羅孝文，高金耀，金翔龍，李家彪，初鳳友，吳招才

(國(guó)家海洋局第二海洋研究所，國(guó)家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州31001)

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，測(cè)量水域潮位一般是利用驗(yàn)潮站觀測(cè)潮位，通過(guò)潮位模型內(nèi)插得到。特殊水域，潮位的實(shí)際變化可能與構(gòu)造潮位模型的前提假設(shè)(潮位變化規(guī)律)不吻合，從而導(dǎo)致模型潮位與測(cè)量船所在位置的實(shí)際潮位存在比較大的偏差。對(duì)于不存在驗(yàn)潮站或無(wú)法設(shè)置驗(yàn)潮站的特殊水域，這種方法難以實(shí)施。極大地影響了測(cè)量的工效和成果的質(zhì)量。隨著GPS定位技術(shù)的進(jìn)步及定位設(shè)備在海洋領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，可以采用GPS技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)潮，國(guó)外在20世紀(jì)90年代初首次出現(xiàn)了GPS驗(yàn)潮的概念，并相繼開(kāi)展了船載及浮球的驗(yàn)潮可行性試驗(yàn)，試驗(yàn)證明GPS驗(yàn)潮可以達(dá)到厘米級(jí)的精度。但是，在寬闊的海洋上，不能采用傳統(tǒng)的GPS定位模式。而GPS新技術(shù)動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位(Precise Point Positioning，PPP)的出現(xiàn)和不斷完善，動(dòng)態(tài)情況下實(shí)時(shí)提供厘米級(jí)垂直定位解成為可能，同時(shí)衛(wèi)星測(cè)高確定海平面精度也達(dá)到了厘米級(jí)，為GPS驗(yàn)潮技術(shù)在海洋上的應(yīng)用提供的新的機(jī)遇［1－7］。但是，對(duì)于動(dòng)態(tài)PPP聯(lián)合衛(wèi)星測(cè)高確定潮高數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)及國(guó)外相關(guān)的可以參考文獻(xiàn)較少。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文簡(jiǎn)單回顧常規(guī)驗(yàn)潮、GPS潮位測(cè)量、以及衛(wèi)星測(cè)高的理論和方法，并對(duì)GPS聯(lián)合衛(wèi)星測(cè)高確定潮位的原理及可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 常規(guī)潮位求解方法

潮位確定就是測(cè)量某固定點(diǎn)的水位隨時(shí)間的變化，實(shí)際上就是測(cè)量該點(diǎn)的水的深度變化。以潮汐為主的水位變化對(duì)水深測(cè)量有著直接影響，必須進(jìn)行改正，以得到相對(duì)一個(gè)固定垂直基準(zhǔn)的水深或高程。傳統(tǒng)的水位測(cè)定方法有水尺驗(yàn)潮法、井式驗(yàn)潮法、壓力式驗(yàn)潮法、超聲波驗(yàn)潮法等。

2 GPS PPP潮位求解

PPP潮位測(cè)量是將單臺(tái)雙頻GPS接收天線安置在船上，通過(guò)利用精密星歷和精密鐘差求解出測(cè)量船所處瞬時(shí)海面高度的一種潮位測(cè)量方法。

3 PPP聯(lián)合衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)確定確定潮位步驟

(1)利用單臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量，獲得GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)。

(2)利用IGS發(fā)布的精密鐘差和精密星歷進(jìn)行事后處理，獲得GPS天線處瞬時(shí)三維坐標(biāo)。

(3)利用衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)計(jì)算獲得厘米級(jí)平均海平面(即大地水準(zhǔn)面。

(4)求解天線在船體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)、海面相對(duì)船體坐標(biāo)系原點(diǎn)的垂直距離，獲得海面的瞬時(shí)高程。

(5)通過(guò)濾波處理，最終獲得在航潮位。

4 算例及驗(yàn)證

為了說(shuō)明動(dòng)態(tài)PPP在潮位確定中的效果，本算例采用動(dòng)態(tài)PPP確定所測(cè)位置WGS84大地高，聯(lián)合衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)確定的大地水準(zhǔn)面求解潮位數(shù)據(jù)。為了進(jìn)行分析、比較，采用了相關(guān)潮位數(shù)據(jù)管理部門的提供潮位數(shù)據(jù)。

4.1 數(shù)據(jù)描述

(1)GPS數(shù)據(jù)

采用了2008年5月5日某海域所觀測(cè)的測(cè)線。

(2)衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)

沒(méi)有對(duì)具體的衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，只采用了衛(wèi)星測(cè)高確定平均海平面的成熟產(chǎn)品，具體使用了黃渤海區(qū)域平均海平面數(shù)據(jù)，其統(tǒng)計(jì)精度在10cm以內(nèi)，分辨率為2’×2’。

(3)潮位數(shù)據(jù)

相關(guān)部門提供的潮位數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)處理步驟

(1)PPP定位數(shù)據(jù)處理

對(duì)動(dòng)態(tài)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，2008年5月5日RMS統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示:

圖1 2008年5月5日PPP動(dòng)態(tài)定位歷元RMS分布圖

從圖1可見(jiàn)，數(shù)據(jù)的RMS不大于6cm，說(shuō)明求解精度可靠。

(2)國(guó)家海洋信息中心提供的潮位數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)PPP確定潮位數(shù)據(jù)的比較

為了對(duì)動(dòng)態(tài)PPP確定的潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，首先對(duì)國(guó)家海洋局信息中心提供的潮位網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插處理，獲得相同地理位置和時(shí)間的潮位數(shù)據(jù);接著對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)比。為了更好地說(shuō)明潮位求解的效果，對(duì)2008年5月5日的測(cè)線分為3段進(jìn)行分析，如圖2所示:

圖2 GM022測(cè)線3段位置示意圖

圖2 中，GM022-1、GM022-2、GM022-3表示的位置離岸越來(lái)越近，其中GM022-3離岸最遠(yuǎn)。

PPP和模型求解潮位如圖3所示，所有測(cè)線兩種潮位數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致，其中測(cè)線GM022-1利用PPP求解出的潮位數(shù)據(jù)和國(guó)家海洋局信息中心提供的潮位數(shù)據(jù)符合得比較好，而GM022-2和GM022-3兩種潮位數(shù)據(jù)符合度越來(lái)越差，相差一個(gè)常數(shù)項(xiàng)。其原因有可能是測(cè)線GM022-1離岸相對(duì)較遠(yuǎn)，模型求解出的潮位數(shù)據(jù)和衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)求解大地水準(zhǔn)面精度比較高，其符合度就比較好。當(dāng)離岸較近時(shí)，由于海底地形及海岸等因素的影響，模型確定潮位和衛(wèi)星測(cè)高求解的大地水準(zhǔn)面精度降低，GM022-2和GM022-3確定的潮位數(shù)據(jù)也反映出相應(yīng)的情況。

圖3 GM022測(cè)線3段潮位比較

5 結(jié)束語(yǔ)

本文回顧了常規(guī)的潮位求解方法、GPS確定潮位的原理，在此基礎(chǔ)上結(jié)合PPP動(dòng)態(tài)定位和衛(wèi)星測(cè)高確定的平均海平面求解潮位。從算例可見(jiàn)，在離岸較遠(yuǎn)時(shí)，PPP結(jié)合衛(wèi)星測(cè)高確定潮位結(jié)果與模型結(jié)果符合較好，其它情況下其趨勢(shì)一致，但兩者之間存在一個(gè)常數(shù)項(xiàng)差異。這個(gè)差異有可能是所選的基準(zhǔn)以及模型所帶來(lái)誤差的結(jié)果。本文的工作將為下一步對(duì)潮位的精確求解研究打下基礎(chǔ)。

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