基于精密單點定位技術的遠程GPS驗潮

李圳,章傳銀,單瑞,路媛琦

(1.山東科技大學 測繪科學與工程學院,青島 266510;2.中國測繪科學研究院,北京 100830;3.國土資源部海洋油氣資源與環境地質重點實驗室,青島 266071;4.青島海洋地質研究所,青島 266071)

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基于精密單點定位技術的遠程GPS驗潮

李圳1,2,章傳銀2,單瑞3,4,路媛琦1,2

(1.山東科技大學 測繪科學與工程學院,青島 266510;2.中國測繪科學研究院,北京 100830;3.國土資源部海洋油氣資源與環境地質重點實驗室,青島 266071;4.青島海洋地質研究所,青島 266071)

精密單點定位(PPP)技術應用于遠程海水驗潮,可有效彌補傳統驗潮方法受距離限制等缺點。本文將單天的IGS觀測數據基于Bernese軟件進行了單歷元PPP解算,探討了PPP應用于海水驗潮的有效性。并采用門限濾波方法提取潮汐信息,通過分析模擬潮位數據及西沙實測數據的內符合精度證明,PPP驗潮能夠達到厘米級的精度。

精密單點定位;精度;潮汐觀測;門限濾波

0　引　言

沿海地區是人類進行生產生活活動最頻繁的區域,然而在這一地帶潮汐現象顯著地影響著人們的生活,例如,沿海地區的農田排灌,圍海造田,水產養殖,潮能發電,航行筑港等,與潮汐的漲落有著密切的聯系,因而,潮汐十分具有研究意義[1]。

傳統潮位獲取方法有修建驗潮站、拋投壓力式驗潮儀或根據潮位模型推算得到,但它們都受成本過高或精度不夠等缺點的制約[2]。而PPP驗潮是近幾年興起的潮位測量方法,已經有相當數量的學者做了相關研究。馮義楷等分析了影響GPS驗潮精度的各種因素,提出了基于PPP技術的遠程潮汐測量[3];范士杰等進行了海上船載PPP驗潮試驗,并借助自主研制的PPP軟件,取得了良好的驗潮數據[4]。此外,國內外學者對動態PPP定位精度及其在海水驗潮中的應用均進行了相關研究[5-7]。

本文研究了基于Bernese軟件的單歷元PPP解算精度,并將門限濾波應用于PPP驗潮,從內符合精度上驗證了其可行性。

1　PPP驗潮

1.1單歷元精密單點定位觀測方程

由于潮位是實時變化著的,要想獲得某一瞬間的潮位數據,就需要逐歷元解算GPS觀測數據。在單歷元情況下,由于受到更多的誤差影響,使得定位精度有所下降[8],精密單點定位通常使用載波相位觀測值,其線性化后的觀測方程為

λφi=-liVx-miVy-niVz-cVtR-λNi+

(1)

1.2基于PPP的驗潮模型

GPS定位技術的發展,給PPP應用于海水驗潮提供了可能性,PPP驗潮可以有效彌補傳統驗潮方法受距離限制等缺陷。PPP驗潮的基本流程及原理如圖1、圖2所示。

圖1　PPP驗潮的流程圖

圖2　PPP驗潮方法原理圖

載體上安放接收機,其正常高和大地高分別為hkm、hkg,h為接收機天線高。潮位通常以海圖高來描述,因而需要對高程基準進行轉換,則流動站的瞬時潮位為

T=hkm-h-h0=hkg-ξk-h-h0,

(2)

式中:h0為水尺零點高程，通常借助潮汐表獲取;ξk為高程異常。

由于受波浪影響,載體姿態也會隨之發生相應改變,從而對PPP驗潮獲取的數據產生一定影響[11]。GPS測量大地高,它所測得的瞬時海面并不代表實際潮位面T(t),為此需要進行門限濾波,用以消除波浪ω的影響如圖3所示。

不考慮其他因素影響,瞬時海面Ts可看作由潮汐T和波浪ω組成,表達式為

Ts=T(t)+ω(t) ,

(3)

(4)

G(V0i+ui)-gi) ,

(5)

式中:ai,bi為波浪i在正交方向上的分振幅; ?i為波浪i的周期;MSL0為長期平均水位高度;fi為分潮i的交點因子;Hi為分潮i的平均振幅;qi為分潮i的角速率;V0i為分潮i的格林尼治零時天文初相角;ui為分潮i點訂正角;gi為分潮的區時專用遲角。

由于波浪的涌動,載體發生變化,其影響較大,根據式(5),潮位周期一般大于1 h;涌浪周期一般為1～30 s.兩項的周期變化如圖4所示。對式(3)兩邊在[0,Δt]區間取積分平均:

(6)

圖4說明,只要選擇適當的Δt,便可以實現涌浪的濾除。

圖3　涌浪影響示意圖

圖4　水位及波浪周期示意圖

2　實驗與精度分析

2.1單歷元精密單點定位精度分析

由于本文的研究重點是PPP在海水驗潮中的應用,此時載體是不斷運動變化著的,探討的是接收機在某一時間的瞬時位置,故采用了單歷元解算模式,分析了動態PPP的定位精度。

為了驗證單歷元精密單點定位精度,本文選取了位于中國境內的TNML(新竹)IGS跟蹤站2015年3月5日的觀測數據,并結合IGS提供的精密星歷、鐘差等,基于Bernese5.0軟件對數據進行了單歷元解算,其中測站單歷元解與全天解坐標之差的統計結果如表1所示,N、E、U三個坐標分量相對于全天所有歷元解算結果平均值的偏差如圖5所示。

表1　測站單歷元解與全天解坐標之差的統計結果

圖5　N、E、U方向上測站單歷元解結果偏差圖

根據表1和圖5中可以看出,動態PPP在N、E、U三個坐標分量上的精度基本均勻,TNML測站的單歷元PPP定位精度為5.7 cm,其中,高程方向上精度優于5 cm,據此可知單歷元PPP的解算結果略低于GPS RTK技術的精度。但單歷元PPP只需要一臺接收機,無需進行數據差分,且其精度均勻,所以將單歷元PPP應用于海水驗潮,特別是遠離大陸的遠程海水驗潮是切實可行的。

2.2模擬潮位數據的構造設計與門限濾波處理

由于潮位數據主要由潮汐和波浪及其他一些噪聲組成,所以本文設潮位數據由兩個周期分別為12 h和6 h的潮位,周期為15 s的波浪和其他各種環境影響造成的服從(0,0.1)分布的隨機噪聲組成,則潮位可用下式表示:

f1(t)=10×sin[2π/(3600×12)×t+π/3],

(7)

f2(t)=5×sin[2π/(3600×6)×t+π/6],

(8)

fw=0.5×sin(2π/15×t),

(9)

fh(t)=0.1×N(0,1),

(10)

f(t)=f1(t)+f2(t)+fw(t)+fh(t),

(11)

其中: f1、f2為潮汐函數; fw為波浪函數; fh為噪聲。

本文基于MATLAB,根據式(7)～式(11)構建了模擬潮位數據f(t),對f(t)共采樣了1 024個數據,采樣頻率為1 Hz,結果如圖6所示。為驗證門限濾波效果,通過編程實現了模擬數據的門限濾波,繪制了濾波后的潮位變化曲線和理論潮位變化曲線,其結果分別如圖7、圖8所示,表2示出了兩者之間差值的統計結果。

圖6　模擬潮位數據f(t)

圖7　門限濾波處理后的模擬潮位數據

圖8　理論潮位數據

參數Max/mMin/mMean/mRms/m差值大小0.1536-0.17850.01730.0510

通過對圖7和圖8的對比可以發現,門限濾波很好的過濾了干擾。由表2可知,濾波結果與理論潮位值的標準差為5.1 cm,平均差異為1.7 cm,這反映了在濾波過程中對波浪的干擾濾除作用較好。

2.3PPP驗潮實驗

本文利用3臺GPS浮標觀測裝置,于2014年5月,在我國西沙群島某島嶼附近同一海域使用三臺接收機進行了同步PPP驗潮實驗,采樣間隔為60 s,浮標相對位置關系如圖9所示。

圖9　浮標相對位置關系示意圖

考慮浮標較容易受海面異常狀態的影響,故先對原始驗潮數據進行了粗差剔除,粗差的剔除主要依靠設置閾值實現,閾值如果過大則粗差探測不靈敏,剔除不干凈,如果過小則可能會剔除一些比較干凈的數據,因此應當反復實驗獲得一個恰當的閾值。在剔除粗差后,為了減小波浪影響,對潮位數據進行了門限濾波。在數據預處理工作完成之后,由于點云數據不易觀察分析,故采用了八階高斯擬合處理。

此外,三號接收機在150～250歷元的高程有異?，F象,出現了15 cm左右的系統誤差,此處應當為浮標錨定不穩造成的。為了分析該誤差,對100～300歷元間的驗潮數據進行了相鄰歷元作差,其結果如圖10所示。

圖10　相鄰歷元作差結果

從圖中可以看出,該浮標在155歷元和250歷元附近發生了15 cm左右的較大變化,但在155至250歷元之間浮標的變化卻較為平穩。這說明了浮標在155歷元時因外力影響使錨定異常,在250歷元時及時發現并修復,從而使得這一期間的測量數據出現了誤差,故在分析時將這一時段的潮位數據減小了15 cm.原始潮位數據及預處理后驗潮數據的擬合曲線如圖11所示。

圖11　三臺儀器所觀測的原始潮位數據及預處理后擬合曲線(a)一號接收機； (b)二號接收機; (c)三號接收機

驗潮數據經過預處理后,得到比較干凈的觀測值,之后將觀測時間同步,三臺接收機所得潮位變化值如圖12所示。可以從圖中看出,三臺儀器所測量的漲潮時間、落潮時間與潮差基本相同,潮位變化相當一致,將三臺儀器測量的潮高均值作為真值,研究每一歷元的潮高,分析其內符合精度,則各儀器與真值的歷元之差間統計結果如表3所示。

圖12　三臺接收機所測潮位變化值

表3　各接收機與真值的歷元之差間統計結果表

可以看出,三臺儀器的潮高數據內符合精度很好,其平均偏差僅有1 cm左右,均方根在6 cm之內,但第一臺接收機測得數據的RMS值較大,這在圖13中也可以比較清晰的看出其潮高與其他兩組數據相比有明顯的差異,在高潮和低潮階段更加明顯,這應該與浮標分布的不同海域潮汐存在微小差異有關。

3　結束語

本文研究了單歷元PPP應用于海水驗潮的可能性,并將門限濾波應用于驗潮數據分析,于西沙群島某海域進行了相關實驗,得出了如下結論:

1) Bernese軟件解算測站單歷元解的精度在平面上優于6 cm,高程方向上優于5 cm,略低于GPS RTK的定位精度,但是其點位誤差不受距離變化的影響,也無需陸地基站提供差分信號。

2) 門限濾波對數學函數構造的模擬潮位數據起到了較好去噪作用,研究西沙實驗數據進行粗差剔除與門限濾波之后的結果發現,其內符合精度很高,平均偏差僅有1 cm左右,均方根在6 cm之內。

綜上所述,利用單歷元PPP定位技術,并通過相關的數據處理之后進行海水驗潮可以達到厘米級的精度,與現在廣泛采用的GPS RTK驗潮技術所達到的精度基本相同。但PPP的優勢在于其不依賴陸地基準站,精度均勻,因而PPP應用于遠程海水驗潮具有一定的實用價值。

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Remote GPS Tide Observing Method Based on the Precise Point Positioning

LI Zhen1,2,ZHANG Chuanyin2,SHAN Rui3,4,LU Yuanqi1,2

(1.CollegeofGeomatics,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266510,China; 2.ChineseAcademyofSurveyingandMapping,Beijing100830,China; 3.KeyLaboratoryofMarineHydrocarbonResourcesandEnvironmentalGeology,Qingdao266071,China; 4.MinistryofLandandResources,QingdaoInstituteofMarineGeology,Qingdao266071,China)

The precise point position (PPP) technology is applied to the remote tide observing, which can effectively make up the disadvantage of traditional tidal methods limited by the distance. The paper makes the single epoch PPP calculation for the observation data of single IGS based on Bernese software to discuss the feasibility of PPP applied on the tide observing. PPP tide observing can achieve centimeter level accuracy by the tide information extracted from threshold filtering method and analyzing the analysis of simulated tidal data and the inner precision demonstration of Xisha measured data.

Precise Point Position; accuracy; tide observing; threshold filtering

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.04.012

2016-03-07

國家自然科學基金(批準號：41406115)

P228.4

A

1008-9268(2016)04-0053-06

李圳(1993-),男,碩士生,研究方向為空間大地測量學。

章傳銀(1968-),男,研究員,主要從事地球重力場與大地測量學研究。

單瑞(1985-),男,助理研究員,主要從事海洋測繪研究。

路媛琦(1992-),女,山東青島人,碩士生,研究方向為衛星定位與導航。

聯系人： 李圳 E-mail: sdkjlizhen@163.com