，根据相干频率计算GNSS天线相位中心到水面的垂直高度；

(3)拟合船体姿态平面：将步骤(2)得到的GNSS天线相位中心到水面的垂直高度反演值与GNSS天线设计安装点距设计水线所在平面之间的高度值的差值作为样本集合，对描述船体姿态的三维平面进行最小二乘线性拟合，拟合出船体姿态平面，计算出横摇角度、纵摇角度和升沉位移；

步骤(2)的具体方法如下：

(1)GNSS信号信噪比SNR是卫星仰角e(t)的函数，可分解为由直射信号造成的趋势项tSNR，以及由直射信号与反射信号相干性造成的波动项dSNR，公式如下：

SNR(e(t))＝tSNR(e(t))+dSNR(e(t)) (2)

其中，t为观测时刻，e(t)为t时刻的卫星仰角，SNR(e(t))为对应不同时刻卫星仰角的信噪比时间序列，tSNR(e(t))为信噪比时间序列中由直射信号造成的趋势项，dSNR(e(t))为信噪比时间序列中由直射信号与反射信号相干性造成的波动项；

(2)从信噪比观测时间序列SNR中剔除tSNR(e(t))，tSNR(e(t))可用如下公式表示：

tSNR(e(t))＝c₀+c₁e(t)+c₂e(t)²+… (3)

对SNR和e(t)观测时间序列按照公式(3)进行二阶或三阶多项式拟合，求出系数c₀，c₁，c₂…，得到tSNR(e(t))；从公式(2)中剔除tSNR(e(t))，得到dSNR(e(t))；

(3)对波动项dSNR(e(t))进行Lomb Scargle周期谱分析，得到相干频率f，dSNR(e(t))可用如下公式表示：

dSNR(e(t))＝A_m(e(t))cos(2πfsin(e(t))+Φ) (4)

其中，A_m为波动项振幅，f为直射信号与反射信号的相干频率，Φ为直射信号与反射信号的相位偏移；

(4)利用如下公式计算GNSS天线相位中心到水面的垂直高度H_antenna：

H_antenna＝f·λ/2 (5)

其中，λ为卫星信号载波波长。

2.根据权利要求1所述的一种船体姿态计算方法，其特征在于，步骤(1)中，各GNSS天线安装点位的垂直高度无需一致，各安装点位在水平面内的投影不共线。

3.根据权利要求1所述的一种船体姿态计算方法，其特征在于，步骤(1)的具体方法如下：

由上位机采集并存储各GNSS接收机发送的NMEA标准格式数据，根据实际使用的GNSS接收机通信协议，若NMEA标准格式数据中的$GPGSV语句包含的是当前可见卫星信号载噪比C/N₀，则利用下式转换为信号信噪比SNR：