海潮对 GNSS高精度测量影响的研究

董春来,路长城,郭淑艳,周 立

(1.淮海工学院,江苏连云港 222005;2.连云港市勘察测绘院有限公司,江苏连云港 222001)

海潮对 GNSS高精度测量影响的研究

董春来1,路长城2,郭淑艳1,周 立1

(1.淮海工学院,江苏连云港 222005;2.连云港市勘察测绘院有限公司,江苏连云港 222001)

随着 GNSS技术与数据处理方法的快速发展,GNSS技术已被广泛应用。其中,GNSS技术应用于地壳运动监测与高精度重点工程变形监测均已达到毫米级的精度,而海潮对 GNSS测站坐标、基线解算和天顶延迟的影响不可忽略。基于全球海潮模型和GAM IT软件分析,顾及中国近海海潮,主要研讨海潮对测站位移改正、基线向量解算的影响,并提出相应的对策分析。

GNSS;海潮;基线解算;测站坐标

一、海潮影响改正分析

海洋潮汐是海水在太阳和月亮的引潮力作用下所作的周期性涨落的一种自然现象。人类为了研究和掌握潮汐现象的自然规律,经过了大量试验分析与理论研讨,构建了系列海潮模型,如 SCHW80、CSR3.0、CSR4.0、FES952、TPX06、NAO99等 ,为研讨潮汐对 G NSS测站位移改正提供了基础理论[1]。

1)地球极潮改正。由地球自转产生的地球离心力使得地球发生形变,称为极潮。极移使自转轴在北极描出直径约 20 cm的圆,极潮位移取决于观测瞬间自转轴与地壳的交点位置,它随时间而变化,极潮引起的台站漂移约 1～2 cm,目前 GNSS的精度已达到毫米级,故应加以考虑。

2)大洋潮改正。由于日月引力作用,实际的海平面相对于平均海平面有周期性的潮汐变化,即海潮。地壳对海潮的这种海水质量重新分布所产生的弹性响应通常称为海潮负载[2]。它引起的台站位移要比固体潮的要小,约几个厘米,但规律性要差一些。

3)地球固体潮改正。摄动天体 (月亮、太阳)对弹性地球的引力作用,使地球表面产生周期性的涨落,称为地球固体潮现象。它使地球在地心与摄动天体的连线方向拉长,与连线垂线方向上趋于扁平。固体潮对测站的影响包含与纬度有关的长期偏移和主要由半日周期组成的周期项。若静态观测 24 h,周期项的大部分影响可平滑消除,但无法消除长期项[3]。

二、总体研究方法与思路

通过多年对 GNSS沿海定位测量理论技术的跟踪、研究及应用实践,对比分析国内外海潮模型和GNSS的理论和方法,在原有软件平台基础上,改进相关算法和程序,并根据测试结果,不断追加新的研究成果,从而形成新的研究思路。总体研究路线如图 1所示。

图 1 总体分析路线图

三、GNSS联测网的构建

为了研究海潮对 GNSS基线测量的影响,选取连云港区域 CORS基准站点连云港 (LYHG)与全球IGS基准站点北京 (BJFS)、上海 (SHAO)、武汉(WUHN)与长春 (CHAN)构成联测网,如图 2所示。其中,连云港 (LYHG)是 2006年建成并使用的CORS基准站点,位于连云港市淮海工学院校内,采用仪器为徕卡 GPS接收机。整个网中相对较长基线为上海 (SHAO)—长春 (CHAN),长度约为1 430 km;相对较短基线为上海 (SHAO)—连云港(LYHG),长度约为 430 km。其中,连云港(LYHG)—上海 (SHAO)为两点在沿海的基线;北京(BJFS)—武 汉 (WUHN)、北 京 (BJFS)—长 春(CHAN)为两点在内陆的基线;其他基线都是一点位于沿海,另一点位于内陆,有一定的代表性。

图 2 GNSS联测网示意图

四、海潮影响 GNSS高精度测量分析

分别下载 IGS国家永久性跟踪站北京 (BJFS)、上海 (SHAO)、武汉 (WUHN)与长春 (CHAN)和连云港 (LYHG)基准站点 2010年 016—046 d(1月 16日—2月 15日)为期 1个月的数据,选用麻省理工学院开发的 GAM IT软件和武汉大学开发的 COSAGPS平差软件进行基线解算和网平差,从几个方面进行了分析与比对。

1)选取周日潮与半日潮比较明显的 016 d(1月16日)的 1个单天数据,利用 IGS提供的精密星历,采用加入与不加入海潮改正分别解算。以长春 (CHAN)基准站坐标为加强约束,以 2 h为间隔进行基线求解,分别解算在一整天中基线分量在加入海潮前后的变化。分析可知,海潮对基线分量的影响在 1 d中具有周期性,而且,如果基线中包含的是内陆与沿海两站,测站间跨度越大,周期性越明显[4]。图 3反映了连云港 (LYAG)—长春 (CHAN)的基线分量变化情况。

2)对 5个站点 2010年 016—046 d为期 1个月的数据,分别采用加入和不加入海潮改正后利用GAM IT软件进行解算。固定长春 (CHAN)站进行基线解算。分析可知,海潮对连续观测的基线分量影响较小,短基线可忽略不计,尤其是垂直分量。连云港(LYGH)—长春 (CHAN)的基线分量变化如表 1所示。

图 3 连云港 (YHG)—长春 (CHAN)1 d中基线分量在加入海潮前后的变化(016 d)

表 1 连云港—长春的基线分量变化情况表 mm

3)运用 GNSS平差软件进行基线解算和网平差,分析海潮改正对测站坐标的影响。以长春(CHAN)为固定点,选用 COSAGPS软件对 GAM IT解算的基线结果进行整体平差求解加四个站坐标,通过比对1 d(016)、半个月 (016—030)、1个月(016—046)的基线结果进行平差,图表示例省略。分析可知,随着解算数据资料时间的增加,海潮改正对测站坐标的影响逐渐减小。

五、结 论

自 GNSS投入使用以来,以其全天候、高精度、全方位等特点被广泛应用于各行各业。GNSS高精度测量技术在全球板块运动、局部地壳运动、海平面变化和水汽监测中起着越来越重要的作用,它是地球动力学研究的一种重要手段[5]。

1)由于近海海潮的影响较大且复杂,因此对海潮改正的精度、可靠性和应用于 GNSS的有效性的评价也极为重要。本文在几种方案分析的计算中,都在 CSR4.0全球海潮模型基础上考虑了中国近海海潮图的影响。

2)以北京 (BJFS)、上海 (SHAO)、武汉 (WUHN)与长春 (CHAN)和连云港 (LYHG)测站为例计算并绘制了 1 d、半个月和 1个月的海潮位移改正图,分析了海潮对 GNSS测站位移的影响。结果表明,海潮对 GNSS测站的最大影响在 U方向可达±2 cm左右,远大于对 N、E方向的影响。这种影响不仅有着很强的周期性,且它的大小随着远离海洋而减小。

3)利用 GAM IT软件,采用三种不同的解算方案,计算了海潮对 GNSS基线向量的影响,并比较了两种不同的海潮改正模型所引起的差异。从计算结果可以看出,海潮对基线有毫米级的影响。

[1]段五杏,吴显兵.Sherneck海潮系数对中国 GPS网的适用性分析[J].测绘通报,2001(10):18-20.

[2]陈宪冬.GPS精密定位中的海潮负荷改正[J].西南交通大学学报,2006,41(4):429-433.

[3]周江存,孙和平.近海潮汐效应对测站位移的负荷影响[J].地球物理学进展,2007,22(5):1340-1344.

[4]郑祎,伍吉仓,王解先,等.GPS精密定位中的海潮位移改正[J].武汉大学学报:信息科学版,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

江苏省测绘科研项目(JSCHKY201005)

董春来(1963—),男,安徽安庆人,副教授,主要从事大地测量及数据处理等方面的教学与科研工作。