GNSS浪潮參數反演方法與應用

單 瑞

1. 中國地質調查局青島海洋地質研究所,山東 青島 266237; 2. 同濟大學測繪與地理信息學院,上海 200092

論文系統研究了基于GNSS技術的海洋波浪和潮汐參數反演方法,內容涵蓋GNSS浪潮參數反演基礎理論、海洋動態環境精密單點定位(PPP)及測速性能評估、GNSS波浪測量及特征參數反演方法與驗證、GNSS潮汐測量分析預報方法及應用等,主要研究內容和結論如下。

(1) 優選了適用于GNSS浮標波浪潮位測量的PPP及精密單點測速模型。采用無電離層組合模型時,事后PPP的E、N、U方向的定位精度分別為0.085、0.027、0.057 m;基于北斗PPP-B2b服務的海洋動態實時PPP在46 min后可實現N、E、U 3個方向上的整體首次收斂,E、N、U方向的定位精度分別為0.092、0.026、0.061 m。采用高頻GNSS觀測數據時,載波相位歷元差分(time-differenced carrier phases,TDCP)測速模型具有更高的動態測速精度,尤其是在浮標等低機動運動載體上可以達到2～3 cm/s的測速精度,并且通過單頻接收機即可實現。

(2) 分別采用統計分析法和頻譜分析法進行了波高、周期參數反演,并與現有行業最高測量精度的波浪騎士浮標進行了比測及精度驗證;跨零法結果表明,通過兩款浮標記錄的波面位移反演得到的有效波高相差4 cm,有效波周期相差0.58 s,平均波高相差1 cm,平均波周期相差1 s;經周期圖法得到的波浪特征值結果表明,兩套浮標反演得到的有效波高相差1 cm,有效波周期相差0.2 s,平均波高相差1 cm,平均周期相差0.9 s;頻譜分析法顯著提升了有效波波高、周期參數反演的精度水平。

(3) 在波浪方向譜分析方面,通過GNSS浮標速度構建方向譜時,利用速度頻譜結合傳遞函數得到位移頻譜的方法,有效避免了在時間域采用速度直接積分變換位移時存在的累積誤差影響;采用三參數方向譜時,GNSS浮標位移數據反演得到的結果與波浪騎士浮標結果平均差-4.75°,GNSS浮標速度數據反演得到的結果與波浪騎士浮標結果平均差-3.75°,符合相關行業測量規范要求;另外,綜合利用GNSS浮標三維位移與速度信息,得到了分辨率更高的六參數方向譜。

(4) 利用GNSS浮標開展了定點式潮汐測量分析及預報研究工作;引入人工蜂群優化BP神經網絡算法實現短期余水位預測,并修正了調和分析預報的天文潮位;基于30 d GNSS浮標實測數據,對未來7.5 d的潮位預報精度從9.4 cm提升到3.2 cm,效果顯著;引入分潮信息時頻域相關性指標,統計結果表明,經余水位修正后的預報潮位與實測潮位在全日潮族時頻域上的相關性得到顯著提升;在此基礎上,探索了在時間域直接對潮汐進行短時預報,基于10 d GNSS浮標實測數據,對未來72 h的潮位短時預報精度相對于GNSS浮標實測潮位為5.82 cm。

(5) 結合船載GNSS數據,開展走航式潮位測量應用試驗,重點研究了GNSS短期失效時PPP/INS組合模式下的無驗潮水深測量;與采用預報潮位改正模式相比,基于PPP/INS緊組合解的遠海無驗潮水深測量模式,可獲得精度更高的成果水深數據,在水深大于50 m的海域,其水深測量準確度可達0.14 m;同時,可有效解決GNSS短期失效帶來的在航潮位數據缺失問題。