海潮對 GNSS高精度測量影響的研究

董春來,路長城,郭淑艷,周 立

(1.淮海工學院,江蘇連云港 222005;2.連云港市勘察測繪院有限公司,江蘇連云港 222001)

海潮對 GNSS高精度測量影響的研究

董春來1,路長城2,郭淑艷1,周 立1

(1.淮海工學院,江蘇連云港 222005;2.連云港市勘察測繪院有限公司,江蘇連云港 222001)

隨著 GNSS技術與數據處理方法的快速發展,GNSS技術已被廣泛應用。其中,GNSS技術應用于地殼運動監測與高精度重點工程變形監測均已達到毫米級的精度,而海潮對 GNSS測站坐標、基線解算和天頂延遲的影響不可忽略。基于全球海潮模型和GAM IT軟件分析,顧及中國近海海潮,主要研討海潮對測站位移改正、基線向量解算的影響,并提出相應的對策分析。

GNSS;海潮;基線解算;測站坐標

一、海潮影響改正分析

海洋潮汐是海水在太陽和月亮的引潮力作用下所作的周期性漲落的一種自然現象。人類為了研究和掌握潮汐現象的自然規律,經過了大量試驗分析與理論研討,構建了系列海潮模型,如 SCHW80、CSR3.0、CSR4.0、FES952、TPX06、NAO99等 ,為研討潮汐對 G NSS測站位移改正提供了基礎理論[1]。

1)地球極潮改正。由地球自轉產生的地球離心力使得地球發生形變,稱為極潮。極移使自轉軸在北極描出直徑約 20 cm的圓,極潮位移取決于觀測瞬間自轉軸與地殼的交點位置,它隨時間而變化,極潮引起的臺站漂移約 1～2 cm,目前 GNSS的精度已達到毫米級,故應加以考慮。

2)大洋潮改正。由于日月引力作用,實際的海平面相對于平均海平面有周期性的潮汐變化,即海潮。地殼對海潮的這種海水質量重新分布所產生的彈性響應通常稱為海潮負載[2]。它引起的臺站位移要比固體潮的要小,約幾個厘米,但規律性要差一些。

3)地球固體潮改正。攝動天體 (月亮、太陽)對彈性地球的引力作用,使地球表面產生周期性的漲落,稱為地球固體潮現象。它使地球在地心與攝動天體的連線方向拉長,與連線垂線方向上趨于扁平。固體潮對測站的影響包含與緯度有關的長期偏移和主要由半日周期組成的周期項。若靜態觀測 24 h,周期項的大部分影響可平滑消除,但無法消除長期項[3]。

二、總體研究方法與思路

通過多年對 GNSS沿海定位測量理論技術的跟蹤、研究及應用實踐,對比分析國內外海潮模型和GNSS的理論和方法,在原有軟件平臺基礎上,改進相關算法和程序,并根據測試結果,不斷追加新的研究成果,從而形成新的研究思路。總體研究路線如圖 1所示。

圖 1 總體分析路線圖

三、GNSS聯測網的構建

為了研究海潮對 GNSS基線測量的影響,選取連云港區域 CORS基準站點連云港 (LYHG)與全球IGS基準站點北京 (BJFS)、上海 (SHAO)、武漢(WUHN)與長春 (CHAN)構成聯測網,如圖 2所示。其中,連云港 (LYHG)是 2006年建成并使用的CORS基準站點,位于連云港市淮海工學院校內,采用儀器為徠卡 GPS接收機。整個網中相對較長基線為上海 (SHAO)—長春 (CHAN),長度約為1 430 km;相對較短基線為上海 (SHAO)—連云港(LYHG),長度約為 430 km。其中,連云港(LYHG)—上海 (SHAO)為兩點在沿海的基線;北京(BJFS)—武 漢 (WUHN)、北 京 (BJFS)—長 春(CHAN)為兩點在內陸的基線;其他基線都是一點位于沿海,另一點位于內陸,有一定的代表性。

圖 2 GNSS聯測網示意圖

四、海潮影響 GNSS高精度測量分析

分別下載 IGS國家永久性跟蹤站北京 (BJFS)、上海 (SHAO)、武漢 (WUHN)與長春 (CHAN)和連云港 (LYHG)基準站點 2010年 016—046 d(1月 16日—2月 15日)為期 1個月的數據,選用麻省理工學院開發的 GAM IT軟件和武漢大學開發的 COSAGPS平差軟件進行基線解算和網平差,從幾個方面進行了分析與比對。

1)選取周日潮與半日潮比較明顯的 016 d(1月16日)的 1個單天數據,利用 IGS提供的精密星歷,采用加入與不加入海潮改正分別解算。以長春 (CHAN)基準站坐標為加強約束,以 2 h為間隔進行基線求解,分別解算在一整天中基線分量在加入海潮前后的變化。分析可知,海潮對基線分量的影響在 1 d中具有周期性,而且,如果基線中包含的是內陸與沿海兩站,測站間跨度越大,周期性越明顯[4]。圖 3反映了連云港 (LYAG)—長春 (CHAN)的基線分量變化情況。

2)對 5個站點 2010年 016—046 d為期 1個月的數據,分別采用加入和不加入海潮改正后利用GAM IT軟件進行解算。固定長春 (CHAN)站進行基線解算。分析可知,海潮對連續觀測的基線分量影響較小,短基線可忽略不計,尤其是垂直分量。連云港(LYGH)—長春 (CHAN)的基線分量變化如表 1所示。

圖 3 連云港 (YHG)—長春 (CHAN)1 d中基線分量在加入海潮前后的變化(016 d)

表 1 連云港—長春的基線分量變化情況表 mm

3)運用 GNSS平差軟件進行基線解算和網平差,分析海潮改正對測站坐標的影響。以長春(CHAN)為固定點,選用 COSAGPS軟件對 GAM IT解算的基線結果進行整體平差求解加四個站坐標,通過比對1 d(016)、半個月 (016—030)、1個月(016—046)的基線結果進行平差,圖表示例省略。分析可知,隨著解算數據資料時間的增加,海潮改正對測站坐標的影響逐漸減小。

五、結 論

自 GNSS投入使用以來,以其全天候、高精度、全方位等特點被廣泛應用于各行各業。GNSS高精度測量技術在全球板塊運動、局部地殼運動、海平面變化和水汽監測中起著越來越重要的作用,它是地球動力學研究的一種重要手段[5]。

1)由于近海海潮的影響較大且復雜,因此對海潮改正的精度、可靠性和應用于 GNSS的有效性的評價也極為重要。本文在幾種方案分析的計算中,都在 CSR4.0全球海潮模型基礎上考慮了中國近海海潮圖的影響。

2)以北京 (BJFS)、上海 (SHAO)、武漢 (WUHN)與長春 (CHAN)和連云港 (LYHG)測站為例計算并繪制了 1 d、半個月和 1個月的海潮位移改正圖,分析了海潮對 GNSS測站位移的影響。結果表明,海潮對 GNSS測站的最大影響在 U方向可達±2 cm左右,遠大于對 N、E方向的影響。這種影響不僅有著很強的周期性,且它的大小隨著遠離海洋而減小。

3)利用 GAM IT軟件,采用三種不同的解算方案,計算了海潮對 GNSS基線向量的影響,并比較了兩種不同的海潮改正模型所引起的差異。從計算結果可以看出,海潮對基線有毫米級的影響。

[1]段五杏,吳顯兵.Sherneck海潮系數對中國 GPS網的適用性分析[J].測繪通報,2001(10):18-20.

[2]陳憲冬.GPS精密定位中的海潮負荷改正[J].西南交通大學學報,2006,41(4):429-433.

[3]周江存,孫和平.近海潮汐效應對測站位移的負荷影響[J].地球物理學進展,2007,22(5):1340-1344.

[4]鄭祎,伍吉倉,王解先,等.GPS精密定位中的海潮位移改正[J].武漢大學學報:信息科學版,2003,28(4):405-408.

[5]L IU Youwen,J IANG Weiping,ZHOU Xiaohui.Ocean Loading Tides Corrections of GPS Stations in Antarctica[J]. Geo-Spatial Information Science,2008,11(2):148-151.

On the Influence of Sea Tide on GNSS High Accuracy Survey

DONG Chunlai,LU Changcheng,GUO Shuyan,ZHOU Li

0494-0911(2011)02-0004-02

P229

B

2010-08-24

江蘇省測繪科研項目(JSCHKY201005)

董春來(1963—),男,安徽安慶人,副教授,主要從事大地測量及數據處理等方面的教學與科研工作。