全球卫星定位系统（GPS）在海洋观测中的新应用

杨凡 王和锋

1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266003

2.国家海洋局珠海海洋环境监测中心站 广东 珠海 519000

全球卫星定位系统（GPS）在海洋观测中的新应用

杨凡1王和锋2

1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266003

2.国家海洋局珠海海洋环境监测中心站 广东 珠海 519000

在目前海洋观测业务上，新开展的GPS业务化海洋观测以其全天候、全球覆盖、三维定速定时高精度、快速省时高效率等主要特点，为海洋观测提供了更精确、更专业、更可靠的观测手段。GPS业务化海洋观测主要有：沿海定位、海平面观测（验潮）、海气交换（水汽含量监测）、沿海以及海底地壳形变监测。

GPS；海洋观测

一. 概述

全球定位系统（Global Positioning System，GPS）是目前应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。用GPS信号可以进行海、空和陆地的导航，导弹的制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间的传递和速度的测量等。GPS技术已发展成多领域（陆地、海洋、航空航天）、多模式（GPS、DGPS、LADGPS、WADGPS等）、多用途（在途导航、精密定位、精确定时、卫星定轨、灾害监测、资源调查、工程建设、市政规划、海洋开发、交通管制等）、多机型（测地型、定时型、手持型、集成型、车载式、船载式、 机载式、星载式、弹载式等）的高新技术国际性产业。

二. GPS技术特点

1.GPS定位原理

GPS 卫星主要有28颗，在6个不同的轨道平面20,180公里高空绕地球运转，相邻轨道平面成60度夹角，每个轨道平面与赤道成55度角。每一颗卫星绕地球运行一周时间近12小时，由于地球自转，每24小时（准确为23小时56分）后，卫星将回到地球同一点的上空。卫星信号能在卫星有效范围内的任一点上接收到。GPS系统采用高轨测距体制，以观测站至GPS卫星之间的距离作为基本观测量。为了获得距离观测量，主要采用两种方法：一是测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间，即伪距测量；一是测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波相位测量。采用伪距观测量定位速度最快，而采用载波相位观测量定位精度最高。通过对4颗或4颗以上的卫星同时进行伪距或相位的测量即可推算出接收机的三维位置。

2.GPS技术特点

（1）应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50km以内可达10-6，100～500km可达10-7，1000km可达10-9。此外，GPS可为各类用户连续地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息。

（2）目前，20km以内相对静态定位，仅需15～20min；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站 相距在15km以内时，流动站观测时间只需1～2min，然后可随时定位。

（3）由于GPS卫星数目较多且分布合理，所以在地球上任何地点均可连续同步地观测到至少4颗卫星，从而保障了全球、全天候连续实时导航与定位的需要。

三. 国内外发展情况

1. 国外发展情况：因应海面上升的影响，IGS于2001-2005年期间成立了海面变化监测工作组——GPS Tide Gauge Benchmark Monitoring，简称TIGA。其目的是利用沿海验潮站和邻近的IGS站资料，准确地获取海面变化信息，研究近20年来海面变化趋势。该工作组汇集了国际主要研究机构的众多科学家，成立了6个独立的TIGA数据分析中心，囊括了全球所有能够收集到的GPS+验潮资料。

2. 国内发展情况“九五”国家重大科学工程项目——地壳形变观测网络，在全国布设了27个连续运行GPS站，每天传送并处理一次数据，可以提供每天的水汽含量信息。中科院上海天文台与上海气象局、上海测绘院共同建设了16个站的GPS观测网络，具备GPS水汽监测的功能，已进入业务化运行。

四. GPS技术在海洋观测的新应用

GPS连续运行观测站，简称CORSContinuous Operation Reference Station,是国际上正在采用的重要对地观测手段，主要用于地壳运动监测、地球动力学研究、空间基准维持、大气和海面变化监测等方面。

1.提供潮汐观测站站址的周、月、年变化率，监测海平面实际变化

GPS业务化观测，将提供沿海海洋站站址水平和垂直方向的周、月、年变化率，结合潮汐观测数据，能够准确地揭示沿海海平面的真实变化。目前，我国监测海平面变化以验潮资料为主，辅以卫星测高资料。通过增加GPS连续运行观测站，在海面变化监测中有三大优势：①将沿海海洋站资料纳入统一的参考框架中，综合分析区域性海面的整体变化趋势。②分离验潮站基岩的垂直运动，准确地揭示海面的真实变化规律。③在沿岸和近海提供厘米级的定位服务，标定TOPEX/Poseidon等测高卫星的系统性差异。结合验潮站潮汐和水文气象资料，准确反映海平面的变化。

2.及时提供沿海大气水汽含量变化信息，为海洋气象预报服务

GPS数据处理中心每15分钟能够提供一次水汽变化信息以及沿海各海洋站上空水汽含量数据，这对灾害海洋天气的监测和预报非常有益。目前，短期天气预报的准确性受制于初始水汽场，通过沿海GPS连续运行观测站的建设，具有如下作用：①增加了实时水汽含量观测值，提供了新的海洋环境信息。②基于海洋站观测到的水汽变化信息，能准确地预报、监测和掌握灾害性天气的发生、发展和演化。③为海洋气象预报实时提供初始的水汽场，以提高预报的准确度。

3.在线提供空间位置基准，为海岸带和近海海洋调查服务

在海洋站上增设的GPS连续运行观测站，构成了海洋的空间基准，能够为近海调查提供精密定位服务，也为海岛调查提供统一基准，同时也为国内外海洋划界等勘测提供全球统一的参考框架。为海底和近岸地震等灾害的监测和预报提供定量依据。由于地震与地壳运动有着密切的关系，地壳运动的监测一直是地震预测预报研究的重要手段和依据。在沿海地区增设GPS连续运行观测站，能够高精度、实时、连续地获取板块间相互作用引起的地壳运动。

五. GPS业务化观测的实现

1.建设目标

在沿海和主要岛屿建立全国统一的、高精度的GPS业务观测网络，实现对海面变化、沿海地壳运动、水汽含量的动态监测，获取中国沿海海面变化与地壳运动特征以及水汽含量动态变化曲线，主要服务于海平面变化、海洋气象预报和灾害天气监测，同时兼顾各种海洋调查和军事应用。目前南海区正在进行GPS观测站站点位置选址。

2.GPS观测站点地理环境要求以及选址

（1）观测站点地理环境要求， GPS观测站的地理位置最好处于相对空旷的沿海地区，四周无居民楼或者是微波站、无线电发射台和高压线、军事雷达等干扰因素。GPS观测站最好架建在稳定块体上避开容易产生振动的地带 ，避开地质结构不稳定地区和易受水淹或地下水位变化较大的地区。

（2）观测站点选址，前已选址的监测站点为：珠海站、闸坡站、台山站、湛江站、硇洲站。除了珠海站地理位置处于居民楼附近，对GPS观测数据准确度有一定的影响，其他站点所处的地理位置相对比较空旷，接收信号良好。

3.GPS观测站点结构以及观测站点工作数据传输流程

观测站点工作数据传输流程：

原始数据三级传输

台站→海洋中心站（无线、专线）

海洋中心站→分局预报中心（专线）

分局预报中心→局预报中心 （专线）

处理数据传输

六. 结束语

当前，由于GPS的技术特点，已经发展成为一种成熟的对地观测技术，在国家海洋局所属的长期海洋站增设GPS连续运行观测站，实现GPS观测业务化运行，将为海洋科研、海洋管理和海洋服务开拓新的数据来源和扩大公众服务范围。

中国大陆沿海处于西太平洋地震带中。受到太平洋板块西移的冲压、消减的影响，沿海地区出现1～2厘米/年的水平运动，面临着海底和近岸地震灾害的潜在威胁，也面临深海地震诱发海啸的直接侵害。由于地震与地壳运动有着密切的关系，地壳运动的监测一直是地震预测预报研究的重要手段和依据。在沿海地区增设GPS连续运行观测站，能够高精度、实时、连续地获取板块间相互作用引起的地壳运动，为研究地震活动的时空迁移规律、预测未来地震的地点和强度等科学问题提供定量的依据，这对于防灾减灾具有重要意义。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.006