基于實時精密單點定位的長距離航道潮位控制方案

魏小輝

摘 要：應用實時PPP技術解決長距離航道潮位控制問題，首先需要理解PPP技術的原理、解算模型及模型精度，采用實時連續參考站提供的高精度鐘差及衛星軌道誤差對GPS采集數據改正即可得到實時PPP測量數據；通過實時PPP測得的GPS高再經姿態改正、潮位提取、基準面轉換等步驟獲得潮位。

關鍵詞：實時PPP；潮位控制；長距離航道；GPS高改正

中圖分類號：U612.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）6-0044-02

在經濟快速發展的今天，中國近海沿岸工程開發越來越大型化、復雜化，出現了之前未曾出現過的超大規模工程，例如長距離航道。2000年以前的航道長度在5～15公里，現在出現了40～80公里長的航道，長距離航道為水深測量工作帶來了新的挑戰，潮位控制就是難點之一。

對于長距離航道而言潮位變化較大，案臺潮位站控制范圍最遠只有10KM，10KM外潮位難以控制。為解決長距離航道潮位控制的難題，目前常見的解決方案均是基于天文潮位加余水位訂正推算，該方案受外界干擾（漁民拖網作業、錨系作業等）較大，且均涉及推算誤差，有時會出現隨時間和距離的推移推算誤差越大的情況。

在此背景下，精密單點定位（PPP）技術出現在我們視野之內，該技術是利用高精度的GPS衛星星歷和衛星鐘差以及單臺接收機的雙頻載波相位觀測值進行定位，其誤差不能利用差分的方法消除，只能利用模型和位置參數一起估計的方法消除其影響，實時動態解已經達到厘米級的定位精度。由于實時PPP僅利用單臺接收機即可在全球范圍內進行動態高精度定位，同時能直接得到高精度的ITRF框架坐標，通過改正計算能夠獲取實時潮位（GPS數據需要事后處理），并且誤差不隨時間和距離的推移而增大，因此該技術測量精度控制在20cm內就會在40-80公里長的航道潮位控制工作中有不可限量的應用前景。接下來我們將從PPP定位方法、實時PPP的精度及實時PPP潮位控制方法探究該潮位控制方案。

1 GPS精密單點定位方法闡述

精密單點定位是指利用單臺接收機的載波相位觀測值和偽距觀測值以及IGS等組織提供的高精度衛星星歷及精密衛星鐘差來進行高精度單點定位。該方法利用IGS提供的或自己計算的GPS衛星精密星歷和精密鐘差，可以使單臺GPS雙頻雙碼接收機的觀測數據在全球范圍內實現高精度定位，有單機定位、采用非差模型、載波相位定位、精度高和不受作用距離限制等技術特點，其中不受作用距離限制是筆者將該技術應用于長距離航道潮位測量的主要原因。

1.1數學模型

本文采用一種高精度模型，該模型借鑒GPS相對定位中，采用單差、雙差和三差觀測值來消除和減弱各種誤差影響，即同一歷元不同衛星求差，然后相鄰歷元做二次差以增加觀測量的相關性，再將二次差模型求解的測站坐標與權陣僅作為卡爾曼濾波器的初始值，然后以星間一次差為模型求解測站坐標和模糊度等參數，模型推導如下：

通過相近歷元不同衛星之間求差，例如歷元i衛星l的消電離層組合觀測值的觀測方程是：

同歷元中高度角最大的衛星r的消電離層組合觀測值的觀測方程是：

以上兩式相減，得到同歷元星間差分觀測方程。

接下來兩個歷元i與j之間再做差，組成星間歷元二次差觀測方程：

將方程（3）線性化用卡爾曼濾波方法求解，結算結果作為濾波初始值，再與同歷元星間差分觀測方程線性化后求解。

1.2精度分析

本文取GPS于已知點上采集靜態觀測數據，歷元間隔為5s，觀測時衛星數目為6-8顆，衛星截止高度角為15°。從IGS網站下載同一時段的精密星歷與精密鐘差文件，用軟件對該模型進行數據分析，大約在1000s附近反彈，不到2000s的時候達到厘米級精度。

1.3實時精密單點定位的實現

在精密單點定位的解算過程中，需要根據地面跟蹤站網的觀測數據計算得到衛星軌道誤差和鐘差產品精度，是實現實時PPP的關鍵和核心問題。如果能實時收取GNSS衛星軌道與鐘差改正數據，即可實現PPP數據實時解算，進而能夠更快的得到潮位來測量出圖。

2 基于實時精密單點定位的潮位控制方法及精度分析

實時精密單點定位的潮位測量是利用GPS天線高處實測的大地高經過姿態改正、潮位提取、基準面轉換等步驟，最終獲得測量船所在位置的潮位。接下來將從以上幾個方面闡述該方法。

2.1船姿改正

利用GPS測量潮位時，GPS天線固定在測量船上方，在船系坐標系下量取GPS天線相位中心到水面X、Y、Z三個方向的相對值，將GPS測得的高程值轉換為水面瞬時的高程值。然后根據姿態改正所得參數構造旋轉矩陣，將水面瞬時高程值轉換為瞬時海面高程，這就為下一步的潮位提取奠定了基礎。

2.2潮位提取

得到連續的瞬時海面高程后，將其起伏看作一種混合波，從中提取低頻潮位信息，進行吃水參數改正后即可得到大地高潮位。

2.3垂直基轉換

實際操作中，大地高潮位需要轉換成施工要求的潮位基準面。潮位基準面是根據每個海域潮位觀測數據確定的，前期需要借助壓力式潮位儀確認岸臺潮位站的潮位基準面與海臺潮位站的潮位基準面之間的關系。這個關系非線性，不連續，從而造成潮位表達跳變，為此需建立無縫垂直基準轉換模型，轉換后得到基于潮位基準面的潮位，即施工需要的潮位。

2.4長距離航道實時PPP潮位測量精度分析

為檢驗實時PPP 技術在潮位測量的可行性，2016年7月3日下午13：30到14：50在濰坊港中港區48公里長的航道上采用PPP模式進行了1h多的數據采集。本次試驗導航定位儀器采用Trimble SPS351接收機，姿態傳感器型號為iXSEA OCTANS III，選擇距離案臺49KM的航道盡頭為實驗水域，以用于檢驗遠距離時實時PPP潮位測量的效果。實驗中給出的數據均基于濰坊中港區當地理論最低潮面，實時潮位通過FFT濾波從所測瞬時水面中獲取。為驗證該方式的可行性，本文采用案臺和測區分別臨時拋設虛擬驗潮儀推算測區潮位的方法與該方式所測數據進行對比，來驗證實時PPP潮位測量的準確性，統計結果如表1所示。

由表1 可以看出實時PPP潮位與推算所得潮位保持了較高的一致性，只不過由于GPS的不穩定性會帶來輕微的數據跳動，對于異常數據可以進行適當內插。比如14：00測得的潮位為0.96m，明顯是GPS不穩定造成的，前后數據相對較穩定，即可將14：00的潮位進行內插改正取前后時刻的平均值1.17，與推算潮位較差為5cm，符合潮位測量精度。

由上表再加對異常數據的改正，可見實時PPP測量潮位可用于長距離航道的潮位測量。

3 總結

實時PPP測得的潮位是潮位測量船在航過程中得到的實時潮位，精度不會因為離岸距離遠近和時間推移而變化，提高了潮位的確定精度和可靠性，同時也解決了推算潮位受外界干擾大的問題，所以該技術極適合應用于長度在40KM以上的航道潮位測量中。但是由于是新的技術，仍有很多問題在短時間內難以得到完美的解決，比如該文中提到的垂直基準轉換問題，高精度的遠海潮位基準面需要一年甚至更長時間的觀測才能確定（近海潮位基準面是由岸臺潮位站數年的潮位數據求得），短時間測得的遠海潮位基準面精度會較低，還需要加強此類技術的研究。

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