GNSS-MR 技術(shù)在海洋潮位監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

王永春

（天津百世特海洋科技有限公司，天津 300457）

海平面波動(dòng)（潮位變化）會(huì)對(duì)人們的生活環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，特別是沿海國(guó)家和海島地區(qū)的人們，非常規(guī)的潮位變化會(huì)引起周邊居民的遷移。從1980 年～2016年期間，海平面的漲落速度達(dá)到了3.2mm/a，超過(guò)了同期平均值。據(jù)相關(guān)部門預(yù)計(jì)，到本世紀(jì)末，全世界將近3 億人將會(huì)受到海平面升高的直接威脅[1]。因此，準(zhǔn)確、有效地監(jiān)測(cè)海洋平面變化，有助居民群體更好地了解海平面變動(dòng)趨勢(shì)與產(chǎn)生原因，總之，加強(qiáng)對(duì)海洋災(zāi)害的監(jiān)測(cè)，是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵舉措之一[2]。海洋潮位變化是海洋動(dòng)態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的一個(gè)重要信息，也是海洋生態(tài)系統(tǒng)、海洋環(huán)流以及全球氣候變化等方面的一個(gè)重要研究課題。為建立一個(gè)統(tǒng)一的全球高程基準(zhǔn)，引進(jìn)GNSS-MR 技術(shù)作為支撐。近十年來(lái)，由于GNSS 具有全天候、高精度、近實(shí)時(shí)、連續(xù)發(fā)射等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量多個(gè)工作領(lǐng)域，但至今未實(shí)現(xiàn)將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于海平面潮位變化的監(jiān)測(cè)工作中。隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)的逐步成熟，GNSS-MR技術(shù)在定位、導(dǎo)航、授時(shí)等方面的應(yīng)用也得到了驗(yàn)證。本文也將以此為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)全新的方法，用于監(jiān)測(cè)海洋潮位變化，旨在通過(guò)此次設(shè)計(jì)，降低海平面上漲等自然災(zāi)害造成的地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展損失。

1 基于GNSS-MR 技術(shù)的海洋潮位信號(hào)采集

為實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋潮位實(shí)時(shí)變化的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，本文引進(jìn)GNSS-MR 技術(shù)，設(shè)計(jì)海洋潮位信號(hào)采集的過(guò)程[3]。在此過(guò)程中，考慮到GNSS 大地系統(tǒng)采集信號(hào)傳輸路徑較多，不同路徑傳輸信號(hào)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)存在定位偏差。為降低偏差對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，在研究前，設(shè)計(jì)GNSS 大地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的觀測(cè)站位于海洋平面附近，確保由接收機(jī)接收的信號(hào)為直射信號(hào)經(jīng)過(guò)直接反射后合成的信號(hào)[4]。信號(hào)采集過(guò)程如下圖1 所示。

圖1 基于GNSS-MR 技術(shù)的海洋潮位信號(hào)采集

圖1 中，反射信號(hào)傳輸路徑相位與海洋平面間的垂直高度為h，是GNSS-MR 系統(tǒng)反射信號(hào)的垂直傳輸距離。設(shè)反射信號(hào)與海洋平面間的夾角角度為θ，設(shè)信號(hào)反饋頻率或終端采樣頻率為1s[5]。此時(shí)，將終端海洋潮位監(jiān)測(cè)站的接收機(jī)天線信號(hào)作為信號(hào)放大器在終端接收信號(hào)后的大小量值。之后設(shè)GNSS-MR 接收信號(hào)是前端發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)（/直射信號(hào)）與信號(hào)經(jīng)過(guò)海水反射后合成的信號(hào)，設(shè)發(fā)射與折射信號(hào)在大氣空間中的振幅為A1與A2。為降低GNSS-MR 大地系統(tǒng)觀測(cè)信號(hào)的反饋誤差，應(yīng)滿足下述關(guān)系。

其中A1可控制信號(hào)的整體振幅變化趨勢(shì)，A2可直接干預(yù)局部信號(hào)周期性振蕩。為降低振蕩信號(hào)對(duì)采集過(guò)程造成的影響，利用GNSS-MR 自帶的觀測(cè)程序，處理信號(hào)振幅與直接接收信號(hào)之間的關(guān)系[6]。此過(guò)程如下計(jì)算公式所示。

式中：S為采集的潮位信號(hào)。按上述，完成信號(hào)采集。

2 接收機(jī)反射信號(hào)的分解與預(yù)處理

由于大地系統(tǒng)接收機(jī)接收的信號(hào)在與時(shí)序適配后，大多呈拋物線形狀，其中反射與直射信號(hào)在數(shù)值差異大[7]。故要實(shí)現(xiàn)基于反射信號(hào)的監(jiān)測(cè)，需在上述的基礎(chǔ)上，按相關(guān)工作的需求，用二階多項(xiàng)式去除趨勢(shì)信號(hào)中的直射信號(hào)。處理過(guò)程中，由于拋物線兩段的衛(wèi)星高度角相對(duì)較低，對(duì)應(yīng)的信號(hào)呈較為明顯的周期性震蕩[8]。因此，在現(xiàn)有信號(hào)的基礎(chǔ)上，利用時(shí)序殘差，對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換。處理過(guò)程如下式。

式中：S(v) 為對(duì)采集海洋潮位信號(hào)S的尺度轉(zhuǎn)換處理；db-Hz為信號(hào)信噪比單位的轉(zhuǎn)換。故可使反射的海洋潮位監(jiān)測(cè)信號(hào)，在后續(xù)的頻譜分析中可精準(zhǔn)識(shí)別周邊頻率中的噪聲，從而提高頻譜分析結(jié)果的準(zhǔn)確性與有效性[9]。在此基礎(chǔ)上，得到的尺度轉(zhuǎn)換信號(hào)按照信號(hào)的殘差序列排序，按下式，提取信號(hào)的振幅。

式中：A3為尺度轉(zhuǎn)換信號(hào)在殘差序列排序后的振幅；A為原始信號(hào)振幅；λ為載波信號(hào)的波長(zhǎng)；E為衛(wèi)星角高度。接著按下式，進(jìn)一步對(duì)計(jì)算公式（4）標(biāo)準(zhǔn)化處理。

式中：f為信號(hào)頻率；t為信號(hào)發(fā)射時(shí)間戳。兩者分別可用2h/λ、sinE計(jì)算得到。f還涉及一些頻譜信息。為實(shí)現(xiàn)對(duì)反饋信號(hào)的深度挖掘與剖析，用頻譜分析技術(shù)，分解復(fù)雜反射信號(hào)為若干個(gè)簡(jiǎn)單信號(hào)，分解處理過(guò)程如下式。

式中：H(t) 為反射信號(hào)分解處理過(guò)程；H（t0）為原始信號(hào)；i為分解維度；K為水面參照高度。之后，按預(yù)處理步驟，再處理信號(hào)，完成接收機(jī)反射信號(hào)分解與預(yù)處理。

3 潮位變化監(jiān)測(cè)與反演

在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，根據(jù)每日能反演的各衛(wèi)星的反射信號(hào)反饋結(jié)果，以對(duì)應(yīng)的觀測(cè)臺(tái)監(jiān)測(cè)時(shí)刻潮高為依據(jù)，計(jì)算出多個(gè)測(cè)站的實(shí)時(shí)空間點(diǎn)[10]。采用3 次中誤差計(jì)算原理，剔除顯著的異常值，然后計(jì)算數(shù)據(jù)的均值，得到一個(gè)精確的站點(diǎn)高度。然后線性尺度化處理反射信號(hào)，去除直射信號(hào)與殘差序列。對(duì)不符合上述采樣的數(shù)據(jù)，利用ELE 重采樣，根據(jù)sin（ELE）計(jì)算，得到精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)信號(hào)，并錄入LSP 中，設(shè)計(jì)信號(hào)的頻譜分析，識(shí)別當(dāng)前狀態(tài)下的信號(hào)是否超出噪聲閾值，若超出，剔除此信號(hào)，若未超，提取當(dāng)前狀態(tài)下海洋平面的高度，將監(jiān)測(cè)的結(jié)果作為真實(shí)結(jié)果，反演信號(hào)值。由此得到水面高度的限制范圍，完成監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)。

4 實(shí)際應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)分析

4.1 實(shí)例應(yīng)用分析

為檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中的效果，以某地區(qū)海港岸邊GPS 連續(xù)運(yùn)行觀測(cè)站為研究場(chǎng)所，該場(chǎng)所緊鄰海洋建設(shè)，觀測(cè)站周邊無(wú)其他建筑物遮擋，可在開闊的空間內(nèi)，接收海平面反射信號(hào)。為使布置的觀測(cè)站可在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮預(yù)期效能，選TRIMBLE NETR-9 型號(hào)的大地接收機(jī)，主動(dòng)接收反射信號(hào)。再配備SCIT 型號(hào)的整流罩與TRM59800.80 扼流圈天線，為監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)反饋過(guò)程提供保障。選此海洋觀測(cè)站歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為樣本，用本文方法監(jiān)測(cè)海洋潮位變化，將結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)比對(duì)，完成檢驗(yàn)。在監(jiān)測(cè)前，需根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)GNSS-MR 的技術(shù)參數(shù)，如下表1 所示。在完成相關(guān)參數(shù)布置后，用本文設(shè)計(jì)方法監(jiān)測(cè)的結(jié)果如圖2 所示。

表1 監(jiān)測(cè)中GNSS-MR 的技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

圖2 本文方法實(shí)際應(yīng)用檢測(cè)結(jié)果

從圖2 中可知，本文設(shè)計(jì)方法得到的結(jié)果與觀測(cè)站記錄的海洋潮位變化曲線一致，說(shuō)明本文的監(jiān)測(cè)方法，所得監(jiān)測(cè)結(jié)果精度高，在實(shí)際應(yīng)用中效果良好。

4.2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為滿足實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可比性需求，進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的可靠性，展開如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。引進(jìn)基于LS-SVM 技術(shù)的監(jiān)測(cè)方法與基于Copula 函數(shù)的監(jiān)測(cè)方法，作為傳統(tǒng)的方法1、2。分別用三種方法，在同一場(chǎng)所，同一布置設(shè)備的基礎(chǔ)上，按規(guī)范監(jiān)測(cè)地區(qū)海洋潮位的變化，監(jiān)測(cè)結(jié)果如下圖3 所示。

將觀測(cè)站記錄的海洋潮位變化數(shù)據(jù)作為參照數(shù)據(jù)，對(duì)比三種方法監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。根據(jù)圖3 可知，本文方法監(jiān)測(cè)結(jié)果與觀測(cè)站記錄的海洋潮位變化曲線基本重合，而傳統(tǒng)方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果與觀測(cè)站記錄的海洋潮位變化曲線差異較大。因此，本文設(shè)計(jì)的基于GNSS-MR 技術(shù)的監(jiān)測(cè)方法，可以有效提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，可靠性強(qiáng)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

自我國(guó)第三次工業(yè)革命后，因全球礦物燃料燃燒，各種類型溫室氣體被釋放，造成了嚴(yán)重的地球溫室效應(yīng)，使北極冰蓋和冰層融化，導(dǎo)致地球海水容量不斷增大、全球海平面持續(xù)上升，引發(fā)了海嘯、洪水、海水入侵、土壤污染等多種災(zāi)害，損害了海洋生態(tài)環(huán)境與沿海地區(qū)基礎(chǔ)生活設(shè)施，并在一定程度上威脅了周圍居民的生活環(huán)境安全。為此，本文通過(guò)海洋潮位信號(hào)采集、接收機(jī)反射信號(hào)的分解與預(yù)處理、潮位變化監(jiān)測(cè)與反演，完成了GNSS-MR 技術(shù)在海洋潮位監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究。通過(guò)測(cè)試后證明該方法可提高監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率，以此種方式，為海洋周邊居民的生活安全提供保障。