基于GNSS測高技術(shù)的單站潮位改正方法研究

， ，代水，

(長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443000)

潮位改正的實(shí)質(zhì)是在瞬時(shí)測深值中扣除水面時(shí)變影響，將測得的瞬時(shí)深度轉(zhuǎn)化為一定基準(zhǔn)上與時(shí)間無關(guān)的“穩(wěn)態(tài)”深度場的數(shù)據(jù)處理過程[1]。在高精度水深測量中，潮位值由一個或多個驗(yàn)潮站上的潮位觀測序列提供。在水深測量工作中，反演出多種潮位改正方法，如單站潮位改正、多站潮位改正，其中，多站潮位改正方法有線性內(nèi)插法、分帶分區(qū)法、時(shí)差法、最小二乘法[2]等。

1 單站潮位改正的局限性

當(dāng)測區(qū)范圍不大于5 km時(shí)，在某一驗(yàn)潮站的有效控制范圍內(nèi)，測區(qū)內(nèi)水深數(shù)據(jù)可用該站的潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行潮位改正，在單站改正前要做的重要工作之一是確定驗(yàn)潮站的有效控制范圍。驗(yàn)潮站有效范圍[3]是指在兩個驗(yàn)潮站斷面上，一個驗(yàn)潮站按給定潮位改正精度的作用距離，這取決于兩點(diǎn)間的最大潮差，計(jì)算公式為

(1)

式中，δ為精度指標(biāo)，根據(jù)測量精度要求取0.1 m或0.2 m；DAB為兩站間距離，根據(jù)驗(yàn)潮站位置由大地測量反算公式計(jì)算；Δζmax為兩站間最大潮差，隨著測區(qū)與驗(yàn)潮站間的距離增大，潮位改正的精度逐漸減小。假設(shè)驗(yàn)潮站B恰好位于驗(yàn)潮站A有效范圍的邊緣，即DAX=DAB，則Δζmax=δ，得出在驗(yàn)潮站有效控制范圍的邊緣地帶僅潮位改正誤差就達(dá)到水深測量限差δ，這樣對單波束水深測量的精度影響較大。

通過以上分析可以看出，測區(qū)與驗(yàn)潮站間的距離增大，用單站潮汐改正嚴(yán)重影響水深測量精度。為了獲得高精度的水深測量數(shù)據(jù)，需增加驗(yàn)潮站的數(shù)量，進(jìn)行雙站、三站甚至多站潮汐改正。這種增加驗(yàn)潮站的方式不僅嚴(yán)重浪費(fèi)人力、物力，且當(dāng)測區(qū)遠(yuǎn)離海岸，無法增設(shè)驗(yàn)潮站時(shí)，會對海洋測量帶來不便。因此，本文提出一種GNSS測高與單站潮位聯(lián)合改正方法，較好地解決這一問題，有效地提高了水深測量精度，同時(shí)又節(jié)省了人力、物力。

2 基于GNSS測高的單站潮位改正

隨著GNSS定位技術(shù)的發(fā)展，尤其是GNSS測高精度的提高，在海洋測繪中GNSS已不僅應(yīng)用于平面定位。利用GNSS的載波相位差分技術(shù)進(jìn)行高精度定位，獲得測船GNSS天線相位中心的精確高程，GNSS RTK能達(dá)到厘米級高程精度。測船在走航式測深過程中，由于風(fēng)浪及潮汐等因素引起測船吃水變化、涌浪效應(yīng)及潮汐變化，使測船垂直分量產(chǎn)生動態(tài)變化，進(jìn)而影響測深質(zhì)量，見圖1。

圖1 GNSS測高中的幾何關(guān)系

其中，H為GNSS接收機(jī)天線相位中心橢球高，可利用GNSS載波相位差分解算出；L為GNSS接收機(jī)天線相位中心到換能器的距離，為固定值；T為瞬時(shí)潮位；S為涌浪效應(yīng)引起的測船升沉；C為換能器吃水；ζ為基準(zhǔn)面偏差，即理論深度基準(zhǔn)面至參考橢球面的距離；h為瞬時(shí)水深。則有

H=L+T+S+ζ-C

(2)

由式(2)可知：GNSS高程H的變化與潮位T的變化、涌浪效應(yīng)參量S、換能器吃水C及基準(zhǔn)面偏差ζ的變化有關(guān)。

在岸邊驗(yàn)潮站觀測潮位數(shù)據(jù)，同時(shí)在測量過程中獲得測區(qū)內(nèi)每一測點(diǎn)的瞬時(shí)GNSS測高數(shù)據(jù)。利用小波去噪法[4]等方法，對GNSS高程進(jìn)行濾波處理，濾除涌浪數(shù)據(jù)S，得到測船任意時(shí)刻的GNSS高程近似曲線，見圖2。

圖2 GNSS高程和潮位曲線變化

圖中，TA(t)為驗(yàn)潮站潮位曲線，TB(t)為測區(qū)潮位曲線，HB(t)為濾除涌浪后的GNSS高程近似曲線，δAB為測區(qū)和驗(yàn)潮站間的潮時(shí)差。換能器的吃水C包含兩個部分：①靜態(tài)吃水，在測量過程中會由于油耗等因素呈線性變化，變化量很小，在此處計(jì)算曲線擬合時(shí)不予考慮；②動態(tài)吃水，主要受船速的影響，按照規(guī)范，單波束水深測量作業(yè)時(shí)應(yīng)使測船盡量保持勻速，因此可把動態(tài)吃水近似看為一個常量。由于1 d中的單波束測量作業(yè)范圍較小，基準(zhǔn)面偏差ζ可認(rèn)為是一個常量，則有

HB(t)=TB(t)+L+ζ-C

(3)

測區(qū)潮汐曲線TB(t)可視為GNSS高程曲線HB(t)向下平移了L+ζ-C，而縱軸的平移量L+ζ-C對橫軸上的δAB的計(jì)算沒有影響。

根據(jù)時(shí)差法潮位改正理論[3]，把驗(yàn)潮站潮位與GNSS高程視作信號，驗(yàn)潮站潮位序列為X1,X2,…，Xn，GNSS高程序列為Y1,Y2,…,Yn，τ為時(shí)間延時(shí)，通過相似函數(shù)

(4)

求得相似值序列Rxy(1)，Rxy(2)，…，Rxy(n)，當(dāng)相似值|R|最接近1時(shí)，兩曲線最相似，此時(shí)的時(shí)間延時(shí)τ可認(rèn)為是驗(yàn)潮站和測區(qū)的潮時(shí)差δAB，測區(qū)的潮位TB(t)=TA(t+δAB)，即通過在驗(yàn)潮站的潮位加入潮時(shí)差因子，可推估出測區(qū)的潮位。因此用潮位TB(t)對水深測量數(shù)據(jù)進(jìn)行潮位改正要比用驗(yàn)潮站潮位TA(t)精確。

3 實(shí)例計(jì)算

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為黃海某海域?qū)崪y數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2013年7月，其中GNSS測量采用的是當(dāng)?shù)谻ORS網(wǎng)站方式，用于定位數(shù)據(jù)和GNSS高程數(shù)據(jù)的獲取，數(shù)據(jù)采集頻率是10 Hz。測深系統(tǒng)使用的是單波束測深系統(tǒng)，驗(yàn)潮數(shù)據(jù)通過人工驗(yàn)潮獲得。

首先利用小波去噪方法對GNSS測高數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，濾除涌浪信息，效果見圖3。

圖3 小波去噪效果

GNSS高程曲線序列加常數(shù)對計(jì)算潮位曲線和GNSS高程曲線的相似度影響較小，可以通過計(jì)算潮位曲線和GNSS高程曲線的相似度來計(jì)算驗(yàn)潮站和測區(qū)的潮時(shí)差。該次試驗(yàn)人工驗(yàn)潮潮位數(shù)據(jù)采用10min間隔采集，為了提高計(jì)算潮時(shí)差的精度，對驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，間隔為1min，見圖4。

圖4 驗(yàn)潮站潮位曲線

為方便對比計(jì)算GNSS高程曲線和驗(yàn)潮站潮位曲線，將濾波后的GNSS高程曲線去除跳變值后，在整分處取10s的GNSS高程數(shù)據(jù)求平均后代表此刻的GNSS高程值。處理后效果見圖5。

圖5 測區(qū)GNSS高程

根據(jù)時(shí)差法潮位改正理論[3]，驗(yàn)潮站潮位序列為X1,X2,…，Xn，GNSS高程序列為Y1,Y2,…，Yn，τ為時(shí)間延時(shí)，由于潮波傳播方向未知，則τ取值為0，±1，±2，±3，…,±n-1，單位為min。通過相似函數(shù)公式(4)，利用MATLAB求得相似值如表1所示，則測區(qū)與驗(yàn)潮站的潮時(shí)差為-7 min，推算出測區(qū)的潮位

TB(t)=TA(t+δAB)

(5)

改正后測區(qū)的潮位曲線TB(t)和驗(yàn)潮站潮位曲線TA(t)潮位比較見圖6。

表1 時(shí)間延時(shí)與相關(guān)度對應(yīng)

圖6 測區(qū)GNSS高程和測區(qū)潮位曲線

4 結(jié) 語

基于GNSS測高技術(shù)的單站潮位改正方法相對于傳統(tǒng)的單站潮位改正，考慮潮時(shí)差因素，結(jié)合時(shí)差法的潮位改正方法，能夠有效提高單波束水深測量精度。該綜合潮位改正方法適用于范圍較小的海域水深測量。若要應(yīng)用于大范圍海域，需考慮大范圍海域內(nèi)基準(zhǔn)面偏差變化，應(yīng)將測區(qū)分區(qū)后再采用該方法處理。