全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）在海洋觀測中的新應(yīng)用

楊凡 王和鋒

1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266003

2.國家海洋局珠海海洋環(huán)境監(jiān)測中心站 廣東 珠海 519000

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）在海洋觀測中的新應(yīng)用

楊凡1王和鋒2

1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266003

2.國家海洋局珠海海洋環(huán)境監(jiān)測中心站 廣東 珠海 519000

在目前海洋觀測業(yè)務(wù)上，新開展的GPS業(yè)務(wù)化海洋觀測以其全天候、全球覆蓋、三維定速定時高精度、快速省時高效率等主要特點，為海洋觀測提供了更精確、更專業(yè)、更可靠的觀測手段。GPS業(yè)務(wù)化海洋觀測主要有：沿海定位、海平面觀測（驗潮）、海氣交換（水汽含量監(jiān)測）、沿海以及海底地殼形變監(jiān)測。

GPS；海洋觀測

一. 概述

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）是目前應(yīng)用最廣泛的全球精密導(dǎo)航、指揮和調(diào)度系統(tǒng)。用GPS信號可以進行海、空和陸地的導(dǎo)航，導(dǎo)彈的制導(dǎo)，大地測量和工程測量的精密定位，時間的傳遞和速度的測量等。GPS技術(shù)已發(fā)展成多領(lǐng)域（陸地、海洋、航空航天）、多模式（GPS、DGPS、LADGPS、WADGPS等）、多用途（在途導(dǎo)航、精密定位、精確定時、衛(wèi)星定軌、災(zāi)害監(jiān)測、資源調(diào)查、工程建設(shè)、市政規(guī)劃、海洋開發(fā)、交通管制等）、多機型（測地型、定時型、手持型、集成型、車載式、船載式、 機載式、星載式、彈載式等）的高新技術(shù)國際性產(chǎn)業(yè)。

二. GPS技術(shù)特點

1.GPS定位原理

GPS 衛(wèi)星主要有28顆，在6個不同的軌道平面20,180公里高空繞地球運轉(zhuǎn)，相鄰軌道平面成60度夾角，每個軌道平面與赤道成55度角。每一顆衛(wèi)星繞地球運行一周時間近12小時，由于地球自轉(zhuǎn)，每24小時（準確為23小時56分）后，衛(wèi)星將回到地球同一點的上空。衛(wèi)星信號能在衛(wèi)星有效范圍內(nèi)的任一點上接收到。GPS系統(tǒng)采用高軌測距體制，以觀測站至GPS衛(wèi)星之間的距離作為基本觀測量。為了獲得距離觀測量，主要采用兩種方法：一是測量GPS衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達用戶接收機的傳播時間，即偽距測量；一是測量具有載波多普勒頻移的GPS衛(wèi)星載波信號與接收機產(chǎn)生的參考載波信號之間的相位差，即載波相位測量。采用偽距觀測量定位速度最快，而采用載波相位觀測量定位精度最高。通過對4顆或4顆以上的衛(wèi)星同時進行偽距或相位的測量即可推算出接收機的三維位置。

2.GPS技術(shù)特點

（1）應(yīng)用實踐已經(jīng)證明，GPS相對定位精度在50km以內(nèi)可達10-6，100～500km可達10-7，1000km可達10-9。此外，GPS可為各類用戶連續(xù)地提供高精度的三維位置、三維速度和時間信息。

（2）目前，20km以內(nèi)相對靜態(tài)定位，僅需15～20min；快速靜態(tài)相對定位測量時，當(dāng)每個流動站與基準站 相距在15km以內(nèi)時，流動站觀測時間只需1～2min，然后可隨時定位。

（3）由于GPS衛(wèi)星數(shù)目較多且分布合理，所以在地球上任何地點均可連續(xù)同步地觀測到至少4顆衛(wèi)星，從而保障了全球、全天候連續(xù)實時導(dǎo)航與定位的需要。

三. 國內(nèi)外發(fā)展情況

1. 國外發(fā)展情況：因應(yīng)海面上升的影響，IGS于2001-2005年期間成立了海面變化監(jiān)測工作組——GPS Tide Gauge Benchmark Monitoring，簡稱TIGA。其目的是利用沿海驗潮站和鄰近的IGS站資料，準確地獲取海面變化信息，研究近20年來海面變化趨勢。該工作組匯集了國際主要研究機構(gòu)的眾多科學(xué)家，成立了6個獨立的TIGA數(shù)據(jù)分析中心，囊括了全球所有能夠收集到的GPS+驗潮資料。

2. 國內(nèi)發(fā)展情況“九五”國家重大科學(xué)工程項目——地殼形變觀測網(wǎng)絡(luò)，在全國布設(shè)了27個連續(xù)運行GPS站，每天傳送并處理一次數(shù)據(jù)，可以提供每天的水汽含量信息。中科院上海天文臺與上海氣象局、上海測繪院共同建設(shè)了16個站的GPS觀測網(wǎng)絡(luò)，具備GPS水汽監(jiān)測的功能，已進入業(yè)務(wù)化運行。

四. GPS技術(shù)在海洋觀測的新應(yīng)用

GPS連續(xù)運行觀測站，簡稱CORSContinuous Operation Reference Station,是國際上正在采用的重要對地觀測手段，主要用于地殼運動監(jiān)測、地球動力學(xué)研究、空間基準維持、大氣和海面變化監(jiān)測等方面。

1.提供潮汐觀測站站址的周、月、年變化率，監(jiān)測海平面實際變化

GPS業(yè)務(wù)化觀測，將提供沿海海洋站站址水平和垂直方向的周、月、年變化率，結(jié)合潮汐觀測數(shù)據(jù)，能夠準確地揭示沿海海平面的真實變化。目前，我國監(jiān)測海平面變化以驗潮資料為主，輔以衛(wèi)星測高資料。通過增加GPS連續(xù)運行觀測站，在海面變化監(jiān)測中有三大優(yōu)勢：①將沿海海洋站資料納入統(tǒng)一的參考框架中，綜合分析區(qū)域性海面的整體變化趨勢。②分離驗潮站基巖的垂直運動，準確地揭示海面的真實變化規(guī)律。③在沿岸和近海提供厘米級的定位服務(wù)，標定TOPEX/Poseidon等測高衛(wèi)星的系統(tǒng)性差異。結(jié)合驗潮站潮汐和水文氣象資料，準確反映海平面的變化。

2.及時提供沿海大氣水汽含量變化信息，為海洋氣象預(yù)報服務(wù)

GPS數(shù)據(jù)處理中心每15分鐘能夠提供一次水汽變化信息以及沿海各海洋站上空水汽含量數(shù)據(jù)，這對災(zāi)害海洋天氣的監(jiān)測和預(yù)報非常有益。目前，短期天氣預(yù)報的準確性受制于初始水汽場，通過沿海GPS連續(xù)運行觀測站的建設(shè)，具有如下作用：①增加了實時水汽含量觀測值，提供了新的海洋環(huán)境信息。②基于海洋站觀測到的水汽變化信息，能準確地預(yù)報、監(jiān)測和掌握災(zāi)害性天氣的發(fā)生、發(fā)展和演化。③為海洋氣象預(yù)報實時提供初始的水汽場，以提高預(yù)報的準確度。

3.在線提供空間位置基準，為海岸帶和近海海洋調(diào)查服務(wù)

在海洋站上增設(shè)的GPS連續(xù)運行觀測站，構(gòu)成了海洋的空間基準，能夠為近海調(diào)查提供精密定位服務(wù)，也為海島調(diào)查提供統(tǒng)一基準，同時也為國內(nèi)外海洋劃界等勘測提供全球統(tǒng)一的參考框架。為海底和近岸地震等災(zāi)害的監(jiān)測和預(yù)報提供定量依據(jù)。由于地震與地殼運動有著密切的關(guān)系，地殼運動的監(jiān)測一直是地震預(yù)測預(yù)報研究的重要手段和依據(jù)。在沿海地區(qū)增設(shè)GPS連續(xù)運行觀測站，能夠高精度、實時、連續(xù)地獲取板塊間相互作用引起的地殼運動。

五. GPS業(yè)務(wù)化觀測的實現(xiàn)

1.建設(shè)目標

在沿海和主要島嶼建立全國統(tǒng)一的、高精度的GPS業(yè)務(wù)觀測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對海面變化、沿海地殼運動、水汽含量的動態(tài)監(jiān)測，獲取中國沿海海面變化與地殼運動特征以及水汽含量動態(tài)變化曲線，主要服務(wù)于海平面變化、海洋氣象預(yù)報和災(zāi)害天氣監(jiān)測，同時兼顧各種海洋調(diào)查和軍事應(yīng)用。目前南海區(qū)正在進行GPS觀測站站點位置選址。

2.GPS觀測站點地理環(huán)境要求以及選址

（1）觀測站點地理環(huán)境要求， GPS觀測站的地理位置最好處于相對空曠的沿海地區(qū)，四周無居民樓或者是微波站、無線電發(fā)射臺和高壓線、軍事雷達等干擾因素。GPS觀測站最好架建在穩(wěn)定塊體上避開容易產(chǎn)生振動的地帶 ，避開地質(zhì)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定地區(qū)和易受水淹或地下水位變化較大的地區(qū)。

（2）觀測站點選址，前已選址的監(jiān)測站點為：珠海站、閘坡站、臺山站、湛江站、硇洲站。除了珠海站地理位置處于居民樓附近，對GPS觀測數(shù)據(jù)準確度有一定的影響，其他站點所處的地理位置相對比較空曠，接收信號良好。

3.GPS觀測站點結(jié)構(gòu)以及觀測站點工作數(shù)據(jù)傳輸流程

觀測站點工作數(shù)據(jù)傳輸流程：

原始數(shù)據(jù)三級傳輸

臺站→海洋中心站（無線、專線）

海洋中心站→分局預(yù)報中心（專線）

分局預(yù)報中心→局預(yù)報中心 （專線）

處理數(shù)據(jù)傳輸

六. 結(jié)束語

當(dāng)前，由于GPS的技術(shù)特點，已經(jīng)發(fā)展成為一種成熟的對地觀測技術(shù)，在國家海洋局所屬的長期海洋站增設(shè)GPS連續(xù)運行觀測站，實現(xiàn)GPS觀測業(yè)務(wù)化運行，將為海洋科研、海洋管理和海洋服務(wù)開拓新的數(shù)據(jù)來源和擴大公眾服務(wù)范圍。

中國大陸沿海處于西太平洋地震帶中。受到太平洋板塊西移的沖壓、消減的影響，沿海地區(qū)出現(xiàn)1～2厘米/年的水平運動，面臨著海底和近岸地震災(zāi)害的潛在威脅，也面臨深海地震誘發(fā)海嘯的直接侵害。由于地震與地殼運動有著密切的關(guān)系，地殼運動的監(jiān)測一直是地震預(yù)測預(yù)報研究的重要手段和依據(jù)。在沿海地區(qū)增設(shè)GPS連續(xù)運行觀測站，能夠高精度、實時、連續(xù)地獲取板塊間相互作用引起的地殼運動，為研究地震活動的時空遷移規(guī)律、預(yù)測未來地震的地點和強度等科學(xué)問題提供定量的依據(jù)，這對于防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.006