基于GPS动态定位的近海高精度验潮方法
基于GPS动态定位的近海高精度验潮方法
摘要: 基于青岛附近黄海海域的GPS验潮观测数据和IGS组织发布的精密星历，利用GAMIT TRACK双差动态定位模块，解算潮位变化。分别利用广播星历、IGS超快星历、IGS快速星历和IGS最终星历进行解算，比较结果精度；将结果与压力式验潮仪的观测值进行比对，获取GPS高精度验潮方法的可行性。
关键字：动态定位 GPS验潮 Track
Abstract: Based on the Qingdao near the Yellow Sea waters of the GPS tide observation data and IGS Organization issued a precise ephemeris, using GAMIT TRACK double differential dynamic positioning module, calculating tidal variation. Respectively, the use of broadcast ephemeris, IGS ultrafast ephemeris, IGS rapid ephemeris and IGS final ephemeris calculation, comparison of results; the results with pressure type tide gauge observations are compared, to obtain the GPS high-precision tidal feasibility.
Keywords: dynamic positioning, GPS, tide track.
一 前言
近海海底地形测量中，无论是单波束测深还是多波束测深都需要通过验潮数据进行高程基准的传递。传统的验潮方式有水尺验潮、验潮仪自动观测等多种方式；目前在测深作业实施中，采用压力式自动验潮仪验潮的形式比较常见。但是传统单站式验潮方式，往往存在验潮结果作用范围小的局限性，而且有着验潮地点要特定选择、仪器需要专人看管和维护等诸多不便。近十几年来，随着GPS定位技术的不断发展和应用的推广,国内外不少组织一直探索如何利用GPS进行高精度潮位变化测量，随着研究的不断深入，确认了GPS验潮的可行性，并且认为可以取代传统验潮方式[1][2][3] [4]。
目前GPS验潮的模式分为PPP（精密单点定位）、PPK（后处理动态定位）和RTK（实时动态定位）等三种，以上三种作业方式均利用载波相位观测值差分技术进行定位，精度可达到十个厘米之内。但是动态PPP技术受到精密卫星钟差的精度限制，不能得到高精度高采样率的海面变化结果，也不容易滤除随机波浪的影响；PPK技术作用半径为80公里，但是后处理软件有限，而且目前商用软件存在对周跳探测修复能力不强、最终高精度结果滞后时间较长等缺点；RTK技术，精度可以达到厘米级，但是有效作用范围在一般十几公里，不能满足长距离大范围定位的需求。GAMIT/GLOBK是高精度GPS数据后处理与分析软件, TRACK是其中一个独立的动态定位模块,其定位结果得到测站每个历元的三维坐标差及单位权中误差,进而可以得到流动站的运动轨迹；TRACK模块可以处理大于100公里的长基线，其定位的精度可以达到亚厘米级。利用TRACK模块进行定位时，只需要基站和流动站的原始观测数据以及IGS组织公布的精密星历（见表1），设置内部相关参数后，便可完成单历元三维定位。因此，采用
TRACK模块进行动态定位，具有操作简便、作用范围广以及定位精度高等优势。
表1 IGS后处理星历产品及精度
二 GPS后处理动态方式验潮
2.1 TRACK模块
GAMIT/GLOBK软件是由MIT（美国麻省理工大学）和SIO（加州大学圣地亚哥分校海洋研究所）共同研制的GPS综合分析软件包，该软件主要基于双差模式并考虑多种误差改正模型，可以高精度地估算卫星轨道和地面测站的三维相对位置。TRACK（GPS differential phase kinematic positioning program）是GAMIT的一个独立模块，目前的版本为1.23，其主要功能是基于载波相位观测值采用双差定位方式进行GPS动态观测数据的处理，并在处理过程中加入接收机和卫星天线相位中心位置偏差、固体潮及大气延迟等改正，解算出每个历元流动站的准确的三维坐标。在TRACK模块中，首先利用伪距无电离层组合（PC）观测量差分得到的位置初始值作为先验值。其次是利用MW-WL组合求解整周模糊度，通过“相对秩”算法和Chi-squared增量检验分别得到L1和L2模糊度的固定解；并对发生周跳的时刻引入新的偏差标记，然后通过LC、MW-WL和电离层延迟约束方式修复周跳，得到整周模糊度的整数解。最后把未解算的模糊度参数作为常数，大气延迟参数作为过程噪声处理，然后利用卡尔曼滤波算法得到最终动态定位结果。
2.2 GPS验潮
船载GPS验潮基本思想是利用载波相位差分技术进行高精度定位，获得精确的船载GPS接收机天线相位中心的瞬时三维坐标,并结合其在船体坐标系(vessel frame system ,VFS) 下的坐标、海面相对VFS 原点的垂直距离,获得海面的瞬时高程，并根据高程的变化，结合一定的几何关系，获得瞬时海面高程，从而达到验潮的目的。
如图2-1所示，参考站（基准站）、流动站天线相位中心的正常高为：
（2-1）
当参考站和流动站间距离不是很远（如30Km之内）时，下式成立：
（2-2）
（2-3）
于是潮位值:
（2-4）
图1GPS验潮原理图
其中，参考站的天线高为 ，流动站的天线高为 （GPS天线相位中心到船体吃水面的垂直距离），已知点的正常高为 ，参考站GPS天线处的正常高和大地高分别为 ， ，高程异常为 ；流动站GPS天线相位中心的正常高和大地高分别为 ， ；GPS观测得到的瞬时潮位为T 。
GPS验潮能够直接获取瞬时海面高度的变化，虽然克服了传统验潮方式作用范围小或不能在偏远地区进行验潮的缺陷和潮汐模型误差的影响，但是瞬时海面变化包含有长周期潮位变化、中长周期的潮波和海浪的变化以及短周期的船体操纵引起的船体上下起伏变化；潮位项为长周期项,周期最小也大于1 h ;涌浪影响为短波项,周期10～60s。为了消除这个影响，需要采用滤波等方式。潮位提取的方法有滑动平均法、傅里叶变换法、门限滤波法等多种。线性波浪理论认为, 波浪过程是具有零均值的弱平稳过程, 在海洋观测数据处理中, 常采用“滑动平均”(moving average) 方法将数据分解成波浪信号和潮位、潮流信号。滑动平均值法虽然是最简单的滤波方法，但是它的处理效果明显，也能够最大限度的保留潮位变化的物理过程。
三 计算及结果分析
在GPS 潮位观测中, GPS接收机选用双频接收机。在岸边已知控制点上架设基准站。流动站则尽量架设于测船的重心位置,且与姿态传感器中心位置重合,基准站与流动站的采样率要保持一致。测量开始前,应当严格量测基准站的天线高以及流动站GPS 天线在船体坐标系下的坐标。在GPS 在航潮位测量的同时,还进行了传统的潮位站潮位观测,用于对后续GPS 潮位测量成果的评定。
