遠距離GNSS潮位測量精度的影響因素研究

王朝陽，周興華，李延剛，梁冠輝，付延光

（1.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266590；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；3.國家海洋局東海分局，上海 200137）

遠距離GNSS潮位測量精度的影響因素研究

王朝陽1,2，周興華1,2，李延剛3，梁冠輝2，付延光1

（1.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266590；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；3.國家海洋局東海分局，上海 200137）

為實現(xiàn)遠岸潮位精確監(jiān)測，從天線類型、浮標姿態(tài)改正、數(shù)據(jù)處理模式等影響因素進行了遠距離GNSS浮標潮位測量精度的分析研究。結果表明：相比于非扼流圈天線，采用扼流圈天線可有效提高GNSS浮標數(shù)據(jù)觀測質量，獲得較高精度的定位結果；姿態(tài)改正對浮標天線高誤差達厘米級，潮位提取中可通過低通濾波器有效消除；遠距離潮位測量（基線大于300 km）中PPP潮位精度整體優(yōu)于PPK潮位；GNSS潮位測量精度受海況影響嚴重，四級海況以內，潮位測量精度優(yōu)于10 cm，可以滿足遠距離潮位觀測精度的要求。

GNSS潮位測量；天線類型；姿態(tài)改正；數(shù)據(jù)處理模式；遠距離

全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）和數(shù)據(jù)處理技術日趨成熟，GNSS浮標在驗潮、海浪測量、海流提取、衛(wèi)星高度計標定等方面得到了廣泛應用[1-4]。為提高GNSS浮標海面測量精度，國內外學者對不同的影響因素進行分析研究。Watson等[5]分析了天線罩、姿態(tài)、系纜、鹽度等因素對浮標測高精度的影響。趙建虎等[1]探討了測量船在錨定和走航情況下瞬時水面高程信號改正方法及低通濾波器中最優(yōu)截止頻率的設定。閆龍浩等[6]分析研究了GPS浮標定標中基站觀測時間、浮標姿態(tài)、溫鹽以及相位中心對衛(wèi)星高度計標定精度的影響。

遠距離動態(tài)GNSS數(shù)據(jù)處理主要有GNSS載波相位后處理技術 (post processing kinematic,PPK)和精密單點定位技術 (precise point positioning,PPP)。PPK在短距離作業(yè)模式下可以獲得厘米級的高程精度，但隨著作用距離的增大其定位誤差增大；PPP不受作用距離的局限，在動態(tài)情況下垂向方向定位精度可以達到10 cm左右。GNSS浮標驗潮主要集中在離岸較近或內航道水域，風浪較小，作業(yè)距離短，取得了較好的結果[7-8]。而對于遠距離海域，觀測環(huán)境惡劣、作業(yè)距離長，利用PPK和PPP技術能否獲取高精度的潮位信息缺少相關研究。為此，本文基于PPK/PPP技術分析了不同天線類型對定位精度的影響；在遠距離潮位測量時，浮標姿態(tài)改正、數(shù)據(jù)處理模式及海況等級對潮位精度的影響，以期彌補我國遠距離潮位數(shù)據(jù)獲取能力不足，提高監(jiān)測觀測能力。

1 數(shù)據(jù)處理方法

1.1 PPK定位

PPK定位采用的是基準站和流動站組合定位模式。與RTK技術相比，PPK不受無線電等因素影響，可事后采用IGS提供的精密星歷進行數(shù)據(jù)處理，大大提高了其精度和作業(yè)距離。PPK定位的基本流程是：利用IGS提供的精密星歷和鐘差文件，聯(lián)合基準站周邊的IGS站解算出基準站在穩(wěn)定參考框架下的坐標；考慮基準站和流動站間定位誤差的空間相關性，采用載波相位測量的后處理差分定位技術獲得流動站精確的三維坐標，其定位模式為

式中：Nir(t)為流動站起始相位模糊度；Cir(t)為流動站起始歷元至觀測歷元的相位整周數(shù)；φir(t)為流動站相位觀測的小數(shù)部分；dρ為同一觀測歷元各項殘差。

1.2 PPP定位

PPP定位由美國噴氣推進實驗室（JPL）的Zumberge于1997年提出[9]，目前已廣泛應用于科研和實踐。該技術無需基準站，利用非差雙頻載波相位觀測值，在初始化后進行單歷元精密單點定位。本文采用事后處理模式，選用IGS提供的精密星歷和鐘差文件，然后以此為基礎對單臺接收機采集的相位觀測值進行非差定位處理。主要計算過程是：采用雙頻觀測值消除電離層影響，利用衛(wèi)星鐘差估計值消除衛(wèi)星鐘差項，衛(wèi)星坐標利用精密星歷計算，通過采用雙頻無電離層組合觀測值組成觀測方程：

式中：λ為波長；Δji,Ip(t)為電離層延遲；Δji,T(t)為對流層延遲；δρi(t)為鐘差估計量；Nji為整周模糊度；Int (φ)i為整周計數(shù)；Fr(φ)i為不足一周的部分。

2 實驗概況

本研究所選用的浮標體為直徑10 m的海洋氣象浮標，可抵御臺風、暴雨等氣象災害，確保長時間、連續(xù)性、全天候工作。為保障GNSS浮標觀測數(shù)據(jù)的可靠性和完整性，在浮標上安裝了兩套GNSS觀測設備，分別為Trimble NetR9接收機和自主研制的數(shù)據(jù)采集器，二者均為雙頻GNSS接收機，可接收GPS、GLONASS和北斗信號，采用的天線分別為TRM29659.0型扼流圈天線和 NOV703GGG.R2型天線。此外，在浮標重心處安裝TCM2.5型姿態(tài)儀，用于測量浮標瞬時橫搖和縱搖，為GNSS驗潮提供姿態(tài)改正參數(shù)。

浮標布放在我國東海海域附近，同時在溫州、平潭架設GNSS觀測站作為基準站。溫州觀測站采用的接收機為TOPCON NET-G3A，距離浮標布放點約300 km；平潭觀測站采用的接收機為TOPCON NET-G5，距浮標布放點約300 km，作為備份基站。觀測站采用的天線均為TPSCR.G3型扼流圈天線，可同時接收GPS和GLONASS衛(wèi)星信號。GNSS浮標數(shù)據(jù)和基準數(shù)據(jù)觀測時間均為2016年4月1日—4月30日，數(shù)據(jù)采樣間隔1 s，衛(wèi)星高度截止角設為5°。

3 潮位測量影響因素分析

3.1 天線類型對定位精度的影響分析

利用PPP定位技術分別對天寶和自研制數(shù)據(jù)采集器觀測數(shù)據(jù)進行處理，獲得天線相位中心在WGS84參考框架下的三維坐標。圖1給出了2016年4月4日天寶和自研制數(shù)據(jù)采集器天線相位中心的高程變化。從圖中可看出，天寶觀測數(shù)據(jù)解算結果比較可靠，而自研制采集器觀測數(shù)據(jù)的天線相位中心高程變化較大，粗差較多，解算結果精度較差。對兩種數(shù)據(jù)結果的模糊度固定率進行了統(tǒng)計，天寶觀測數(shù)據(jù)解算結果的模糊度固定率為90.27%，而自研制數(shù)據(jù)采集器解算結果僅為11.62%。

圖1 天寶和自研制數(shù)據(jù)采集器天線相位中心高程變化

解算結果精度受到數(shù)據(jù)觀測質量的影響，觀測數(shù)據(jù)的多路徑效應大、周跳多，將會造成數(shù)據(jù)解算中模糊度無法固定，結果精度差。為此，利用teqc軟件統(tǒng)計了兩套觀測設備4月1日—4月30日的數(shù)據(jù)質量，從數(shù)據(jù)完整率（DAR），多路徑效應（Mp）和觀測值與周跳比（o/slps）三個指標進行比較分析。天寶觀測數(shù)據(jù)的DAR為99%，而自研制數(shù)據(jù)采集器的DAR僅為22%。圖2～圖3分別給出了天寶和自研制數(shù)據(jù)采集器觀測數(shù)據(jù)Mp和o/slps的統(tǒng)計結果。從圖2中可看出，天寶觀測數(shù)據(jù)的Mp值在0.3 m左右，且比較穩(wěn)定；自研制數(shù)據(jù)采集器觀測數(shù)據(jù)的Mp值在0.3～0.8 m左右，受海況影響其值波動較大。從圖3可得出，自研制數(shù)據(jù)采集器觀測數(shù)據(jù)o/slps值僅為23，而天寶觀測數(shù)據(jù)o/slps值在200～1 200之間波動，當海況差時觀測數(shù)據(jù)周跳多，o/slps較小。

圖2 天寶和自研制數(shù)據(jù)采集器觀測數(shù)據(jù)Mp對比

圖3 天寶和自研制數(shù)據(jù)采集器觀測數(shù)據(jù)o/slps對比

綜合對天寶和自研制數(shù)據(jù)采集器觀測數(shù)據(jù)的各質量指標比較得出，天寶觀測數(shù)據(jù)質量明顯優(yōu)于自研制數(shù)據(jù)采集器結果，且天寶觀測數(shù)據(jù)質量比較穩(wěn)定可靠。由于兩套觀測設備所處的觀測條件相同，分析兩者數(shù)據(jù)質量差別較大是由所采用的天線類型造成的。自研制數(shù)據(jù)采集器采用的為非扼流圈天線，抗干擾能力差，多路徑效應較大，且海上觀測環(huán)境惡劣，導致觀測數(shù)據(jù)周跳多，嚴重影響解算結果精度。

3.2 姿態(tài)改正對浮標潮位精度的影響分析

GNSS浮標受海浪影響其傾角不斷發(fā)生變化，造成天線高誤差隨著浮標傾角變化而改變，進而影響到GNSS浮標潮位測量的精度。為了解浮標在波浪中的運動狀態(tài)，安裝姿態(tài)儀測量浮標三維姿態(tài)變化，用于改正瞬時浮標天線高。由于本文研究的GNSS浮標天線高較高，采用傳統(tǒng)的靜水測量法很難準確測量，為此，在布放浮標之前，利用GNSS浮標動態(tài)標定方法測量出浮標的天線高為9.664 m[10]。GNSS浮標潮位測量的主要計算過程是：剔除GNSS浮標解算結果中因模糊度無法固定而出現(xiàn)的粗差點，利用姿態(tài)改正數(shù)據(jù)對浮標天線高進行改正獲得瞬時海面高程，采用低通濾波器濾除涌浪、噪聲等短周期信號得到潮位變化信息。

為分析姿態(tài)改正對潮位精度的影響，對添加姿態(tài)改正和不添加姿態(tài)改正得到的潮位進行比較。圖4給出了2016年4月4日天寶觀測結果姿態(tài)改正數(shù)據(jù)添加前后的潮位對比，從圖中可看出兩者的潮位變化趨勢一致，差異很小。圖5為姿態(tài)改正數(shù)據(jù)添加前后的潮位差異，從圖中可知兩者差異在2 cm之內，平均偏差為1.58 cm，均方根誤差為0.15 mm。對波浪信息和浮標傾角進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，當在2.2 m波高、7 s周期情況下浮標最大傾角為4.17°，在此情況下浮標的天線高差為2.45 cm。然而，由于波浪周期較短，波浪引起的天線高誤差經(jīng)低通濾波器濾除，對潮位精度的影響很小。

圖4 姿態(tài)改正數(shù)據(jù)添加前后潮位對比

圖5 姿態(tài)改正數(shù)據(jù)添加前后潮位差值

3.3 數(shù)據(jù)處理模式對浮標潮位精度的影響分析

利用PPK定位和PPP定位分別對天寶觀測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)后處理，得到在兩種定位模式下的潮位信息。由于溫州觀測站距離浮標較近，且觀測數(shù)據(jù)可靠，在PPK數(shù)據(jù)處理中選作基準站。浮標布放點位于東海開闊海域，該區(qū)域附近沒有長期驗潮站，本文選用在該區(qū)域精度較高的NAO99.jb潮汐模型作為基準[11]，與上述兩種定位技術所測的潮位數(shù)據(jù)進行比較，來驗證PPK/PPP潮位測量的準確性。由于PPK/PPP潮位的高程系統(tǒng)與潮汐模型不同，對潮位數(shù)據(jù)進行比較之前將各潮位數(shù)據(jù)減去平均值。2016年4月4日PPK/PPP潮位與潮汐模型的比較結果見圖6。從圖中可看出，PPK/PPP潮位在波峰和波谷階段與模型數(shù)據(jù)存在較大偏差，其余部分吻合較好；PPP潮位整體與潮汐模型吻合度較PPK潮位好，但部分時段PPK潮位精度優(yōu)于PPP潮位精度。圖7給出了PPK/PPP潮位和與潮汐模型比較所得的誤差曲線，統(tǒng)計結果如表1所示。

圖6 PPK/PPP潮位與NAO99.jb潮汐模型比較

GNSS浮標觀測數(shù)據(jù)質量會受到海風浪等因素的影響，在海況較差的情況下甚至會出現(xiàn)衛(wèi)星失鎖情況，造成數(shù)據(jù)無法正常解算。為分析不同數(shù)據(jù)處理模式在不同海況下的精度差異，對2016年4月1日—4月30日PPK/PPP潮位與潮汐模型的日均方根誤差進行統(tǒng)計，結果見圖8。從圖中發(fā)現(xiàn)PPP潮位日均方根誤差小于10 cm占76.67%，最大值為13.92 cm，最小值為5.84 cm；PPK潮位日均方根誤差多數(shù)大于10 cm，最大值達到15.41 cm，最小值為8.45 cm。從不同的海況對解算結果進行分析：4月8日—11日PPK/PPP潮位精度較高，這些天全天的有效波高都在1 m以下，多數(shù)時間的平均風速低于5 m/s；4月15日—19日PPK/PPP潮位精度較差，這些天的平均有效波高為1.51 m，平均風速為8.33 m/s，4月17日海況最差，全天平均有效波高為2.14 m，平均風速達到10.60 m/s。通過以上分析得出：當五級及以上海況，PPP潮位精度在10 cm以上，PPK潮位精度在14 cm以上；當二級及以下海況，PPP潮位精度優(yōu)于6 cm，PPK潮位精度優(yōu)于8 cm。

圖7 PPK/PPP潮位與NAO99.jb潮汐模型誤差曲線

表1 PPK/PPP潮位與NAO99.jb潮汐模型的結果比較

圖8 PPK/PPP潮位與潮汐模型的日均方根誤差統(tǒng)計

4 結論

本文基于PPK定位和PPP定位技術，開展了遠距離GNSS潮位測量影響因素的相關研究。結果表明：在海上惡劣環(huán)境下，采用扼流圈天線可有效提高數(shù)據(jù)觀測質量，對潮位測量精度有較大影響；浮標姿態(tài)對天線高誤差影響達厘米級，潮位提取中可通過低通濾波器有效消除；遠距離GNSS浮標潮位測量中采用PPP模式要優(yōu)于PPK模式，四級海況以內，PPP潮位測量精度優(yōu)于10 cm，滿足潮位觀測精度要求[12]，為遠距離高精度潮位資料獲取提供了一種參考手段。研究發(fā)現(xiàn)GNSS浮標潮位在波峰和波谷階段的精度較差，如何提高該階段的潮位精度以及在海況較差情況下如何提高數(shù)據(jù)觀測質量仍需要進一步分析研究。

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Research on the Influence Factors in the Precision of Long Range GNSS Tidal Measurement

WANG Zhao-yang1,2,ZHOU Xing-hua1,2,LI Yan-gang3,LIANG Guan-hui2,FU Yan-guang1
1.Geomatic College,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,Shandong Province,China; 2.First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao 266061,Shandong Province,China; 3.East China Sea Branch of State Oceanic Administration,Shanghai 200137,China

In this paper,the precision of long range GNSS tidal level measurement is analyzed considering influence factors such as antenna type,buoy attitude correction,data processing mode in order to realize precise deep water tidal monitoring.Results show that compared with the common antenna,the choke coil antenna can effectively improve the quality of GNSS buoy observation data and obtain a high-precision positioning results. Attitude correction to the height of buoy antenna is able to reach the centimeter level,and can be efficiently eliminated by low pass filter in the process of tidal extraction.The overall accuracy of PPP tidal level measurement is better than that of the PPK tidal level measurement in long range tidal measurement(with baseline of more than 300 km).The precision of tidal level measurement is seriously affected by oceanic conditions,and should be better than 10 cm within state 4 oceanic condition,which can meet the accuracy requirement of long-range tidal level measurement.

GNSS tidal level measurement;antenna type;attitude correction;data processing mode;long range

P229

A

1003-2029（2017）03-0001-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.03.001

2017-02-09

自主星載高度計海面測高在軌絕對定標關鍵技術研究（2014DFA1710）

王朝陽（1989-），男，博士研究生，主要從事GNSS數(shù)據(jù)處理與GNSS氣象學研究。E-mail：fiowzy@126.com