海潮對(duì) GNSS高精度測(cè)量影響的研究

董春來,路長(zhǎng)城,郭淑艷,周 立

(1.淮海工學(xué)院,江蘇連云港 222005;2.連云港市勘察測(cè)繪院有限公司,江蘇連云港 222001)

海潮對(duì) GNSS高精度測(cè)量影響的研究

董春來1,路長(zhǎng)城2,郭淑艷1,周 立1

(1.淮海工學(xué)院,江蘇連云港 222005;2.連云港市勘察測(cè)繪院有限公司,江蘇連云港 222001)

隨著 GNSS技術(shù)與數(shù)據(jù)處理方法的快速發(fā)展,GNSS技術(shù)已被廣泛應(yīng)用。其中,GNSS技術(shù)應(yīng)用于地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)與高精度重點(diǎn)工程變形監(jiān)測(cè)均已達(dá)到毫米級(jí)的精度,而海潮對(duì) GNSS測(cè)站坐標(biāo)、基線解算和天頂延遲的影響不可忽略?；谌蚝３蹦Ｐ秃虶AM IT軟件分析,顧及中國(guó)近海海潮,主要研討海潮對(duì)測(cè)站位移改正、基線向量解算的影響,并提出相應(yīng)的對(duì)策分析。

GNSS;海潮;基線解算;測(cè)站坐標(biāo)

一、海潮影響改正分析

海洋潮汐是海水在太陽(yáng)和月亮的引潮力作用下所作的周期性漲落的一種自然現(xiàn)象。人類為了研究和掌握潮汐現(xiàn)象的自然規(guī)律,經(jīng)過了大量試驗(yàn)分析與理論研討,構(gòu)建了系列海潮模型,如 SCHW80、CSR3.0、CSR4.0、FES952、TPX06、NAO99等 ,為研討潮汐對(duì) G NSS測(cè)站位移改正提供了基礎(chǔ)理論[1]。

1)地球極潮改正。由地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的地球離心力使得地球發(fā)生形變,稱為極潮。極移使自轉(zhuǎn)軸在北極描出直徑約 20 cm的圓,極潮位移取決于觀測(cè)瞬間自轉(zhuǎn)軸與地殼的交點(diǎn)位置,它隨時(shí)間而變化,極潮引起的臺(tái)站漂移約 1～2 cm,目前 GNSS的精度已達(dá)到毫米級(jí),故應(yīng)加以考慮。

2)大洋潮改正。由于日月引力作用,實(shí)際的海平面相對(duì)于平均海平面有周期性的潮汐變化,即海潮。地殼對(duì)海潮的這種海水質(zhì)量重新分布所產(chǎn)生的彈性響應(yīng)通常稱為海潮負(fù)載[2]。它引起的臺(tái)站位移要比固體潮的要小,約幾個(gè)厘米,但規(guī)律性要差一些。

3)地球固體潮改正。攝動(dòng)天體 (月亮、太陽(yáng))對(duì)彈性地球的引力作用,使地球表面產(chǎn)生周期性的漲落,稱為地球固體潮現(xiàn)象。它使地球在地心與攝動(dòng)天體的連線方向拉長(zhǎng),與連線垂線方向上趨于扁平。固體潮對(duì)測(cè)站的影響包含與緯度有關(guān)的長(zhǎng)期偏移和主要由半日周期組成的周期項(xiàng)。若靜態(tài)觀測(cè) 24 h,周期項(xiàng)的大部分影響可平滑消除,但無法消除長(zhǎng)期項(xiàng)[3]。

二、總體研究方法與思路

通過多年對(duì) GNSS沿海定位測(cè)量理論技術(shù)的跟蹤、研究及應(yīng)用實(shí)踐,對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外海潮模型和GNSS的理論和方法,在原有軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上,改進(jìn)相關(guān)算法和程序,并根據(jù)測(cè)試結(jié)果,不斷追加新的研究成果,從而形成新的研究思路。總體研究路線如圖 1所示。

圖 1 總體分析路線圖

三、GNSS聯(lián)測(cè)網(wǎng)的構(gòu)建

為了研究海潮對(duì) GNSS基線測(cè)量的影響,選取連云港區(qū)域 CORS基準(zhǔn)站點(diǎn)連云港 (LYHG)與全球IGS基準(zhǔn)站點(diǎn)北京 (BJFS)、上海 (SHAO)、武漢(WUHN)與長(zhǎng)春 (CHAN)構(gòu)成聯(lián)測(cè)網(wǎng),如圖 2所示。其中,連云港 (LYHG)是 2006年建成并使用的CORS基準(zhǔn)站點(diǎn),位于連云港市淮海工學(xué)院校內(nèi),采用儀器為徠卡 GPS接收機(jī)。整個(gè)網(wǎng)中相對(duì)較長(zhǎng)基線為上海 (SHAO)—長(zhǎng)春 (CHAN),長(zhǎng)度約為1 430 km;相對(duì)較短基線為上海 (SHAO)—連云港(LYHG),長(zhǎng)度約為 430 km。其中,連云港(LYHG)—上海 (SHAO)為兩點(diǎn)在沿海的基線;北京(BJFS)—武 漢 (WUHN)、北 京 (BJFS)—長(zhǎng) 春(CHAN)為兩點(diǎn)在內(nèi)陸的基線;其他基線都是一點(diǎn)位于沿海,另一點(diǎn)位于內(nèi)陸,有一定的代表性。

圖 2 GNSS聯(lián)測(cè)網(wǎng)示意圖

四、海潮影響 GNSS高精度測(cè)量分析

分別下載 IGS國(guó)家永久性跟蹤站北京 (BJFS)、上海 (SHAO)、武漢 (WUHN)與長(zhǎng)春 (CHAN)和連云港 (LYHG)基準(zhǔn)站點(diǎn) 2010年 016—046 d(1月 16日—2月 15日)為期 1個(gè)月的數(shù)據(jù),選用麻省理工學(xué)院開發(fā)的 GAM IT軟件和武漢大學(xué)開發(fā)的 COSAGPS平差軟件進(jìn)行基線解算和網(wǎng)平差,從幾個(gè)方面進(jìn)行了分析與比對(duì)。

1)選取周日潮與半日潮比較明顯的 016 d(1月16日)的 1個(gè)單天數(shù)據(jù),利用 IGS提供的精密星歷,采用加入與不加入海潮改正分別解算。以長(zhǎng)春 (CHAN)基準(zhǔn)站坐標(biāo)為加強(qiáng)約束,以 2 h為間隔進(jìn)行基線求解,分別解算在一整天中基線分量在加入海潮前后的變化。分析可知,海潮對(duì)基線分量的影響在 1 d中具有周期性,而且,如果基線中包含的是內(nèi)陸與沿海兩站,測(cè)站間跨度越大,周期性越明顯[4]。圖 3反映了連云港 (LYAG)—長(zhǎng)春 (CHAN)的基線分量變化情況。

2)對(duì) 5個(gè)站點(diǎn) 2010年 016—046 d為期 1個(gè)月的數(shù)據(jù),分別采用加入和不加入海潮改正后利用GAM IT軟件進(jìn)行解算。固定長(zhǎng)春 (CHAN)站進(jìn)行基線解算。分析可知,海潮對(duì)連續(xù)觀測(cè)的基線分量影響較小,短基線可忽略不計(jì),尤其是垂直分量。連云港(LYGH)—長(zhǎng)春 (CHAN)的基線分量變化如表 1所示。

圖 3 連云港 (YHG)—長(zhǎng)春 (CHAN)1 d中基線分量在加入海潮前后的變化(016 d)

表 1 連云港—長(zhǎng)春的基線分量變化情況表 mm

3)運(yùn)用 GNSS平差軟件進(jìn)行基線解算和網(wǎng)平差,分析海潮改正對(duì)測(cè)站坐標(biāo)的影響。以長(zhǎng)春(CHAN)為固定點(diǎn),選用 COSAGPS軟件對(duì) GAM IT解算的基線結(jié)果進(jìn)行整體平差求解加四個(gè)站坐標(biāo),通過比對(duì)1 d(016)、半個(gè)月 (016—030)、1個(gè)月(016—046)的基線結(jié)果進(jìn)行平差,圖表示例省略。分析可知,隨著解算數(shù)據(jù)資料時(shí)間的增加,海潮改正對(duì)測(cè)站坐標(biāo)的影響逐漸減小。

五、結(jié) 論

自 GNSS投入使用以來,以其全天候、高精度、全方位等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。GNSS高精度測(cè)量技術(shù)在全球板塊運(yùn)動(dòng)、局部地殼運(yùn)動(dòng)、海平面變化和水汽監(jiān)測(cè)中起著越來越重要的作用,它是地球動(dòng)力學(xué)研究的一種重要手段[5]。

1)由于近海海潮的影響較大且復(fù)雜,因此對(duì)海潮改正的精度、可靠性和應(yīng)用于 GNSS的有效性的評(píng)價(jià)也極為重要。本文在幾種方案分析的計(jì)算中,都在 CSR4.0全球海潮模型基礎(chǔ)上考慮了中國(guó)近海海潮圖的影響。

2)以北京 (BJFS)、上海 (SHAO)、武漢 (WUHN)與長(zhǎng)春 (CHAN)和連云港 (LYHG)測(cè)站為例計(jì)算并繪制了 1 d、半個(gè)月和 1個(gè)月的海潮位移改正圖,分析了海潮對(duì) GNSS測(cè)站位移的影響。結(jié)果表明,海潮對(duì) GNSS測(cè)站的最大影響在 U方向可達(dá)±2 cm左右,遠(yuǎn)大于對(duì) N、E方向的影響。這種影響不僅有著很強(qiáng)的周期性,且它的大小隨著遠(yuǎn)離海洋而減小。

3)利用 GAM IT軟件,采用三種不同的解算方案,計(jì)算了海潮對(duì) GNSS基線向量的影響,并比較了兩種不同的海潮改正模型所引起的差異。從計(jì)算結(jié)果可以看出,海潮對(duì)基線有毫米級(jí)的影響。

[1]段五杏,吳顯兵.Sherneck海潮系數(shù)對(duì)中國(guó) GPS網(wǎng)的適用性分析[J].測(cè)繪通報(bào),2001(10):18-20.

[2]陳憲冬.GPS精密定位中的海潮負(fù)荷改正[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2006,41(4):429-433.

[3]周江存,孫和平.近海潮汐效應(yīng)對(duì)測(cè)站位移的負(fù)荷影響[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2007,22(5):1340-1344.

[4]鄭祎,伍吉倉(cāng),王解先,等.GPS精密定位中的海潮位移改正[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版,2003,28(4):405-408.

[5]L IU Youwen,J IANG Weiping,ZHOU Xiaohui.Ocean Loading Tides Corrections of GPS Stations in Antarctica[J]. Geo-Spatial Information Science,2008,11(2):148-151.

On the Influence of Sea Tide on GNSS High Accuracy Survey

DONG Chunlai,LU Changcheng,GUO Shuyan,ZHOU Li

0494-0911(2011)02-0004-02

P229

B

2010-08-24

江蘇省測(cè)繪科研項(xiàng)目(JSCHKY201005)

董春來(1963—),男,安徽安慶人,副教授,主要從事大地測(cè)量及數(shù)據(jù)處理等方面的教學(xué)與科研工作。