GNSS浪潮參數(shù)反演方法與應(yīng)用

單 瑞

1. 中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所,山東 青島 266237; 2. 同濟大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院,上海 200092

論文系統(tǒng)研究了基于GNSS技術(shù)的海洋波浪和潮汐參數(shù)反演方法,內(nèi)容涵蓋GNSS浪潮參數(shù)反演基礎(chǔ)理論、海洋動態(tài)環(huán)境精密單點定位(PPP)及測速性能評估、GNSS波浪測量及特征參數(shù)反演方法與驗證、GNSS潮汐測量分析預(yù)報方法及應(yīng)用等,主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下。

(1) 優(yōu)選了適用于GNSS浮標(biāo)波浪潮位測量的PPP及精密單點測速模型。采用無電離層組合模型時,事后PPP的E、N、U方向的定位精度分別為0.085、0.027、0.057 m;基于北斗PPP-B2b服務(wù)的海洋動態(tài)實時PPP在46 min后可實現(xiàn)N、E、U 3個方向上的整體首次收斂,E、N、U方向的定位精度分別為0.092、0.026、0.061 m。采用高頻GNSS觀測數(shù)據(jù)時,載波相位歷元差分(time-differenced carrier phases,TDCP)測速模型具有更高的動態(tài)測速精度,尤其是在浮標(biāo)等低機動運動載體上可以達到2～3 cm/s的測速精度,并且通過單頻接收機即可實現(xiàn)。

(2) 分別采用統(tǒng)計分析法和頻譜分析法進行了波高、周期參數(shù)反演,并與現(xiàn)有行業(yè)最高測量精度的波浪騎士浮標(biāo)進行了比測及精度驗證;跨零法結(jié)果表明,通過兩款浮標(biāo)記錄的波面位移反演得到的有效波高相差4 cm,有效波周期相差0.58 s,平均波高相差1 cm,平均波周期相差1 s;經(jīng)周期圖法得到的波浪特征值結(jié)果表明,兩套浮標(biāo)反演得到的有效波高相差1 cm,有效波周期相差0.2 s,平均波高相差1 cm,平均周期相差0.9 s;頻譜分析法顯著提升了有效波波高、周期參數(shù)反演的精度水平。

(3) 在波浪方向譜分析方面,通過GNSS浮標(biāo)速度構(gòu)建方向譜時,利用速度頻譜結(jié)合傳遞函數(shù)得到位移頻譜的方法,有效避免了在時間域采用速度直接積分變換位移時存在的累積誤差影響;采用三參數(shù)方向譜時,GNSS浮標(biāo)位移數(shù)據(jù)反演得到的結(jié)果與波浪騎士浮標(biāo)結(jié)果平均差-4.75°,GNSS浮標(biāo)速度數(shù)據(jù)反演得到的結(jié)果與波浪騎士浮標(biāo)結(jié)果平均差-3.75°,符合相關(guān)行業(yè)測量規(guī)范要求;另外,綜合利用GNSS浮標(biāo)三維位移與速度信息,得到了分辨率更高的六參數(shù)方向譜。

(4) 利用GNSS浮標(biāo)開展了定點式潮汐測量分析及預(yù)報研究工作;引入人工蜂群優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實現(xiàn)短期余水位預(yù)測,并修正了調(diào)和分析預(yù)報的天文潮位;基于30 d GNSS浮標(biāo)實測數(shù)據(jù),對未來7.5 d的潮位預(yù)報精度從9.4 cm提升到3.2 cm,效果顯著;引入分潮信息時頻域相關(guān)性指標(biāo),統(tǒng)計結(jié)果表明,經(jīng)余水位修正后的預(yù)報潮位與實測潮位在全日潮族時頻域上的相關(guān)性得到顯著提升;在此基礎(chǔ)上,探索了在時間域直接對潮汐進行短時預(yù)報,基于10 d GNSS浮標(biāo)實測數(shù)據(jù),對未來72 h的潮位短時預(yù)報精度相對于GNSS浮標(biāo)實測潮位為5.82 cm。

(5) 結(jié)合船載GNSS數(shù)據(jù),開展走航式潮位測量應(yīng)用試驗,重點研究了GNSS短期失效時PPP/INS組合模式下的無驗潮水深測量;與采用預(yù)報潮位改正模式相比,基于PPP/INS緊組合解的遠海無驗潮水深測量模式,可獲得精度更高的成果水深數(shù)據(jù),在水深大于50 m的海域,其水深測量準(zhǔn)確度可達0.14 m;同時,可有效解決GNSS短期失效帶來的在航潮位數(shù)據(jù)缺失問題。