不同海潮模型對中國大陸構造環境監測網絡GNSS數據解算的影響

劉洋洋 紀壽文 邵銀星 祝 杰

（中國北京100045 中國地震臺網中心）

0 引言

太陽和月亮的引潮力作用使海水質量重新分布，地表荷載隨之發生變化，引起固體地球產生形變，進而對地表的GNSS 測站位置產生影響，且影響程度與測站所處位置有關（孫和平等，2002；周江存等，2005）。Baker 等（1995）、Vey 等（2002）、King 等（2005）研究表明，海潮負荷對GNSS 基準站基線解算有幾個毫米精度的影響，沿海區域的海潮負荷對測站垂向位移的影響則可達到厘米級。自從Schwiderski 于20 世紀80 年代構制第一個全球海潮模型以來，隨著衛星測高等新技術的發展和應用，如NAO99.b、CSR4.0、FES2004 等高精度、高分辨率的區域及全球海潮模型層出不窮。例如：FES2004 海潮模型是根據動力模型、T/P衛星測高數據、ERS 衛星測高數據、T/G 潮高數據計算獲得，該模型覆蓋全球范圍，格網分辨率為0.125°×0.125°。趙紅等（2012）研究了不同海潮模型對單個不同位置的GPS 測站定位的不同影響；張杰等（2013）分析了不同海潮模型對基線解的影響；雷錦韜等（2015）分析了海潮負荷對南極沿海地區基線解算帶來的影響；劉洋洋等（2019）分析了海潮負荷對不同地區GPS 測站的解算影響；翟麗娜等（2021）分析了海潮負荷對重力固體潮產生的影響。但上述文獻大多圍繞海潮模型對不同GNSS 站點數據解算的影響展開分析，而未分析不同海潮模型的在中國范圍內的不同影響，缺少對中國大陸構造環境監測網絡（以下簡稱陸態網絡）GNSS 站點海潮模型的影響分析；同時，上述研究并未綜合分析海潮負荷在整個GNSS 基準站數據解算中的影響，選取指標僅包含基線或坐標結果。

本文選取2018 年陸態網絡GNSS 基準站部分均勻分布站點，選用不同海潮模型分別參與數據解算，以基線解、坐標結果、站點時間序列等為指標，分析其所帶來的不同影響，為選取海潮模型解算陸態網絡GNSS 數據提供參考。

1 數據選取及解算設置

選取2018 年陸態網絡GNSS 基準站及中國周邊IGS 站共48 個測站數據，采用GAMIT/GLOBK 軟件，分別采用CSR4、FES2004、GOT00、NAO99b 海潮模型，對所選站點GNSS數據進行解算，分別得到基線、定位、時間序列結果，以分析不同海潮模型對GNSS 解算所帶來的不同影響。所選站點分布見圖1（圖中標注各站點代碼），解算參數設置見表1。

表1 解算參數設置Table 1 Main parameter settings of solution

圖1 所選測站分布示意Fig.1 Distribution of selected stations

2 結果對比

利用GAMIT/GLOBK 軟件，解算得到4 種海潮模型影響下的基線、定位、時間序列結果，以單天解NRMS、基線相對精度、各基準站N、E、U 精度、站點時間序列為指標，分析不同海潮模型對GNSS 解算帶來的不同影響。

2.1 基線結果對比

標準化的均方根殘差（normalized root mean square，NRMS）表示單時段基線解算值與其加權平均值的偏離程度。NRMS 值是衡量基線解算質量的重要指標之一，計算公式為

式中：N為測站數，Yi、Y分別代表基線解算值及其加權平均值，δi2即單位權中誤差。一般認為NRMS 值應小于0.3，但數值約0.25 即可認為解算成功，且NRMS 值越小，基線解算精度越高。若NRMS 值＞0.5，則表明基線解算出現問題，需檢查原因重新處理，可能原因是大周跳未去除、某解算參數設置有問題、解算模型設定有誤等。

（1）NRMS 值解算。由于解算結果是以天為單位的文件，故NRMS 值存在于解算結果天文件中。利用CSR4、FES2004、GOT00、NAO99b 四種海潮模型，繪制解算出的基準站單天解NRMS 值變化圖，提取每個結果文件NRMS 值為縱坐標，年紀日為橫坐標，繪制結果見圖2。由圖2 可見，基于4 種海潮模型解算的單天解NRMS 值波動均較大，后期剔除不合格天數，各均值未超限定值。解算得到4 種海潮模型的年均值，對應的單天解NRMS 值分別為0.41、0.40、0.4、0.4，數值相差不大，表明基線解算合格。

圖2 基于不同海潮模型的單天解NRMS 值Fig.2 Single day baseline NRMS values calculated by different ocean tide models

均方根誤差（Root Mean Square，RMS）表明了觀測值的精度，數值越小，精度越高。以云南施甸基準站（YNSD）與浙江溫州基準站（ZJWZ）組成的基線YNSD-ZJWZ 為例，提取單天結果文件中的基線N、E、U 向RMS 值精度，得到三方向年精度序列圖及年均值，結果見圖3、表2。

表2 YNSD-ZJWZ 基線三方向解算精度年均值Table 2 Annual mean of YNSD-ZJWZ baseline three directions

由表2 可見，4 種海潮模型的基線解精度基本一致，水平方向相差不大于1 mm，垂向相差不大于3 mm，其中CSR4 模型三方向結果最佳，其余3 種模型精度基本一致。綜合年精度序列圖（圖3）可知：4 種海潮模型的基線精度解基本一致，CSR4 模型的解算效果更佳。

圖3 YNSD-ZJWZ 基線N、E、U 向精度年序列Fig.3 Annual sequence diagram of N,E,U accuracy of YNSD-ZJWZ baseline

（2）基線精度與長度的關系。由于GAMIT 軟件對長基線的解算效果相對較好，為了在同一指標下對比海潮模型對不同長度基線解算結果的影響，挑選基線參與解算，并對比基線精度和相對精度，結果見圖4，圖中橫軸、縱軸分別表示基線長度、基線解算精度和相對精度。基線相對精度計算公式如下

圖4 基線精度及相對精度與長度變化序列Fig.4 Sequence diagram of baseline accuracy and length change

由圖4 可見：①4 種模型的基線精度均值分別為6.3 mm、6.4 mm、6.4 mm、6.4 mm，變化趨勢基本一致，表現為距測站越遠，基線解算精度越差；②在長度4 000 km 以上，精度開始發生突變（組成4 000 km 以上長度的基線兩端測站為陸態網絡站與IGS 站），相對精度達10-9，滿足高精度解算要求，且4 種海潮模型基線相對精度差別不大。

2.2 坐標結果對比

聯合全球IGS 站，利用GLOBK 軟件對GAMIT 軟件解算的H 文件進行網平差計算，坐標框架選擇itrf2008 參考框架，得到基于相同框架下不同海潮模型改正的基站三維位置坐標及精度，各測站三方向定位精度均值見見表3。以云南耿馬站（YNGM）坐標為基準，計算并繪制在4 種海潮模型下，各測站N、E、U 向位置解算精度，見圖5。

表3 N、E、U 向各測站精度均值Table 3 Mean value of accuracy of each station in N,E,U directions

圖5 不同海潮模型影響下站點定位精度Fig.5 Station positioning accuracy under the influence of different sea tide models

結合表3、圖5 可知，各測站位置標準差均在1 mm 以下，且相差不大，其中FES2004 模型解算精度值更小，在通用范圍內，可選擇該模型進行測站位置解算。

2.3 時間序列對比

選用同一參考框架，分析各站點位置時間序列解算結果。文中以云南耿馬站（YNGM）位置原始數據（未經濾波）為例，分析該站點時間序列變化，結果見圖6。由圖6 可見，在4 種模型下，時間序列變化較為一致，在趨勢變化背景下，呈不同程度的跳躍，表明受同一因素影響較大，但站點運動趨勢較為一致；CSR4 模型的E 向誤差較大，FES2004 模型的各向偏差趨勢波動較其他模型弱，表明該模型年序列圖更連續、穩定。

圖6 不同海潮模型影響下云南耿馬站（YNGM）時間序列(a)CSR4 模型；(b)FES2004 模型；(c)GOT00 模型；(d)NAO99b 模型Fig.6 Time series of YNGM under the influence of different ocean tide model s

3 結論

采用CSR4、FES2004、GOT00、NAO99 四種海潮模型，對部分陸態網絡站點位置進行實例解算分析，由基線、定位、時間序列結果可知：在所選陸態網絡站點范圍內，4 種海潮模型均滿足高精度定位解算要求，定位結果相差不大。利用不同海潮模型解算基線精度，水平方向相差不大于1 mm，垂向相差不大于3 mm，各測站位置標準差均在1 mm 以下。簡言之，在CSR4 模型下，對基線的解算效果較好；在FES2004 模型下，對站點位置和時間序列的解算結果均較好。