遠海PPK 測量潮位用于深度基準面計算的研究

周 穎，王 瑞

（中交廣州航道局有限公司，廣東廣州 510221）

引言

潮位控制在水深測量中是至關重要的一環，深度基準面的確定是潮位控制的基礎，隨著船舶運輸業的發展，航道的建設航線離岸邊距離越來越遠，遠海水深測量工作難度加大，其中最主要的困難在于遠海的水位控制以及深度基準面的確定。確定臨時水位站深度基準面，傳統做法有修建海上驗潮站、拋設水位計、潮位模型推算等方法。修建海上驗潮站成本高、難度大，非長期使用不夠經濟，一般不采用此方法；拋設水位計容易被漁船拖動導致數據異常、纜繩斷裂儀器無法回收導致數據丟失等現象。模型推算所需資料較多，推算復雜，受潮位站分布、潮流變化等影響，精度難以保證。基于以上的考量，開展遠海GPS 后處理技術（PPK）的潮位測量及提取、用于深度基準面計算的研究，實現遠海PPK 潮位精確測量。

1 遠海PPK 潮位測量及提取

遠海PPK 潮位測量系統主要由GPS 基準站和流動站組成，作業不受無線電通訊限制，儀器同時接收衛星即可，采樣頻率均設置為1 Hz，作業距離在50～80 km 內精度優于10 cm[1,2]，通過基準站和流動站的空間相關性，使用TBC 軟件進行PPK 解算，可得到流動站 GPS 相位中心瞬時三維解（X,Y,Z）ppk[3]，TBC 軟件中可查看流動站軌跡線，根據錨定PPK 測量軌跡圖可得知錨定點處潮流流向，漲潮流向為南偏東方向，落潮流向為北偏西方向，在漲落潮轉換期間測量船軌跡隨潮汐變化做圓弧運動，直徑約為150 m，在該范圍內高程異常引起的誤差約為0.6 cm，對潮位觀測影響較小。

錨定PPK 潮位測量，對Z 值進行濾波處理及擬合實現潮位提取[4]。潮位提取采用我司自研發的軟件，利用最小二乘法對數據進行擬合，潮位提取間隔采用5 分鐘。潮位提取示意圖見圖1：

圖1 潮位提取示意圖

2 試驗及分析

為檢驗遠海錨定PPK 潮位可行性，結合鹽城港大豐港區深水航道疏浚工程水深測量，2019 年7 月21 日、9 月11 日分別在A、B 點開展兩次遠海錨定PPK 潮位測量試驗，錨定點均設計在航道邊，PPK基準站架設在項目部樓頂，GPS-PPK 基準站、錨定點、驗潮站位置見圖2：

圖2 GPS-PPK 基準站、錨定點、驗潮站位置示意圖

圖中錨定點A、B 與基準站距離分別為39 km和48 km，兩次觀測均在大潮期間進行，錨定PPK潮位觀測的同時在附近拋設壓力式水位計，水位計拋設前開啟GPS 流動站，拋設水位計的同時GPS可完成初始化，待測量船錨定后，連續不間斷采集72 h 數據，比較兩種方法潮位曲線的差異。錨定PPK潮位記錄的是WGS 84 橢球下的大地高潮位，而水位計記錄的是潮汐變化曲線，將兩者數據歸算至碼頭長期驗潮站同步期平均海面進行比較[5]。圖3、圖4 分別表示A 點轉換后的PPK 潮位和水位計潮位及偏差曲線圖、偏差分布直方圖。

圖3 錨定A 點PPK 潮位和水位計潮位及偏差曲線圖

圖4 錨定A 點偏差分布直方圖

由圖表可看出A 點PPK 潮位和水位計的偏差較大的值主要集中在最高潮和最低潮附近，偏差沒有大于15 cm的點，偏差大于10 cm的點占比4.5 %，絕大部分偏差小于10 cm，偏差值在5 cm 以內的點達到了71.4 %，偏差值符合正態分布，A 點觀測的PPK 潮位和水位計潮位較為吻合。

圖5、圖6 分別表示B 點轉換后的PPK 潮位和水位計潮位及偏差曲線圖、偏差分布直方圖。由圖表可看出B 點PPK 潮位和水位計的偏差較大的值同A 點一樣主要集中在最高潮和最低潮附近，偏差沒有大于10 cm 的點，偏差值在5 cm 以內的點達到了90 %，偏差值符合正態分布，B 點觀測的PPK潮位和水位計潮位吻合度非常高；

圖5 錨定B 點PPK 潮位和水位計潮位及偏差曲線圖

圖6 錨定B 點偏差分布直方圖

對潮位偏差參數進行統計分析，統計表見表1；偏差最大值為13.4 cm，最小值為-10.9 cm，均來自第一次的A 點觀測數據，且A 點PPK 潮位基線長度較B 點要短。分析其原因可能有以下兩點：1.第一次的測量船沒有第二次的大，抗風浪能力差，船舶搖晃相對較大；2.第一次較第二次觀測時段風浪偏大。但兩次觀測標準差均優于5 cm 的精度，從而表明了遠海PPK 潮位觀測和提取方法的準確性。

表1 錨定PPK 潮位和水位計潮位偏差參數統計

3 遠海PPK 潮位用于深度基準面的確定

3.1 平均海面

確定臨時水位站平均海面，采用同步觀測法時，臨時水位站和相鄰長期水位站同步觀測水位的天數可取3～15 天。

3.2 深度基準面確定

同步期平均海面的計算，需在大潮期間同步觀測長期水位站和臨時水位站72 h，通過提取最高潮位、最低潮位計算臨時水位站、長期水位站同步期平均半潮差Px（m）、P（m）、以及長期水位站深度基準面與同步期平均海面的高差L（m），臨時水位站深度基準面與同步期平均海面的高差L'x（m）按式（1）計算[6]。

3.3 精度分析

臨時水位站深度基準面的確定由式（1）可知，L'x 值的計算取決于L 值、P 值、Px 值，計算時L值和P 值均使用碼頭長期驗潮站的觀測值，而Px值分別采用PPK 潮位和水位計潮位觀測數據進行計算，分析PPK 潮位用于確定深度基準面的精度。大豐港潮位規律符合正規半日潮，選擇大潮期間同步觀測72 h 潮位數據，A、B 點分別統計5 組高低潮數據[7]，分別計算水位計潮位和PPK 潮位半潮差平均值，確定A、B 點臨時驗潮站與碼頭長期驗潮站潮差比，A、B 點半潮差計算表分別見表2、3：

表2 A 點7 月21 日-7 月24 日潮位半潮差計算表

表3 B 點9 月11 日-9 月14 日觀測半潮差計算表

由表2、3 可看出PPK 潮位和水位計潮位半潮差偏差最大值為4.5 cm、最小值為-4.0 cm，精度優于5 cm。A 點PPK 潮位和水位計潮位平均半潮差偏差僅0.4 cm，而B 點則完全一致，平均半潮差的計算精度達到了厘米級，而潮差比Px/P 的值對L'x值的影響最大僅為千分之2。通過以上分析，PPK潮位用于計算L'x 值的精度與水位計潮位的計算基本一致，能夠保證L'x 值的正確性。

4 結語

本文主要是對遠海PPK 潮位測量技術同常規水位計潮位測量方法進行比較，驗證最小二乘法計算遠海PPK 潮位的準確性，驗證遠海PPK 潮位測量的精度和穩定性。對遠海PPK 潮位用于計算深度基準面的精度進行分析驗證，推算潮位整體精度優于10 cm，偏差均小于15 cm，PPK 潮位用于計算L'x 值與常規水位計潮位計算的偏差控制在厘米級，滿足深度基準面推算要求，為深度基準面的確定提供可行方案。