翟萬林，朱建華，陳春濤，閆龍浩

（國家海洋技術(shù)中心，天津300112）

基于GNSS浮標(biāo)的潮位測量技術(shù)研究

翟萬林，朱建華，陳春濤，閆龍浩

（國家海洋技術(shù)中心，天津300112）

利用研制的GNSS浮標(biāo)，在海南省清瀾灣進(jìn)行了21.5 h的潮位測量工作，分別使用GAMIT+TRACK和精密單點(diǎn)定位技術(shù)（PPP）兩種方法對GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，并對高頻GNSS解算結(jié)果進(jìn)行了巴特沃斯、低通濾波、中值濾波、小波濾波等處理，處理結(jié)果與實(shí)測潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。結(jié)果表明：（1）使用GNSS浮標(biāo)可以進(jìn)行潮位測量；（2）移動(dòng)平均濾波或中值濾波對高頻GNSS浮標(biāo)解算數(shù)據(jù)的處理結(jié)果較好，其次為巴特沃斯濾波，小波濾波處理結(jié)果較差；（3）在GNSS基準(zhǔn)站的支持下，GAMIT+TRACK對GNSS解算結(jié)果精度可達(dá)1.065 cm，并可以給出絕對高程下的潮位信息；PPP技術(shù)解算結(jié)果的精度為4.283 cm，但不需要GNSS基準(zhǔn)站的支持，可用于遠(yuǎn)海潮位測量。

GAMIT/GLOBK；TRACK；精密單點(diǎn)定位；驗(yàn)潮；GNSS浮標(biāo)；濾波

潮位變化是水體在天體引潮力的作用下發(fā)生的垂直漲落，以及風(fēng)、氣壓、大陸徑流等因子所引起的非周期性變化。目前沿海的潮位測量以驗(yàn)潮站為主，但隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）和衛(wèi)星高度計(jì)（satellite altimeter）的迅速發(fā)展，潮位測量的方式越來越趨向于多樣化。利用GNSS進(jìn)行潮位測量的技術(shù)也經(jīng)過了多次試驗(yàn)［1-3］，均得到了較好的效果，但使用GNSS浮標(biāo)的潮位測量技術(shù)研究還較少。

近10多年來，GNSS浮標(biāo)主要應(yīng)用于衛(wèi)星高度計(jì)海面絕對高程的定標(biāo)檢驗(yàn)任務(wù)［4-5］，且已達(dá)到了相當(dāng)高的精度。但我國目前的高度計(jì)定標(biāo)檢驗(yàn)工作開展較為緩慢，研制的GNSS浮標(biāo)還處于測試階段［6］。本文利用在海南省清瀾灣的GNSS浮標(biāo)測試試驗(yàn)，分別使用GAMIT+TRACK和PPP兩種方法對浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，并使用4種濾波算法對解算結(jié)果進(jìn)行了濾波處理，使用驗(yàn)潮站實(shí)測數(shù)據(jù)對解算結(jié)果進(jìn)行了分析，得到了較好的效果。

1　試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)在海南省文昌市清瀾海洋環(huán)境監(jiān)測站進(jìn)行，在清瀾海洋環(huán)境監(jiān)測站內(nèi)設(shè)立了GNSS基準(zhǔn)站（見圖1，Trimble GNSS扼流圈天線，Trimble Pro XRT主機(jī)），在驗(yàn)潮站附近設(shè)立了GNSS浮標(biāo)（見圖2，Trimble GNSS扼流圈天線，Trimble NET R9主機(jī)），GNSS基準(zhǔn)站與浮標(biāo)直線距離約為371 m，GNSS浮標(biāo)與驗(yàn)潮儀的距離約為20 m。基準(zhǔn)站、GNSS浮標(biāo)和驗(yàn)潮站的位置及觀測時(shí)間段見表1。

GNSS基準(zhǔn)站和驗(yàn)潮儀的觀測時(shí)間為2014年8月4日-6日；GNSS浮標(biāo)的觀測時(shí)間為2014年8月4日6：40-8月5日4：10，總計(jì)21.5 h。

圖1　GNSS基準(zhǔn)站

圖2　GNSS浮標(biāo)

表1　GNSS基準(zhǔn)站、浮標(biāo)和驗(yàn)潮站坐標(biāo)

1.2GPS浮標(biāo)數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1GAMIT+TRACK為了保證GNSS基準(zhǔn)站的高程解算精度，對GAMIT軟件在運(yùn)算過程中的主要配置加以說明［7-8］：在原始數(shù)據(jù)中提取30 s周期的GNSS測量值，與IGS站的數(shù)據(jù)采樣周期保持一致；GAMIT處理模式為松弛解（RELAX.）并使用GLOBK進(jìn)行平差；衛(wèi)星截止高度角為10°；潮汐模型選擇otl_FES2004.grid；大氣參數(shù)模型選擇為vmf1grd.2014；參考框架選擇為ITRF2008。選擇了GNSS周邊的AIRA，CCJ2，CHAN，CHUM，CNMR，CUSV，DAEJ，HYDE，IISC，IRKM，LHAZ，MAG0，MCIL，MIZU，NRIL，NVSK，PBRI，PETS，PIMO，STK2，TWTF，ULAB，URUM，USUD，YAKT，YSSK等26個(gè)IGS站和精密星歷數(shù)據(jù)對基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，并使用GLOBK軟件進(jìn)行網(wǎng)平差處理。TRACK解算采用短基線模式進(jìn)行解算。

1.2.2精密單點(diǎn)定位技術(shù)（PPP）精密單點(diǎn)定位（Precise Point Positioning，PPP）技術(shù)由美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的Zumberge于1997年提出［9］，目前已廣泛應(yīng)用于科研和實(shí)踐。本次解算使用的軟件為CSRS-PPP［10-11］，該軟件是加拿大國有資源局大地測量司提供的GPS在線單點(diǎn)定位服務(wù)，它只需要用戶提交靜態(tài)或動(dòng)態(tài)觀測數(shù)據(jù)文件，就可進(jìn)行高精度定位，不依賴于IGS站的數(shù)據(jù)質(zhì)量。本文中使用精密星歷和30 s鐘差數(shù)據(jù)，大氣模型為GPT，未進(jìn)行潮汐改正。最終生成ITRF（IGb08）參考框架下的坐標(biāo)，并使用文獻(xiàn) ［12］中的方法，將高程坐標(biāo)值轉(zhuǎn)化為WGS-84橢球下的坐標(biāo)。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)處理

基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)處理分為GAMIT基線處理和GLOBK卡爾曼濾波進(jìn)行網(wǎng)平差處理。GAMIT最終解算的NRMS為0.205，說明解算合理［7］?；€處理結(jié)果見表2，平均基線長度達(dá)到了3 654 m，基線解算的精度可以達(dá)到1 cm以內(nèi)。使用GLOBK平差后，GNSS基準(zhǔn)站的精度為11.49 mm。

表2　基準(zhǔn)站基線處理偏差（單位：cm）

2.2GNSS浮標(biāo)結(jié)果與驗(yàn)潮儀的對比

GNSS浮標(biāo)數(shù)據(jù)處理包括了TRACK處理和PPP處理。其中TRACK數(shù)據(jù)處理是以基站為基準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)解算，PPP處理為CSRS軟件的處理結(jié)果。以TRACK解算結(jié)果的高程值為基準(zhǔn)，將驗(yàn)潮儀測量的潮位值歸算到WGS-84橢球（與PPP結(jié)果一致）。最終與得到的3個(gè)結(jié)果進(jìn)行了對比（圖3）。

圖3　數(shù)據(jù)解算結(jié)果的對比

驗(yàn)潮儀作為傳統(tǒng)的驗(yàn)潮方法，其精度得到了廣泛的認(rèn)可。因此本次試驗(yàn)以驗(yàn)潮儀的數(shù)據(jù)解算結(jié)果為基準(zhǔn)。GPS浮標(biāo)測量的潮位曲線與驗(yàn)潮站的曲線總體上一致（圖3），實(shí)際上與理論曲線相比存在一定的偏差，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后得到了TRACK解算的精度為1.47 cm；PPP解算的精度為4.46 cm，可用于遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)的增水測量。與傳統(tǒng)驗(yàn)潮儀相比，GAMIT+TRACK解算結(jié)果中 99.7%置信區(qū)間為±6.01cm，PPP解算結(jié)果99.7%置信區(qū)間為±13.38cm。

圖4　TRACK解算結(jié)果與驗(yàn)潮儀數(shù)據(jù)對比誤差

圖5　PPP解算結(jié)果與驗(yàn)潮儀數(shù)據(jù)對比誤差

但是對于GNSS浮標(biāo)的解算結(jié)果為動(dòng)態(tài)解算，受到海浪譜等外界條件的干擾和噪聲的影響，其精度不能完全滿足驗(yàn)潮需求［13］。因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，本文分別使用了巴特沃斯低通濾波［14］、移動(dòng)平均濾波、中值濾波、小波濾波等方法對GNSS浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了再處理，對2 min之內(nèi)的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，可以有效地去除波浪對測高精度的影響［4］。最終得到的結(jié)果與驗(yàn)潮儀測量結(jié)果進(jìn)行了對比（表3）。

對比結(jié)果顯示，使用濾波算法處理后的數(shù)據(jù)均有一定程度的改善。根據(jù)平均差和標(biāo)準(zhǔn)偏差的比較，使用巴特沃斯濾波處理后的結(jié)果最好，TRACK解算的標(biāo)準(zhǔn)偏差由1.469 cm提高到了1.065 cm，PPP解算的結(jié)果也由4.462 cm提高到了4.283 cm；移動(dòng)平均濾波與中值濾波的效果相當(dāng)；小波濾波后對數(shù)據(jù)改善的效果較差。從相關(guān)性角度來看，巴特沃斯濾波后數(shù)據(jù)失真較為明顯，而移動(dòng)平均濾波、中值濾波和小波濾波與原始數(shù)據(jù)的相關(guān)性都較好。PPP處理結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差改善較少，主要受到該技術(shù)測高精度的影響［3］，不適宜近岸潮位測量工作。綜合上述分析，在GNSS浮標(biāo)數(shù)據(jù)處理過程中，使用移動(dòng)平均濾波或中值濾波既可以改善數(shù)據(jù)質(zhì)量，又可以保證數(shù)據(jù)的真實(shí)可信。

表3　四種濾波算法結(jié)果對比

3　總結(jié)與討論

使用研制的GNSS浮標(biāo)可以完成潮位測量工作，但受到噪聲和海浪的影響，使用GAMIT+ TRACK和PPP解算的高程定位結(jié)果需要進(jìn)行濾波處理，通過對比四種濾波算法，確定了使用移動(dòng)平均濾波或中值濾波可以達(dá)到較好的效果，使GNSS浮標(biāo)測高精度達(dá)到1 cm左右。

GNSS浮標(biāo)的海面高程測量精度滿足《海洋調(diào)查規(guī)范——第十部分：海底地形地貌調(diào)查》的需求（要求水位觀測精度優(yōu)于5 cm，時(shí)間準(zhǔn)確度優(yōu)于1 min），較之于驗(yàn)潮儀，該方法可以布設(shè)在離岸30 km以內(nèi)的幾乎所有海域，使水位觀測點(diǎn)的選擇更具靈活性。由于GNSS浮標(biāo)的測高精度較高，且布放不受海陸條件的限制，也應(yīng)用于海洋衛(wèi)星高度計(jì)的定標(biāo)檢驗(yàn)工作中［4］。但是受到精密星歷和鐘差發(fā)布滯后的影響，GNSS浮標(biāo)的解算結(jié)果要比測量結(jié)果延后12～14 d。使用PPP對GNSS浮標(biāo)進(jìn)行解算的精度可以達(dá)到4.35 cm，可以不受基準(zhǔn)站的限制，可完成中遠(yuǎn)海距離的潮位測量工作。

致謝：感謝清瀾海洋環(huán)境監(jiān)測站站長陳雁揚(yáng)在潮位數(shù)據(jù)獲取、GNSS基準(zhǔn)站和浮標(biāo)布放方面給予的支持。

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Research on the Tidal Observing Technique Based on GNSS Buoy

ZHAI Wan-lin，ZHU Jian-hua，CHEN Chun-tao，YAN Long-hao
National Ocean Technology Center，Tianjin 300112，China

The continuous tidal observation which lasted for 21.5 h was done at the Qinglan Bay in Hainan Province using the GNSS buoy.The GNSS buoy data were calculated respectively using GAMIT+TRACK method and the technique of precise point positioning（PPP）.Four different filter methods，including Butter Worth filtering，low-pass filtering，median filtering and wavelet filtering，were used to process the GNSS buoy results obtained through the above two techniques.Then the final results were compared with the tidal data acquired from the tidal station.The results show that:（1）the GNSS buoy can be used for tidal observation；（2）by comparing the four methods for filtering，moving average filtering and median filtering are the best methods for high-frequency GNSS buoy data processing，followed by the Butter Worth filtering solution，and the wavelet filtering leads to unsatisfactory results；（3）under the support of the GNSS reference station，the precision of the GAMIT+TRACK method on GNSS calculating results can reach 1.065 cm，and it could provide the absolute height of tide；the precision of the PPP technique is 4.283 cm，but this method doesn't require GNSS reference station support，thus suitable for open sea tidal observation.

GAMIT/GLOBK；TRACK；Precise Point Positioning；tidal observation；GNSS buoy；filter

P714

A

1003-2029（2016）03-0028-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.03.005

2015-04-02

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41406204）；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目（201305032-3）

翟萬林（1985-），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星高度計(jì)定標(biāo)檢驗(yàn)與海洋測繪技術(shù)。E-mail：zwl13032@163.com