基于陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離在航潮位提取方法研究

肖根如，程朋根，王勝平, 吳遠(yuǎn)昆，許 敏

(1.江西省數(shù)字國(guó)土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東華理工大學(xué))，江西 南昌 330013，2.東華理工大學(xué) 測(cè)繪工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(簡(jiǎn)稱陸態(tài)網(wǎng)絡(luò))是國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)在“十一五”期間立項(xiàng)支持的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，是“九五”國(guó)家重大科學(xué)工程“中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”的二期項(xiàng)目(甘衛(wèi)軍等，2012)。陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)包括基準(zhǔn)網(wǎng)(260個(gè)連續(xù)站，框架網(wǎng))、區(qū)域網(wǎng)(2000個(gè)流動(dòng)站，加密網(wǎng))和數(shù)據(jù)系統(tǒng)三個(gè)重要部分(勾威等，2012)。為及時(shí)和重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地震、泥石流等突發(fā)災(zāi)害事件，同時(shí)配備8套可移動(dòng)GNSS基準(zhǔn)站；區(qū)域網(wǎng)以定期與不定期相結(jié)合的方式進(jìn)行觀測(cè)。通常情況下每?jī)赡赀M(jìn)行一次復(fù)測(cè)，每期每站至少連續(xù)觀測(cè)72 h，從2013年開始，區(qū)域網(wǎng)站每年復(fù)測(cè)一次，由此可獲得站點(diǎn)的高精度三維坐標(biāo)。

遠(yuǎn)距離在航潮位測(cè)量采用GPS動(dòng)態(tài)后處理技術(shù)，通過(guò)基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)對(duì)流動(dòng)站進(jìn)行差分相對(duì)定位(Mann.,2007；歐陽(yáng)永忠等，2005；包榮萍等，2016；臧克家，2016)。陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站都建設(shè)為基巖或深土層標(biāo)墩，站基穩(wěn)定，不易受到外界環(huán)境的影響，并能夠提供采樣率為30 s和1 s的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域站在東部沿海地區(qū)分布密度大，覆蓋整個(gè)近海岸地區(qū)(圖1)。這些區(qū)域站都建設(shè)有滿足地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)功能的觀測(cè)墩，并且已有精確的站點(diǎn)位置坐標(biāo)，即便將站點(diǎn)安置于這些區(qū)域站墩，也能獲得非常好的穩(wěn)定性。基于陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)上述優(yōu)點(diǎn)， 將其應(yīng)用于遠(yuǎn)距離在航潮位提取中，能極大地減弱岸基參考觀測(cè)站的不穩(wěn)定性，在保證瞬時(shí)水面高程精度的同時(shí)又提高工作效率。

圖1 陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)東部沿海GNSS基準(zhǔn)站點(diǎn)Fig.1 GNSS stations at eastern coastal area of COMONOC(II)

1 基于陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)在航潮位提取方法

1.1 TRACK動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理

TRACK是GAMIT/GLOBK軟件的一個(gè)動(dòng)態(tài)定位模塊(King et al.,2003；李軍等，2010)，以載波相位觀測(cè)值作為輸入，通過(guò)相位差分進(jìn)行動(dòng)態(tài)相對(duì)定位，其定位結(jié)果可獲取測(cè)站相對(duì)參考站的逐歷元三維坐標(biāo)差及單位權(quán)中誤差，進(jìn)而獲得移動(dòng)站的運(yùn)動(dòng)位置和速率 (蘇小寧等，2009)。

TRACK 模塊數(shù)據(jù)處理如圖2所示，利用陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站RINEX數(shù)據(jù)的偽距觀測(cè)量得到初始值，同時(shí)從IGS獲取星歷、軌道數(shù)據(jù)等，在相對(duì)秩原則的基礎(chǔ)上，利用卡方增量比較L1和L2模糊度整數(shù)值的最佳選擇與次最佳值，若最佳選擇的卡方影響更小，則模糊度便可固定為整數(shù)值，然后采用迭代法解算出更多歷元的模糊度，最后利用卡爾曼濾波修正未解決的模糊度參數(shù)和對(duì)流層延遲參數(shù)，處理完成后輸出三維坐標(biāo)。

圖2 TRACK模塊數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.2 Data process flowchart of TRACK

1.2 船載流動(dòng)站精密坐標(biāo)獲取

船載流動(dòng)站坐標(biāo)精密解算主要步驟是(趙建虎等，2008；趙建虎，2012)：首先利用GAMIT等高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件解算“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)，獲取基準(zhǔn)站高精度的坐標(biāo)及模型改正參數(shù)；然后結(jié)合流動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)GAMIT軟件TRACK模塊對(duì)流動(dòng)站進(jìn)行差分定位，獲取流動(dòng)站高精度三維坐標(biāo)(圖3)。

圖3 流動(dòng)站坐標(biāo)精密解算流程圖Fig.3 Data process flowchart of regional stations

1.3 在航潮位數(shù)據(jù)處理

在航潮位數(shù)據(jù)處理主要通過(guò)高程質(zhì)量控制、船體姿態(tài)改正、船體動(dòng)態(tài)吃水改正、垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換、潮位提取等來(lái)獲取最終潮位。

(1)高程質(zhì)量控制。實(shí)際觀測(cè)過(guò)程中由于衛(wèi)星失鎖等原因，造成GPS高程信號(hào)出現(xiàn)部分異常值，為保證潮位結(jié)果精度，本文采用Kalman濾波和Heave修正綜合濾波技術(shù)來(lái)對(duì)異常信號(hào)進(jìn)行修正。

(2)船體姿態(tài)改正。在風(fēng)浪等因素影響下，船體會(huì)發(fā)生橫搖、縱搖以及垂直方向上下起伏變化，使得船體不能按照理想姿態(tài)行進(jìn)。為獲得瞬時(shí)水面高程，必須對(duì)船體姿態(tài)進(jìn)行改正來(lái)補(bǔ)償船體姿態(tài)變化給潮位測(cè)量帶來(lái)的影響。本文考慮到多傳感器數(shù)據(jù)傳輸延遲情況，在船體姿態(tài)改正前先進(jìn)行了多傳感器時(shí)間同步操作。

(3)船體動(dòng)態(tài)吃水改正。船體動(dòng)態(tài)吃水對(duì)潮位測(cè)量也有比較大的影響，本文根據(jù)船底壓力傳感器獲取的實(shí)時(shí)船體動(dòng)態(tài)吃水?dāng)?shù)據(jù)，來(lái)補(bǔ)償船體動(dòng)態(tài)吃水對(duì)瞬時(shí)海面高程的影響。

(4)垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。GPS測(cè)量的高程是基于WGS-84橢球面的大地高，而潮位多用基于理論深度基準(zhǔn)面的海圖高表示，因此需要把大地高轉(zhuǎn)換為海圖高。具體的轉(zhuǎn)換方法分為兩步：第一步，將高程基準(zhǔn)由大地高轉(zhuǎn)換為正常高；第二步，把正常高轉(zhuǎn)換為海圖高。

(5)潮位提取。直接測(cè)量的瞬時(shí)海面高程信息反映的是實(shí)際海水面的起伏變化，不僅包含反映潮汐的長(zhǎng)周期項(xiàng)，還包含反映波浪的短周期項(xiàng)。如果要獲取潮位信息，就必須從瞬時(shí)海面高程中提取長(zhǎng)周期信號(hào)，即在航潮位。本文采用基于快速傅里葉變換(FFT)的低通濾波器來(lái)提取潮位(圖4)。

圖4 在航潮位數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.4 Data process flowchart of OTF Tide

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及可靠性分析

為論證本文所述理論的準(zhǔn)確性與可靠性，在珠海近海岸海域進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)中選取陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)連續(xù)站GDZH(廣東珠海，TRIMBLE NETR8 GNSS接收機(jī))所提供的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù),采用PPK方式解算流動(dòng)站坐標(biāo)。RTK模式采用人為架設(shè)穩(wěn)定的三腳架基準(zhǔn)站，安裝天寶接收機(jī)(TRIMBLE SPS852)。流動(dòng)站天線固定在測(cè)船上方環(huán)視良好且易于觀測(cè)的位置，同時(shí)可以避免多路徑效應(yīng)，接收機(jī)為兩臺(tái)TRIMBLE SPS882天寶接收機(jī)，采樣率1 s，分別用于RTK和PPK潮位觀測(cè)。觀測(cè)采集期間，手簿通過(guò)藍(lán)牙接入用于PPK觀測(cè)的接收機(jī)，確保手簿屏幕顯示始終處于“PPK固定”狀態(tài)。TSS姿態(tài)傳感器安置在測(cè)船重心位置，壓力傳感器安置在測(cè)船底部，采樣率皆設(shè)為5 Hz。實(shí)驗(yàn)期間的姿態(tài)和壓力數(shù)據(jù)通過(guò)自主研發(fā)的數(shù)據(jù)采集軟件采集和存儲(chǔ)(秦海波，2015)。

基站架設(shè)在深圳灣航道站附近的控制點(diǎn)，測(cè)量開始前首先將測(cè)船錨定，在岸邊架設(shè)高精度全站儀，采用棱鏡模式測(cè)定姿態(tài)傳感器、GPS接收機(jī)的位置，經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)換獲得在船體坐標(biāo)系下測(cè)船初始各儀器的姿態(tài)坐標(biāo)(桂新等，2015)。

表1 船體坐標(biāo)系下的各類傳感器坐標(biāo)

實(shí)驗(yàn)坐標(biāo)系投影采用高斯三度帶投影，中央子午線設(shè)置為114°。通過(guò)由已知水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量引測(cè)至臨時(shí)驗(yàn)潮站，輔助以必要的采集人工驗(yàn)潮數(shù)據(jù)。

潮位數(shù)據(jù)比較分析主要通過(guò)PPK與RTK數(shù)據(jù)比對(duì)以及PPK驗(yàn)潮觀測(cè)數(shù)據(jù)(經(jīng)姿態(tài)修正)與人工驗(yàn)潮兩種潮位數(shù)據(jù)比較，驗(yàn)證本文所述方法的可靠性和分析GNSS驗(yàn)潮觀測(cè)精度。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行PPK及RTK瞬時(shí)高程數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，并繪制了二者的誤差分布圖(圖5，圖6)。

圖5 PPK與RTK的瞬時(shí)高程比較圖Fig.5 Instant heights between PPK and RTK

由圖5和圖6可得，通過(guò)GPSRTK與PPK方式，都可以獲得測(cè)船的精確高程數(shù)據(jù)，且兩種方式得到的高程數(shù)據(jù)保持了較好的一致性，圖中數(shù)據(jù)最大的偏差為14.0 cm，最小的偏差0.1 cm。進(jìn)一步說(shuō)明將PPK引入潮位測(cè)量具有與RTK方法接近的準(zhǔn)確性及可行性。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的PPK潮位與人工驗(yàn)潮獲得的潮位進(jìn)行比較分析，并繪制了二者的誤差分布圖(圖7，圖8)。

圖6 PPK與RTK的瞬時(shí)高程數(shù)據(jù)比較誤差分布圖Fig.6 Instant heights error between PPK and RTK

圖7 PPK潮位與人工潮位的比較圖Fig.7 Tide between PPK and Manual Tide

圖8 GNSS PPK潮位與人工潮位的比較誤差分布圖Fig.8 Tide error between PPK and Manual Tide

分析圖7和圖8可得，若以潮位站潮位為參考(真值)，則GNSS PPK潮位的最大偏差為6.24 cm，最小為0.04 cm，RMS(均方根誤差)為1.94 cm。以上結(jié)果表明， GNSS PPK潮位和驗(yàn)潮站潮位具有很好的一致性。

3 結(jié)論

基于陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)獲取的瞬時(shí)水面高程與RTK獲得的瞬時(shí)水面高程一致。本文采用的PPK潮位提取方法獲得的潮位結(jié)果與潮位模型內(nèi)插潮位保持了很好的一致性。在環(huán)境復(fù)雜地區(qū)測(cè)量中，本文采用的計(jì)算模型也可以得到很好的潮位信息，從而證明了該方法的正確性。另外，陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站相比較人工架站(三腳架)更穩(wěn)固，不易受天氣環(huán)境的影響；陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站覆蓋了我國(guó)東南沿海大部分海域，更利于展開潮位測(cè)量工作。