山東區域海潮負荷對GPS高精度測量的影響

祁仰旭， 曲國慶

(山東理工大學 建筑工程學院， 山東 淄博 255049)

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山東區域海潮負荷對GPS高精度測量的影響

祁仰旭， 曲國慶

(山東理工大學 建筑工程學院， 山東 淄博 255049)

摘要：基于山東CORS網站的基準信息數據，采用FES2004、CSR4.0、NAO99b等3種海潮模型計算了海潮負荷對GPS定位及GPS基線的影響.結果表明海潮負荷對沿海地區定位的影響遠大于內陸地區達到3cm，并且在垂直方向影響最大，是東西方向和南北方向的2～3倍；海潮負荷對山東CORS基線的影響與基線長度和測站位置有關，并具有明顯的周期性.通過對3種海潮模型對比分析，NAO99b模型最適合山東地區GPS高精度測量.

關鍵詞：山東CORS； 海潮負荷； 海潮模型； GPS高精度測量

山東省衛星定位連續運行綜合應用服務系統(Shandong Continuously Operating Reference Station System，SDCORS)是山東省一項重要的基礎建設工程.SDCORS是由山東省國土資源廳主持，山東省國土測繪院具體組織實施，為各市各行業進行服務,實現在山東省境內的定位服務.該項目從2007年正式啟動，于2010年09月系統一期建成，2010年11月底系統全網試運行[1].SDCORS工程的建設在不同領域不同行業之間搭建了一個服務平臺，不僅向測繪行業的用戶提供統一的連續的、動態的、高精度的時空基準，同時它還向社會各部門提供各種地理信息數據服務，為山東省的國土測繪、城市規劃等應用提供了統一的參考框架；向各類用戶提供高精度的定位服務，從而進一步發展了省級系統的設計方法和系統聯網等技術[1].

海潮負荷是GPS高精度測量的誤差影響因素之一.它是固體地球對海潮負載的響應，會引起地面點位置的周期性變化，海潮負荷對GPS影響量隨著觀測位置不同而不同，而且越靠沿海地區對測站位置影響越大[2-3].研究表明，海潮負荷對GPS基線有幾個毫米的影響，在沿海地區的垂直位移甚至達到了厘米級[4-5]，因此，在山東地區GPS高精度測量中考慮海潮負荷的影響對于提高GPS高精度測量的精度具有非常重要的意義.本文基于沿海山東CORS網站基準信息數據，分析了NAO99b、FES2004、CSR4.0等三種不同海潮模型對山東地區GPS定位和基線的影響規律，為沿海GPS高精度測量提供參考.

1海潮負荷對GPS測量的影響原理

根據Farrell 海潮負荷理論[6-7]，海潮負荷可由海潮的瞬時潮高和應變負荷的格林函數的褶積積分獲得，海潮負荷改正為離散化形式如下

(1)

式中:LΔU、LΔS和LΔW分別為t時刻海潮負荷所引起的測站徑向、南北向和東西向位移；ρ為海水密度；λ，λ′為測站積分面元的經度；φ，φ′為測站積分面元的緯度；Hi(φ，λ，t)是點(φ′，λ′)處第i個分潮的瞬時潮高，瞬時潮高一般是由海潮模型獲得；A為測站與積分面元之間的方位角；G(θ)和T(θ)分別為徑向和橫向質量負荷格林函數，格林函數可以由地球模型解算獲得，其中θ為球面角，可由公式cosθ=sinφsinφ′+cosφcosφ′cos(λ-λ′)求得，根據(1)式，可求出觀測站每個時刻每個分潮的海潮負荷影響Δ(φ,λ,t)，因此可疊加各個分潮波的成分得到測站位移的海潮負荷：

j=1,2,3…

(2)

Lj(j=1,2,3)分別是海潮負荷對測站垂直方向、南北方向和東西方向分量的位移影響；N為疊加的潮波數；Fi表示與月球升交點經度有關的系數；Aj表示與測站第j個位移分量相對應的第i個分潮波的振幅；φi表示格林尼治相位；ωit+χi+μi為第i個分潮波在t時刻的相位延遲，其中ωi是第i個分潮波的角頻率，χi是其它的天文幅角數，μi是與月球升交點經度有關的參數.

為了求得海潮負荷對CORS站三維直角坐標的影響，結合(1)式和(2)式可求出測站的三維直角坐標：

(3)

2試驗分析

為了更好地探討海潮模型對山東CORS高精度測量的影響，選擇全球海潮模型CSR4.0、FES2004和NAO99b，利用GAMIT軟件分別計算了山東省CORS站2013年1月份的幾個站的數據，并對其進行了比較.為了使研究結果能夠更加準確，所選用的CORS站分布在山東省各地，縮略圖如下圖1所示.

圖1　SDCORS站點分布圖

本文選擇了離沿海較近的山東CORS站威海站(WEIH)、煙臺站(YATI)和石島站(SHID)，內陸地區的聊城站(LICH)、金鄉站(JINX)和德州(DEZH)等站點,通過計算比較不同海潮模型，得出海潮模型對GPS高精度測量的影響規律.

2.1海潮對山東CORS站定位的影響

三種海潮模型對不同測站15天的定位影響如下圖2～圖4所示.

圖2　CSR4.0海潮模型對威海站定位的影響

圖3　NAO99b海潮模型對威海站定位的影響

圖4　FES2004海潮模型對威海站定位的影響

圖2、圖3、圖4為三種海潮模型對沿海威海站三個方向的形變量15天的時間序列.分別計算了加海潮和不加海潮模型得到各站三個方向位移的影響，從圖2、圖3、圖4可以看出海潮模型對測站三個方向影響不盡相同，其中對垂直方向影響最大可達20～30mm，遠大于東西方向和南北方向，對南北方向和東西方向的影響都小于10mm.

由于不同數據來源、不同解算方法的緣故，所以不同的海潮模型之間存在著一定的差別，因此計算得到的海潮模型對GPS定位的影響也不同，在沿海差異較大，具體見表1.從三種海潮模型的圖示看出NAO99b模型對威海站的影響明顯，FES2004和CSR4.0相差不大.雖然FES2004在全球范圍來說是精度最高的海潮模型，但是NAO99b在淺海、中國黃海和印度尼西亞等海域具有較高的精度[8-9].所以在山東地區實施GPS高精度測量時，選擇NAO99b模型進行海潮改正效果較好.

表1三種海潮模型比較

海潮模型數據來源分辨率覆蓋范圍NAO99b動力數據+T/P數據0.5×0.5全球FES2004動力數據+T/P數據+ERS數據+T/G數據0.125×0.125全球CSR4.0T/P數據0.5×0.5全球

圖5為NAO99b模型對內陸CORS站聊城站的定位影響，圖6為NAO99b模型對內陸CORS站菏澤站的定位影響.從圖3和圖5可以看出海潮對沿海測站的影響遠大于內陸測站的影響，垂直方向威海站最大為24mm，而聊城站最大不到10mm，是內陸測站的3倍左右，圖6中菏澤站對大位移量達到12mm,同樣遠小于沿海測站。隨著測站遠離海洋，海潮負荷的影響隨之減小，沿海測站受海潮負荷影響比較明顯，說明海潮對GPS測量的影響與測站位置有關.所以在進行沿海GPS高精度測量時應考慮海潮負荷的影響.

圖5　NAO99b海潮模型對聊城站定位的影響

2.2海潮對山東CORS基線的影響

圖7　FES2004海潮模型對山東省GPS基線(煙臺—威海)的影響

圖8　FES2004海潮模型對山東省GPS基線(金鄉—石島)的影響

圖7、圖8為煙臺—威海的GPS基線(長度65.862km)和金鄉—石島的GPS基線(長度592.181km)的一個月的基線較差時間序列.從30天的時間序列來看，海潮負荷對GPS基線三個方向的影響都具有明顯的周期性，周期在14.8天左右.從上述兩圖可以看出，海潮負荷對GPS基線的影響與長度有關，FES2004海潮模型對煙臺—威海基線影響最大達到0.7mm，而對金鄉—石島基線的影響則最大接近3mm，相對影響達到10-8-10-9，一般來說，在對長度較長的沿海與內陸測站的基線影響都達到mm級，短基線的相對影響較大，因此在沿海進行GPS高精度測量時應該考慮海潮負荷改正.

3結論

(1)在沿海地區進行GPS高精度測量時，要考慮海潮負荷的影響，海潮對山東CORS站的影響在垂直方向最大達到28mm，遠大于東西方向和南北方向.

(2)海潮負荷對沿海測站的影響最大達到28mm，是內陸測站的2倍左右，所以在沿海地區海潮負荷對GPS測量的影響不可忽略.

(3)海潮模型之間仍有差異，所以在沿海地區實施GPS高精度測量時要選擇合適的海潮模型，對山東地區來說NAO99b海潮模型精度最高.

(4)海潮負荷對GPS基線的影響與基線的長度和測站的位置有關，并具有明顯的周期性，所以在沿海進行GPS高精度測量時，尤其是短基線測量時要考慮海潮負荷的影響.

參考文獻:

[1]張海平,高士民,周長志,等.SDCORS系統測試與技術性能分析[J]. 全球定位系統,2013(3):61-64，83.

[2]孫和平，周江存，許厚澤．中國地殼運動觀測網絡基準站應變場變化的海潮負荷信號改正問題[J]．測繪學報，2002，31(3)：222-227．

[3]周旭華,吳斌,李軍.高精度大地測量中的海潮位移改正[J]. 測繪學報,2001(4):327-330.

[4]趙紅,張勤,黃觀文,等. 基于不同海潮模型研究海潮負荷對GPS精密定位的影響[J]. 大地測量與地球動力學,2012(5):108-112.

[5]周江存，孫和平.海潮負荷對GPS基線的影響[J].大地測量與測量動力學,2005,25(4):27-32.

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[7]王志強. 高精度GPS測量中的海潮問題[D].武漢,中國科學院研究生院(測量與地球物理研究所),2002.

[8]劉立. 負載潮對我國沿海地區精密定位的影響研究[D].北京,中國測繪科學研究院,2011.

[9]孫和平，許厚澤，周江存，等. 武漢超導重力儀觀測最新結果和海潮模型研究[J]. 地球物理學報，2005，48(2)：299 - 307.

(編輯：劉寶江)

The effects of Shandong regional ocean loading on GPS high precision surveying

QI Yang-xu , QU Guo-qing

(School of Civil and Architecture Engineering, Shandong University of Technology， Zibo 255049， China)

Abstract:The ocean loading effects on GPS and GPS baselines are calculated by using the FES2004, CSR4.0 and NAO99b ocean models based on the baseline information of SDCORS website data. In terms of GPS positioning, the results show that the ocean loading effects on coastal areas are greater than the inland areas about 3 cm, and the influence of vertical direction is the greatest one which is 2-3 times as large as the east-west and north-south direction; in terms of GPS baselines, ocean loading effects on SDCORS baselines are related to the length and station position, and have obvious periodicity. It could not be ignored in the coastal area GPS high accuracy surveying .In addition, the NAO99b model is the most suitable model for GPS high accuracy surveying in Shandong area based on the calculation results of the three kinds of tidal model contrast analysis.

Key words:SDCORS; ocean loading; tide model; GPS high accuracy surveying

中圖分類號：P228

文獻標志碼：A

文章編號：1672-6197(2016)04-0020-04

作者簡介：祁仰旭，男，260613824@qq.com； 通信作者： 曲國慶，男，qgq@sdut.edu.cn

基金項目：山東省自然科學基金項目(ZR2010DL003)；大地測量與地球動力學國家重點實驗(SKLGED2014-5-7-E)

收稿日期：2015-06-24