远距离GNSS潮位测量精度的影响因素研究

王朝阳，周兴华，李延刚，梁冠辉，付延光

（1.山东科技大学 测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590；2.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061；3.国家海洋局东海分局，上海 200137）

远距离GNSS潮位测量精度的影响因素研究

王朝阳1,2，周兴华1,2，李延刚3，梁冠辉2，付延光1

（1.山东科技大学 测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590；2.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061；3.国家海洋局东海分局，上海 200137）

为实现远岸潮位精确监测，从天线类型、浮标姿态改正、数据处理模式等影响因素进行了远距离GNSS浮标潮位测量精度的分析研究。结果表明：相比于非扼流圈天线，采用扼流圈天线可有效提高GNSS浮标数据观测质量，获得较高精度的定位结果；姿态改正对浮标天线高误差达厘米级，潮位提取中可通过低通滤波器有效消除；远距离潮位测量（基线大于300 km）中PPP潮位精度整体优于PPK潮位；GNSS潮位测量精度受海况影响严重，四级海况以内，潮位测量精度优于10 cm，可以满足远距离潮位观测精度的要求。

GNSS潮位测量；天线类型；姿态改正；数据处理模式；远距离

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）和数据处理技术日趋成熟，GNSS浮标在验潮、海浪测量、海流提取、卫星高度计标定等方面得到了广泛应用[1-4]。为提高GNSS浮标海面测量精度，国内外学者对不同的影响因素进行分析研究。Watson等[5]分析了天线罩、姿态、系缆、盐度等因素对浮标测高精度的影响。赵建虎等[1]探讨了测量船在锚定和走航情况下瞬时水面高程信号改正方法及低通滤波器中最优截止频率的设定。闫龙浩等[6]分析研究了GPS浮标定标中基站观测时间、浮标姿态、温盐以及相位中心对卫星高度计标定精度的影响。

远距离动态GNSS数据处理主要有GNSS载波相位后处理技术 (post processing kinematic,PPK)和精密单点定位技术 (precise point positioning,PPP)。PPK在短距离作业模式下可以获得厘米级的高程精度，但随着作用距离的增大其定位误差增大；PPP不受作用距离的局限，在动态情况下垂向方向定位精度可以达到10 cm左右。GNSS浮标验潮主要集中在离岸较近或内航道水域，风浪较小，作业距离短，取得了较好的结果[7-8]。而对于远距离海域，观测环境恶劣、作业距离长，利用PPK和PPP技术能否获取高精度的潮位信息缺少相关研究。为此，本文基于PPK/PPP技术分析了不同天线类型对定位精度的影响；在远距离潮位测量时，浮标姿态改正、数据处理模式及海况等级对潮位精度的影响，以期弥补我国远距离潮位数据获取能力不足，提高监测观测能力。

1 数据处理方法

1.1 PPK定位

PPK定位采用的是基准站和流动站组合定位模式。与RTK技术相比，PPK不受无线电等因素影响，可事后采用IGS提供的精密星历进行数据处理，大大提高了其精度和作业距离。PPK定位的基本流程是：利用IGS提供的精密星历和钟差文件，联合基准站周边的IGS站解算出基准站在稳定参考框架下的坐标；考虑基准站和流动站间定位误差的空间相关性，采用载波相位测量的后处理差分定位技术获得流动站精确的三维坐标，其定位模式为

式中：Nir(t)为流动站起始相位模糊度；Cir(t)为流动站起始历元至观测历元的相位整周数；φir(t)为流动站相位观测的小数部分；dρ为同一观测历元各项残差。

1.2 PPP定位

PPP定位由美国喷气推进实验室（JPL）的Zumberge于1997年提出[9]，目前已广泛应用于科研和实践。该技术无需基准站，利用非差双频载波相位观测值，在初始化后进行单历元精密单点定位。本文采用事后处理模式，选用IGS提供的精密星历和钟差文件，然后以此为基础对单台接收机采集的相位观测值进行非差定位处理。主要计算过程是：采用双频观测值消除电离层影响，利用卫星钟差估计值消除卫星钟差项，卫星坐标利用精密星历计算，通过采用双频无电离层组合观测值组成观测方程：

式中：λ为波长；Δji,Ip(t)为电离层延迟；Δji,T(t)为对流层延迟；δρi(t)为钟差估计量；Nji为整周模糊度；Int (φ)i为整周计数；Fr(φ)i为不足一周的部分。

2 实验概况

本研究所选用的浮标体为直径10 m的海洋气象浮标，可抵御台风、暴雨等气象灾害，确保长时间、连续性、全天候工作。为保障GNSS浮标观测数据的可靠性和完整性，在浮标上安装了两套GNSS观测设备，分别为Trimble NetR9接收机和自主研制的数据采集器，二者均为双频GNSS接收机，可接收GPS、GLONASS和北斗信号，采用的天线分别为TRM29659.0型扼流圈天线和 NOV703GGG.R2型天线。此外，在浮标重心处安装TCM2.5型姿态仪，用于测量浮标瞬时横摇和纵摇，为GNSS验潮提供姿态改正参数。

浮标布放在我国东海海域附近，同时在温州、平潭架设GNSS观测站作为基准站。温州观测站采用的接收机为TOPCON NET-G3A，距离浮标布放点约300 km；平潭观测站采用的接收机为TOPCON NET-G5，距浮标布放点约300 km，作为备份基站。观测站采用的天线均为TPSCR.G3型扼流圈天线，可同时接收GPS和GLONASS卫星信号。GNSS浮标数据和基准数据观测时间均为2016年4月1日—4月30日，数据采样间隔1 s，卫星高度截止角设为5°。

3 潮位测量影响因素分析

3.1 天线类型对定位精度的影响分析

利用PPP定位技术分别对天宝和自研制数据采集器观测数据进行处理，获得天线相位中心在WGS84参考框架下的三维坐标。图1给出了2016年4月4日天宝和自研制数据采集器天线相位中心的高程变化。从图中可看出，天宝观测数据解算结果比较可靠，而自研制采集器观测数据的天线相位中心高程变化较大，粗差较多，解算结果精度较差。对两种数据结果的模糊度固定率进行了统计，天宝观测数据解算结果的模糊度固定率为90.27%，而自研制数据采集器解算结果仅为11.62%。

图1 天宝和自研制数据采集器天线相位中心高程变化

解算结果精度受到数据观测质量的影响，观测数据的多路径效应大、周跳多，将会造成数据解算中模糊度无法固定，结果精度差。为此，利用teqc软件统计了两套观测设备4月1日—4月30日的数据质量，从数据完整率（DAR），多路径效应（Mp）和观测值与周跳比（o/slps）三个指标进行比较分析。天宝观测数据的DAR为99%，而自研制数据采集器的DAR仅为22%。图2～图3分别给出了天宝和自研制数据采集器观测数据Mp和o/slps的统计结果。从图2中可看出，天宝观测数据的Mp值在0.3 m左右，且比较稳定；自研制数据采集器观测数据的Mp值在0.3～0.8 m左右，受海况影响其值波动较大。从图3可得出，自研制数据采集器观测数据o/slps值仅为23，而天宝观测数据o/slps值在200～1 200之间波动，当海况差时观测数据周跳多，o/slps较小。

图2 天宝和自研制数据采集器观测数据Mp对比

图3 天宝和自研制数据采集器观测数据o/slps对比

综合对天宝和自研制数据采集器观测数据的各质量指标比较得出，天宝观测数据质量明显优于自研制数据采集器结果，且天宝观测数据质量比较稳定可靠。由于两套观测设备所处的观测条件相同，分析两者数据质量差别较大是由所采用的天线类型造成的。自研制数据采集器采用的为非扼流圈天线，抗干扰能力差，多路径效应较大，且海上观测环境恶劣，导致观测数据周跳多，严重影响解算结果精度。

3.2 姿态改正对浮标潮位精度的影响分析

GNSS浮标受海浪影响其倾角不断发生变化，造成天线高误差随着浮标倾角变化而改变，进而影响到GNSS浮标潮位测量的精度。为了解浮标在波浪中的运动状态，安装姿态仪测量浮标三维姿态变化，用于改正瞬时浮标天线高。由于本文研究的GNSS浮标天线高较高，采用传统的静水测量法很难准确测量，为此，在布放浮标之前，利用GNSS浮标动态标定方法测量出浮标的天线高为9.664 m[10]。GNSS浮标潮位测量的主要计算过程是：剔除GNSS浮标解算结果中因模糊度无法固定而出现的粗差点，利用姿态改正数据对浮标天线高进行改正获得瞬时海面高程，采用低通滤波器滤除涌浪、噪声等短周期信号得到潮位变化信息。

为分析姿态改正对潮位精度的影响，对添加姿态改正和不添加姿态改正得到的潮位进行比较。图4给出了2016年4月4日天宝观测结果姿态改正数据添加前后的潮位对比，从图中可看出两者的潮位变化趋势一致，差异很小。图5为姿态改正数据添加前后的潮位差异，从图中可知两者差异在2 cm之内，平均偏差为1.58 cm，均方根误差为0.15 mm。对波浪信息和浮标倾角进行统计发现，当在2.2 m波高、7 s周期情况下浮标最大倾角为4.17°，在此情况下浮标的天线高差为2.45 cm。然而，由于波浪周期较短，波浪引起的天线高误差经低通滤波器滤除，对潮位精度的影响很小。

图4 姿态改正数据添加前后潮位对比

图5 姿态改正数据添加前后潮位差值

3.3 数据处理模式对浮标潮位精度的影响分析

利用PPK定位和PPP定位分别对天宝观测数据进行数据后处理，得到在两种定位模式下的潮位信息。由于温州观测站距离浮标较近，且观测数据可靠，在PPK数据处理中选作基准站。浮标布放点位于东海开阔海域，该区域附近没有长期验潮站，本文选用在该区域精度较高的NAO99.jb潮汐模型作为基准[11]，与上述两种定位技术所测的潮位数据进行比较，来验证PPK/PPP潮位测量的准确性。由于PPK/PPP潮位的高程系统与潮汐模型不同，对潮位数据进行比较之前将各潮位数据减去平均值。2016年4月4日PPK/PPP潮位与潮汐模型的比较结果见图6。从图中可看出，PPK/PPP潮位在波峰和波谷阶段与模型数据存在较大偏差，其余部分吻合较好；PPP潮位整体与潮汐模型吻合度较PPK潮位好，但部分时段PPK潮位精度优于PPP潮位精度。图7给出了PPK/PPP潮位和与潮汐模型比较所得的误差曲线，统计结果如表1所示。

图6 PPK/PPP潮位与NAO99.jb潮汐模型比较

GNSS浮标观测数据质量会受到海风浪等因素的影响，在海况较差的情况下甚至会出现卫星失锁情况，造成数据无法正常解算。为分析不同数据处理模式在不同海况下的精度差异，对2016年4月1日—4月30日PPK/PPP潮位与潮汐模型的日均方根误差进行统计，结果见图8。从图中发现PPP潮位日均方根误差小于10 cm占76.67%，最大值为13.92 cm，最小值为5.84 cm；PPK潮位日均方根误差多数大于10 cm，最大值达到15.41 cm，最小值为8.45 cm。从不同的海况对解算结果进行分析：4月8日—11日PPK/PPP潮位精度较高，这些天全天的有效波高都在1 m以下，多数时间的平均风速低于5 m/s；4月15日—19日PPK/PPP潮位精度较差，这些天的平均有效波高为1.51 m，平均风速为8.33 m/s，4月17日海况最差，全天平均有效波高为2.14 m，平均风速达到10.60 m/s。通过以上分析得出：当五级及以上海况，PPP潮位精度在10 cm以上，PPK潮位精度在14 cm以上；当二级及以下海况，PPP潮位精度优于6 cm，PPK潮位精度优于8 cm。

图7 PPK/PPP潮位与NAO99.jb潮汐模型误差曲线

表1 PPK/PPP潮位与NAO99.jb潮汐模型的结果比较

图8 PPK/PPP潮位与潮汐模型的日均方根误差统计

4 结论

本文基于PPK定位和PPP定位技术，开展了远距离GNSS潮位测量影响因素的相关研究。结果表明：在海上恶劣环境下，采用扼流圈天线可有效提高数据观测质量，对潮位测量精度有较大影响；浮标姿态对天线高误差影响达厘米级，潮位提取中可通过低通滤波器有效消除；远距离GNSS浮标潮位测量中采用PPP模式要优于PPK模式，四级海况以内，PPP潮位测量精度优于10 cm，满足潮位观测精度要求[12]，为远距离高精度潮位资料获取提供了一种参考手段。研究发现GNSS浮标潮位在波峰和波谷阶段的精度较差，如何提高该阶段的潮位精度以及在海况较差情况下如何提高数据观测质量仍需要进一步分析研究。

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Research on the Influence Factors in the Precision of Long Range GNSS Tidal Measurement

WANG Zhao-yang1,2,ZHOU Xing-hua1,2,LI Yan-gang3,LIANG Guan-hui2,FU Yan-guang1
1.Geomatic College,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,Shandong Province,China; 2.First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao 266061,Shandong Province,China; 3.East China Sea Branch of State Oceanic Administration,Shanghai 200137,China

In this paper,the precision of long range GNSS tidal level measurement is analyzed considering influence factors such as antenna type,buoy attitude correction,data processing mode in order to realize precise deep water tidal monitoring.Results show that compared with the common antenna,the choke coil antenna can effectively improve the quality of GNSS buoy observation data and obtain a high-precision positioning results. Attitude correction to the height of buoy antenna is able to reach the centimeter level,and can be efficiently eliminated by low pass filter in the process of tidal extraction.The overall accuracy of PPP tidal level measurement is better than that of the PPK tidal level measurement in long range tidal measurement(with baseline of more than 300 km).The precision of tidal level measurement is seriously affected by oceanic conditions,and should be better than 10 cm within state 4 oceanic condition,which can meet the accuracy requirement of long-range tidal level measurement.

GNSS tidal level measurement;antenna type;attitude correction;data processing mode;long range

P229

A

1003-2029（2017）03-0001-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.03.001

2017-02-09

自主星载高度计海面测高在轨绝对定标关键技术研究（2014DFA1710）

王朝阳（1989-），男，博士研究生，主要从事GNSS数据处理与GNSS气象学研究。E-mail：fiowzy@126.com