动态精密单点定位联合卫星测高求解潮位研究

罗孝文，高金耀，金翔龙，李家彪，初凤友，吴招才

(国家海洋局第二海洋研究所，国家海洋局海底科学重点实验室，浙江杭州31001)

0 引言

长期以来，测量水域潮位一般是利用验潮站观测潮位，通过潮位模型内插得到。特殊水域，潮位的实际变化可能与构造潮位模型的前提假设(潮位变化规律)不吻合，从而导致模型潮位与测量船所在位置的实际潮位存在比较大的偏差。对于不存在验潮站或无法设置验潮站的特殊水域，这种方法难以实施。极大地影响了测量的工效和成果的质量。随着GPS定位技术的进步及定位设备在海洋领域的广泛应用，可以采用GPS技术进行验潮，国外在20世纪90年代初首次出现了GPS验潮的概念，并相继开展了船载及浮球的验潮可行性试验，试验证明GPS验潮可以达到厘米级的精度。但是，在宽阔的海洋上，不能采用传统的GPS定位模式。而GPS新技术动态精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)的出现和不断完善，动态情况下实时提供厘米级垂直定位解成为可能，同时卫星测高确定海平面精度也达到了厘米级，为GPS验潮技术在海洋上的应用提供的新的机遇［1－7］。但是，对于动态PPP联合卫星测高确定潮高数据，国内及国外相关的可以参考文献较少。针对这个问题，本文简单回顾常规验潮、GPS潮位测量、以及卫星测高的理论和方法，并对GPS联合卫星测高确定潮位的原理及可行性进行验证。

1 常规潮位求解方法

潮位确定就是测量某固定点的水位随时间的变化，实际上就是测量该点的水的深度变化。以潮汐为主的水位变化对水深测量有着直接影响，必须进行改正，以得到相对一个固定垂直基准的水深或高程。传统的水位测定方法有水尺验潮法、井式验潮法、压力式验潮法、超声波验潮法等。

2 GPS PPP潮位求解

PPP潮位测量是将单台双频GPS接收天线安置在船上，通过利用精密星历和精密钟差求解出测量船所处瞬时海面高度的一种潮位测量方法。

3 PPP联合卫星测高数据确定确定潮位步骤

(1)利用单台双频GPS接收机进行测量，获得GPS观测数据。

(2)利用IGS发布的精密钟差和精密星历进行事后处理，获得GPS天线处瞬时三维坐标。

(3)利用卫星测高数据计算获得厘米级平均海平面(即大地水准面。

(4)求解天线在船体坐标系下的坐标、海面相对船体坐标系原点的垂直距离，获得海面的瞬时高程。

(5)通过滤波处理，最终获得在航潮位。

4 算例及验证

为了说明动态PPP在潮位确定中的效果，本算例采用动态PPP确定所测位置WGS84大地高，联合卫星测高数据确定的大地水准面求解潮位数据。为了进行分析、比较，采用了相关潮位数据管理部门的提供潮位数据。

4.1 数据描述

(1)GPS数据

采用了2008年5月5日某海域所观测的测线。

(2)卫星测高数据

没有对具体的卫星测高数据进行处理，只采用了卫星测高确定平均海平面的成熟产品，具体使用了黄渤海区域平均海平面数据，其统计精度在10cm以内，分辨率为2’×2’。

(3)潮位数据

相关部门提供的潮位数据。

4.2 数据处理步骤

(1)PPP定位数据处理

对动态GPS数据进行处理，2008年5月5日RMS统计结果如图1所示:

图1 2008年5月5日PPP动态定位历元RMS分布图

从图1可见，数据的RMS不大于6cm，说明求解精度可靠。

(2)国家海洋信息中心提供的潮位数据和动态PPP确定潮位数据的比较

为了对动态PPP确定的潮位数据进行验证，首先对国家海洋局信息中心提供的潮位网格数据进行内插处理，获得相同地理位置和时间的潮位数据;接着对两者进行对比。为了更好地说明潮位求解的效果，对2008年5月5日的测线分为3段进行分析，如图2所示:

图2 GM022测线3段位置示意图

图2 中，GM022-1、GM022-2、GM022-3表示的位置离岸越来越近，其中GM022-3离岸最远。

PPP和模型求解潮位如图3所示，所有测线两种潮位数据趋势一致，其中测线GM022-1利用PPP求解出的潮位数据和国家海洋局信息中心提供的潮位数据符合得比较好，而GM022-2和GM022-3两种潮位数据符合度越来越差，相差一个常数项。其原因有可能是测线GM022-1离岸相对较远，模型求解出的潮位数据和卫星测高数据求解大地水准面精度比较高，其符合度就比较好。当离岸较近时，由于海底地形及海岸等因素的影响，模型确定潮位和卫星测高求解的大地水准面精度降低，GM022-2和GM022-3确定的潮位数据也反映出相应的情况。

图3 GM022测线3段潮位比较

5 结束语

本文回顾了常规的潮位求解方法、GPS确定潮位的原理，在此基础上结合PPP动态定位和卫星测高确定的平均海平面求解潮位。从算例可见，在离岸较远时，PPP结合卫星测高确定潮位结果与模型结果符合较好，其它情况下其趋势一致，但两者之间存在一个常数项差异。这个差异有可能是所选的基准以及模型所带来误差的结果。本文的工作将为下一步对潮位的精确求解研究打下基础。

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