動態(tài)精密單點(diǎn)定位聯(lián)合衛(wèi)星測高求解潮位研究

羅孝文，高金耀，金翔龍，李家彪，初鳳友，吳招才

(國家海洋局第二海洋研究所，國家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州31001)

0 引言

長期以來，測量水域潮位一般是利用驗(yàn)潮站觀測潮位，通過潮位模型內(nèi)插得到。特殊水域，潮位的實(shí)際變化可能與構(gòu)造潮位模型的前提假設(shè)(潮位變化規(guī)律)不吻合，從而導(dǎo)致模型潮位與測量船所在位置的實(shí)際潮位存在比較大的偏差。對于不存在驗(yàn)潮站或無法設(shè)置驗(yàn)潮站的特殊水域，這種方法難以實(shí)施。極大地影響了測量的工效和成果的質(zhì)量。隨著GPS定位技術(shù)的進(jìn)步及定位設(shè)備在海洋領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，可以采用GPS技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)潮，國外在20世紀(jì)90年代初首次出現(xiàn)了GPS驗(yàn)潮的概念，并相繼開展了船載及浮球的驗(yàn)潮可行性試驗(yàn)，試驗(yàn)證明GPS驗(yàn)潮可以達(dá)到厘米級的精度。但是，在寬闊的海洋上，不能采用傳統(tǒng)的GPS定位模式。而GPS新技術(shù)動態(tài)精密單點(diǎn)定位(Precise Point Positioning，PPP)的出現(xiàn)和不斷完善，動態(tài)情況下實(shí)時提供厘米級垂直定位解成為可能，同時衛(wèi)星測高確定海平面精度也達(dá)到了厘米級，為GPS驗(yàn)潮技術(shù)在海洋上的應(yīng)用提供的新的機(jī)遇［1－7］。但是，對于動態(tài)PPP聯(lián)合衛(wèi)星測高確定潮高數(shù)據(jù)，國內(nèi)及國外相關(guān)的可以參考文獻(xiàn)較少。針對這個問題，本文簡單回顧常規(guī)驗(yàn)潮、GPS潮位測量、以及衛(wèi)星測高的理論和方法，并對GPS聯(lián)合衛(wèi)星測高確定潮位的原理及可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 常規(guī)潮位求解方法

潮位確定就是測量某固定點(diǎn)的水位隨時間的變化，實(shí)際上就是測量該點(diǎn)的水的深度變化。以潮汐為主的水位變化對水深測量有著直接影響，必須進(jìn)行改正，以得到相對一個固定垂直基準(zhǔn)的水深或高程。傳統(tǒng)的水位測定方法有水尺驗(yàn)潮法、井式驗(yàn)潮法、壓力式驗(yàn)潮法、超聲波驗(yàn)潮法等。

2 GPS PPP潮位求解

PPP潮位測量是將單臺雙頻GPS接收天線安置在船上，通過利用精密星歷和精密鐘差求解出測量船所處瞬時海面高度的一種潮位測量方法。

3 PPP聯(lián)合衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)確定確定潮位步驟

(1)利用單臺雙頻GPS接收機(jī)進(jìn)行測量，獲得GPS觀測數(shù)據(jù)。

(2)利用IGS發(fā)布的精密鐘差和精密星歷進(jìn)行事后處理，獲得GPS天線處瞬時三維坐標(biāo)。

(3)利用衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)計(jì)算獲得厘米級平均海平面(即大地水準(zhǔn)面。

(4)求解天線在船體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)、海面相對船體坐標(biāo)系原點(diǎn)的垂直距離，獲得海面的瞬時高程。

(5)通過濾波處理，最終獲得在航潮位。

4 算例及驗(yàn)證

為了說明動態(tài)PPP在潮位確定中的效果，本算例采用動態(tài)PPP確定所測位置WGS84大地高，聯(lián)合衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)確定的大地水準(zhǔn)面求解潮位數(shù)據(jù)。為了進(jìn)行分析、比較，采用了相關(guān)潮位數(shù)據(jù)管理部門的提供潮位數(shù)據(jù)。

4.1 數(shù)據(jù)描述

(1)GPS數(shù)據(jù)

采用了2008年5月5日某海域所觀測的測線。

(2)衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)

沒有對具體的衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，只采用了衛(wèi)星測高確定平均海平面的成熟產(chǎn)品，具體使用了黃渤海區(qū)域平均海平面數(shù)據(jù)，其統(tǒng)計(jì)精度在10cm以內(nèi)，分辨率為2’×2’。

(3)潮位數(shù)據(jù)

相關(guān)部門提供的潮位數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)處理步驟

(1)PPP定位數(shù)據(jù)處理

對動態(tài)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，2008年5月5日RMS統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示:

圖1 2008年5月5日PPP動態(tài)定位歷元RMS分布圖

從圖1可見，數(shù)據(jù)的RMS不大于6cm，說明求解精度可靠。

(2)國家海洋信息中心提供的潮位數(shù)據(jù)和動態(tài)PPP確定潮位數(shù)據(jù)的比較

為了對動態(tài)PPP確定的潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，首先對國家海洋局信息中心提供的潮位網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插處理，獲得相同地理位置和時間的潮位數(shù)據(jù);接著對兩者進(jìn)行對比。為了更好地說明潮位求解的效果，對2008年5月5日的測線分為3段進(jìn)行分析，如圖2所示:

圖2 GM022測線3段位置示意圖

圖2 中，GM022-1、GM022-2、GM022-3表示的位置離岸越來越近，其中GM022-3離岸最遠(yuǎn)。

PPP和模型求解潮位如圖3所示，所有測線兩種潮位數(shù)據(jù)趨勢一致，其中測線GM022-1利用PPP求解出的潮位數(shù)據(jù)和國家海洋局信息中心提供的潮位數(shù)據(jù)符合得比較好，而GM022-2和GM022-3兩種潮位數(shù)據(jù)符合度越來越差，相差一個常數(shù)項(xiàng)。其原因有可能是測線GM022-1離岸相對較遠(yuǎn)，模型求解出的潮位數(shù)據(jù)和衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)求解大地水準(zhǔn)面精度比較高，其符合度就比較好。當(dāng)離岸較近時，由于海底地形及海岸等因素的影響，模型確定潮位和衛(wèi)星測高求解的大地水準(zhǔn)面精度降低，GM022-2和GM022-3確定的潮位數(shù)據(jù)也反映出相應(yīng)的情況。

圖3 GM022測線3段潮位比較

5 結(jié)束語

本文回顧了常規(guī)的潮位求解方法、GPS確定潮位的原理，在此基礎(chǔ)上結(jié)合PPP動態(tài)定位和衛(wèi)星測高確定的平均海平面求解潮位。從算例可見，在離岸較遠(yuǎn)時，PPP結(jié)合衛(wèi)星測高確定潮位結(jié)果與模型結(jié)果符合較好，其它情況下其趨勢一致，但兩者之間存在一個常數(shù)項(xiàng)差異。這個差異有可能是所選的基準(zhǔn)以及模型所帶來誤差的結(jié)果。本文的工作將為下一步對潮位的精確求解研究打下基礎(chǔ)。

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