基于實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位的長(zhǎng)距離航道潮位控制方案

魏小輝

摘 要：應(yīng)用實(shí)時(shí)PPP技術(shù)解決長(zhǎng)距離航道潮位控制問(wèn)題，首先需要理解PPP技術(shù)的原理、解算模型及模型精度，采用實(shí)時(shí)連續(xù)參考站提供的高精度鐘差及衛(wèi)星軌道誤差對(duì)GPS采集數(shù)據(jù)改正即可得到實(shí)時(shí)PPP測(cè)量數(shù)據(jù)；通過(guò)實(shí)時(shí)PPP測(cè)得的GPS高再經(jīng)姿態(tài)改正、潮位提取、基準(zhǔn)面轉(zhuǎn)換等步驟獲得潮位。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)PPP；潮位控制；長(zhǎng)距離航道；GPS高改正

中圖分類(lèi)號(hào)：U612.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2018）6-0044-02

在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的今天，中國(guó)近海沿岸工程開(kāi)發(fā)越來(lái)越大型化、復(fù)雜化，出現(xiàn)了之前未曾出現(xiàn)過(guò)的超大規(guī)模工程，例如長(zhǎng)距離航道。2000年以前的航道長(zhǎng)度在5～15公里，現(xiàn)在出現(xiàn)了40～80公里長(zhǎng)的航道，長(zhǎng)距離航道為水深測(cè)量工作帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，潮位控制就是難點(diǎn)之一。

對(duì)于長(zhǎng)距離航道而言潮位變化較大，案臺(tái)潮位站控制范圍最遠(yuǎn)只有10KM，10KM外潮位難以控制。為解決長(zhǎng)距離航道潮位控制的難題，目前常見(jiàn)的解決方案均是基于天文潮位加余水位訂正推算，該方案受外界干擾（漁民拖網(wǎng)作業(yè)、錨系作業(yè)等）較大，且均涉及推算誤差，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)隨時(shí)間和距離的推移推算誤差越大的情況。

在此背景下，精密單點(diǎn)定位（PPP）技術(shù)出現(xiàn)在我們視野之內(nèi)，該技術(shù)是利用高精度的GPS衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差以及單臺(tái)接收機(jī)的雙頻載波相位觀測(cè)值進(jìn)行定位，其誤差不能利用差分的方法消除，只能利用模型和位置參數(shù)一起估計(jì)的方法消除其影響，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)解已經(jīng)達(dá)到厘米級(jí)的定位精度。由于實(shí)時(shí)PPP僅利用單臺(tái)接收機(jī)即可在全球范圍內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)高精度定位，同時(shí)能直接得到高精度的ITRF框架坐標(biāo)，通過(guò)改正計(jì)算能夠獲取實(shí)時(shí)潮位（GPS數(shù)據(jù)需要事后處理），并且誤差不隨時(shí)間和距離的推移而增大，因此該技術(shù)測(cè)量精度控制在20cm內(nèi)就會(huì)在40-80公里長(zhǎng)的航道潮位控制工作中有不可限量的應(yīng)用前景。接下來(lái)我們將從PPP定位方法、實(shí)時(shí)PPP的精度及實(shí)時(shí)PPP潮位控制方法探究該潮位控制方案。

1 GPS精密單點(diǎn)定位方法闡述

精密單點(diǎn)定位是指利用單臺(tái)接收機(jī)的載波相位觀測(cè)值和偽距觀測(cè)值以及IGS等組織提供的高精度衛(wèi)星星歷及精密衛(wèi)星鐘差來(lái)進(jìn)行高精度單點(diǎn)定位。該方法利用IGS提供的或自己計(jì)算的GPS衛(wèi)星精密星歷和精密鐘差，可以使單臺(tái)GPS雙頻雙碼接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度定位，有單機(jī)定位、采用非差模型、載波相位定位、精度高和不受作用距離限制等技術(shù)特點(diǎn)，其中不受作用距離限制是筆者將該技術(shù)應(yīng)用于長(zhǎng)距離航道潮位測(cè)量的主要原因。

1.1數(shù)學(xué)模型

本文采用一種高精度模型，該模型借鑒GPS相對(duì)定位中，采用單差、雙差和三差觀測(cè)值來(lái)消除和減弱各種誤差影響，即同一歷元不同衛(wèi)星求差，然后相鄰歷元做二次差以增加觀測(cè)量的相關(guān)性，再將二次差模型求解的測(cè)站坐標(biāo)與權(quán)陣僅作為卡爾曼濾波器的初始值，然后以星間一次差為模型求解測(cè)站坐標(biāo)和模糊度等參數(shù)，模型推導(dǎo)如下：

通過(guò)相近歷元不同衛(wèi)星之間求差，例如歷元i衛(wèi)星l的消電離層組合觀測(cè)值的觀測(cè)方程是：

同歷元中高度角最大的衛(wèi)星r的消電離層組合觀測(cè)值的觀測(cè)方程是：

以上兩式相減，得到同歷元星間差分觀測(cè)方程。

接下來(lái)兩個(gè)歷元i與j之間再做差，組成星間歷元二次差觀測(cè)方程：

將方程（3）線性化用卡爾曼濾波方法求解，結(jié)算結(jié)果作為濾波初始值，再與同歷元星間差分觀測(cè)方程線性化后求解。

1.2精度分析

本文取GPS于已知點(diǎn)上采集靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)，歷元間隔為5s，觀測(cè)時(shí)衛(wèi)星數(shù)目為6-8顆，衛(wèi)星截止高度角為15°。從IGS網(wǎng)站下載同一時(shí)段的精密星歷與精密鐘差文件，用軟件對(duì)該模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，大約在1000s附近反彈，不到2000s的時(shí)候達(dá)到厘米級(jí)精度。

1.3實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位的實(shí)現(xiàn)

在精密單點(diǎn)定位的解算過(guò)程中，需要根據(jù)地面跟蹤站網(wǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到衛(wèi)星軌道誤差和鐘差產(chǎn)品精度，是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)PPP的關(guān)鍵和核心問(wèn)題。如果能實(shí)時(shí)收取GNSS衛(wèi)星軌道與鐘差改正數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)PPP數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)解算，進(jìn)而能夠更快的得到潮位來(lái)測(cè)量出圖。

2 基于實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位的潮位控制方法及精度分析

實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位的潮位測(cè)量是利用GPS天線高處實(shí)測(cè)的大地高經(jīng)過(guò)姿態(tài)改正、潮位提取、基準(zhǔn)面轉(zhuǎn)換等步驟，最終獲得測(cè)量船所在位置的潮位。接下來(lái)將從以上幾個(gè)方面闡述該方法。

2.1船姿改正

利用GPS測(cè)量潮位時(shí)，GPS天線固定在測(cè)量船上方，在船系坐標(biāo)系下量取GPS天線相位中心到水面X、Y、Z三個(gè)方向的相對(duì)值，將GPS測(cè)得的高程值轉(zhuǎn)換為水面瞬時(shí)的高程值。然后根據(jù)姿態(tài)改正所得參數(shù)構(gòu)造旋轉(zhuǎn)矩陣，將水面瞬時(shí)高程值轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)海面高程，這就為下一步的潮位提取奠定了基礎(chǔ)。

2.2潮位提取

得到連續(xù)的瞬時(shí)海面高程后，將其起伏看作一種混合波，從中提取低頻潮位信息，進(jìn)行吃水參數(shù)改正后即可得到大地高潮位。

2.3垂直基轉(zhuǎn)換

實(shí)際操作中，大地高潮位需要轉(zhuǎn)換成施工要求的潮位基準(zhǔn)面。潮位基準(zhǔn)面是根據(jù)每個(gè)海域潮位觀測(cè)數(shù)據(jù)確定的，前期需要借助壓力式潮位儀確認(rèn)岸臺(tái)潮位站的潮位基準(zhǔn)面與海臺(tái)潮位站的潮位基準(zhǔn)面之間的關(guān)系。這個(gè)關(guān)系非線性，不連續(xù)，從而造成潮位表達(dá)跳變，為此需建立無(wú)縫垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換模型，轉(zhuǎn)換后得到基于潮位基準(zhǔn)面的潮位，即施工需要的潮位。

2.4長(zhǎng)距離航道實(shí)時(shí)PPP潮位測(cè)量精度分析

為檢驗(yàn)實(shí)時(shí)PPP 技術(shù)在潮位測(cè)量的可行性，2016年7月3日下午13：30到14：50在濰坊港中港區(qū)48公里長(zhǎng)的航道上采用PPP模式進(jìn)行了1h多的數(shù)據(jù)采集。本次試驗(yàn)導(dǎo)航定位儀器采用Trimble SPS351接收機(jī)，姿態(tài)傳感器型號(hào)為iXSEA OCTANS III，選擇距離案臺(tái)49KM的航道盡頭為實(shí)驗(yàn)水域，以用于檢驗(yàn)遠(yuǎn)距離時(shí)實(shí)時(shí)PPP潮位測(cè)量的效果。實(shí)驗(yàn)中給出的數(shù)據(jù)均基于濰坊中港區(qū)當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?，?shí)時(shí)潮位通過(guò)FFT濾波從所測(cè)瞬時(shí)水面中獲取。為驗(yàn)證該方式的可行性，本文采用案臺(tái)和測(cè)區(qū)分別臨時(shí)拋設(shè)虛擬驗(yàn)潮儀推算測(cè)區(qū)潮位的方法與該方式所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，來(lái)驗(yàn)證實(shí)時(shí)PPP潮位測(cè)量的準(zhǔn)確性，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

由表1 可以看出實(shí)時(shí)PPP潮位與推算所得潮位保持了較高的一致性，只不過(guò)由于GPS的不穩(wěn)定性會(huì)帶來(lái)輕微的數(shù)據(jù)跳動(dòng)，對(duì)于異常數(shù)據(jù)可以進(jìn)行適當(dāng)內(nèi)插。比如14：00測(cè)得的潮位為0.96m，明顯是GPS不穩(wěn)定造成的，前后數(shù)據(jù)相對(duì)較穩(wěn)定，即可將14：00的潮位進(jìn)行內(nèi)插改正取前后時(shí)刻的平均值1.17，與推算潮位較差為5cm，符合潮位測(cè)量精度。

由上表再加對(duì)異常數(shù)據(jù)的改正，可見(jiàn)實(shí)時(shí)PPP測(cè)量潮位可用于長(zhǎng)距離航道的潮位測(cè)量。

3 總結(jié)

實(shí)時(shí)PPP測(cè)得的潮位是潮位測(cè)量船在航過(guò)程中得到的實(shí)時(shí)潮位，精度不會(huì)因?yàn)殡x岸距離遠(yuǎn)近和時(shí)間推移而變化，提高了潮位的確定精度和可靠性，同時(shí)也解決了推算潮位受外界干擾大的問(wèn)題，所以該技術(shù)極適合應(yīng)用于長(zhǎng)度在40KM以上的航道潮位測(cè)量中。但是由于是新的技術(shù)，仍有很多問(wèn)題在短時(shí)間內(nèi)難以得到完美的解決，比如該文中提到的垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換問(wèn)題，高精度的遠(yuǎn)海潮位基準(zhǔn)面需要一年甚至更長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)才能確定（近海潮位基準(zhǔn)面是由岸臺(tái)潮位站數(shù)年的潮位數(shù)據(jù)求得），短時(shí)間測(cè)得的遠(yuǎn)海潮位基準(zhǔn)面精度會(huì)較低，還需要加強(qiáng)此類(lèi)技術(shù)的研究。

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