動態精密單點定位聯合衛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重點實驗室，浙江杭州31001)

0 引言

長期以來，測量水域潮位一般是利用驗潮站觀測潮位，通過潮位模型內插得到。特殊水域，潮位的實際變化可能與構造潮位模型的前提假設(潮位變化規律)不吻合，從而導致模型潮位與測量船所在位置的實際潮位存在比較大的偏差。對于不存在驗潮站或無法設置驗潮站的特殊水域，這種方法難以實施。極大地影響了測量的工效和成果的質量。隨著GPS定位技術的進步及定位設備在海洋領域的廣泛應用，可以采用GPS技術進行驗潮，國外在20世紀90年代初首次出現了GPS驗潮的概念，并相繼開展了船載及浮球的驗潮可行性試驗，試驗證明GPS驗潮可以達到厘米級的精度。但是，在寬闊的海洋上，不能采用傳統的GPS定位模式。而GPS新技術動態精密單點定位(Precise Point Positioning，PPP)的出現和不斷完善，動態情況下實時提供厘米級垂直定位解成為可能，同時衛星測高確定海平面精度也達到了厘米級，為GPS驗潮技術在海洋上的應用提供的新的機遇［1－7］。但是，對于動態PPP聯合衛星測高確定潮高數據，國內及國外相關的可以參考文獻較少。針對這個問題，本文簡單回顧常規驗潮、GPS潮位測量、以及衛星測高的理論和方法，并對GPS聯合衛星測高確定潮位的原理及可行性進行驗證。

1 常規潮位求解方法

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

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聯合衛星測高數據確定確定潮位步驟

(1)利用單臺雙頻GPS接收機進行測量，獲得GPS觀測數據。

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

(3)利用衛星測高數據計算獲得厘米級平均海平面(即大地水準面。

(4)求解天線在船體坐標系下的坐標、海面相對船體坐標系原點的垂直距離，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 算例及驗證

為了說明動態PPP在潮位確定中的效果，本算例采用動態PPP確定所測位置WGS84大地高，聯合衛星測高數據確定的大地水準面求解潮位數據。為了進行分析、比較，采用了相關潮位數據管理部門的提供潮位數據。

4.1 數據描述

(1)GPS數據

采用了2008年5月5日某海域所觀測的測線。

(2)衛星測高數據

沒有對具體的衛星測高數據進行處理，只采用了衛星測高確定平均海平面的成熟產品，具體使用了黃渤海區域平均海平面數據，其統計精度在10cm以內，分辨率為2’×2’。

(3)潮位數據

相關部門提供的潮位數據。

4.2 數據處理步驟

(1)PPP定位數據處理

對動態GPS數據進行處理，2008年5月5日RMS統計結果如圖1所示:

圖1 2008年5月5日PPP動態定位歷元RMS分布圖

從圖1可見，數據的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據和動態PPP確定潮位數據的比較

為了對動態PPP確定的潮位數據進行驗證，首先對國家海洋局信息中心提供的潮位網格數據進行內插處理，獲得相同地理位置和時間的潮位數據;接著對兩者進行對比。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。

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

圖3 GM022測線3段潮位比較

5 結束語

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

［1］ Anderson O B.Global ocean tides from ERS-1 and Topex/Poseidon Altimetry［J］.J Geophys Res，1995，100(12):25 249－25 260.

［2］ DeLoach，Stephen R.GPS Tides:A Project to Determine Tidal Datums with the Global Positioning System［D］.Fredericton:University of New Brunswick，1995.

［3］ Kouba J，Héroux P.Precise Point Positioning using IGS orbit and clock products［J］.GPS Solutions，2011，5(2):12 －28.

［4］ Zhang X，Andersen.Surface ice flow velocity and tide retrieval of the Amery ice shelf using precise point positioning［J］.J Geod，2006，80(4):171 －176.

［5］ Zumbergre J，Heflin M，Jefferson D，etal.Precise point positioning for the efficient and robust analysis of GPS data from large networks［J］.J Geophys Res，1997，102(3):5 005 －5 017.

［6］ Zwally H J，Schutz B，Abdalati W，etal.ICESat's laser measurements of polar ice，atmosphere，ocean，and land［J］.Journal of Geokinematics，2002，34(3，4):405 －445.

［7］ Zhang Zizhan.Theory and Applications of Satellite Altimetry and Gravity Data Assimilation［D］.Wuhan:Institute of Geodesy and Geophysics，Chinese Academy of Sciences(in Chinese)，2008.