论文专区▏基于后处理载波相位差分GPS技术的验潮浮标

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一、引言

海洋潮汐观测是海洋测绘工作的一项重要内容。目前常用的验潮手段有：水尺验潮、浮子验潮、引压钟验潮、压力式验潮仪和声学验潮仪^[1]。随着GPS定位技术及设备的发展^[2]和差分GPS验潮理论和方法^[3]的成熟，后处理载波相位差分GPS验潮技术已经可以应用于海洋测绘工作，因此本文设计一种基于后处理载波相位差分GPS技术的验潮浮标，主要应用于常规验潮方式不适用的场合，如深远海或者近海不易架设常规验潮设备的海域，增强海洋潮汐测量工作的自动化、高精度和全覆盖的能力。

传统的GPS接收机一般用于陆地测绘或者安装在船舶上，其功耗、体积较大，数据种类单一，无法直接用于海洋测量浮标。本文将GPS模块和姿态测量模块嵌入到工业控制计算机，完全解决了上述问题。而且在近海使用该浮标开展了验潮试验，得到的结果为：瞬时海面高程动态测量精度优于±2cm，潮汐测量精度优于±3cm。

二、差分GPS验潮浮标工作原理

载波相位差分GPS技术是由至少两台GPS接收机实现的，一台作为基准站，一台作为观测站，二者同时对卫星进行连续观测，根据相对定位原理得到观测站在WGS-84坐标系下的三维坐标（B,L,H）。载波相位差分GPS技术可以能够有效的消除或减弱卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差及电离层、对流层的折射误差等误差，从而使高程测量精度达到厘米级别[4]。该技术按照数据处理方式可分为实时处理和测后处理，测后处理使用的GPS星历的精度要高于实时处理所用的星历，因此测后处理能够获得更高的测量精度^[5]，而且潮汐测量的实时性要求不高^[6]，所以该GPS验潮浮标采用的工作模式为载波相位差分后处理，其验潮原理及工作模式如图1。

图1 GPS浮标验潮原理图

GPS浮标测量潮位的公式如式⑴^[7]:

    T＝H₀－h－N－Δh      ⑴

式中，T为浮标所在位置的潮位；H₀为GPS浮标经过差分解算后测得大地高；h为GPS浮标的GPS天线距离海面的距离，可以通过测量得到；N为GPS浮标所在位置的高程异常；Δh为GPS浮标的实时姿态校正数据。

三、差分GPS验潮浮标系统研制

该GPS验潮浮标的设计要求为：瞬时海面高程测量精度：±2cm，潮汐测量精度：±3cm。根据以上要求和验潮原理，岸边基站采用双频GPS接收机TOPCON HiPerⅡ G，它的定位精度为：H：3mm﹢0.5ppm，V：5mm﹢0.5ppm。浮标采用本文基于Novetal公司的OEM615 card设计的双频GPS数据采集器，其标称差分后处理精度为：1cm + 1ppm。浮标GPS数据采集器的主要组成部分有：双频GPS天线、OEM615 card、姿态传感器和X86架构工控机，OEM615 card和姿态传感器通过自研制的PCB底板与工控机连接，三者安装于浮标的密封舱内，双频GPS天线安装于浮标体上表面，其馈线通过水密转接器连接到浮标密封舱内的OEM615 card。系统组成框图如图2。

图2 GPS验潮浮标系统组成框图

四、差分GPS浮标数据处理

GPS浮标数据处理分为如下四个步骤。

⑴首先使用自编写的软件对浮标原始数据进行预处理，将GPS原始数据转换成通用文件格式RINEX 2.0^[8]，数据采样率为1Hz，并提取出每个历元对应的姿态信息。

⑵对GPS观测数据进行动态差分解算，这是差分GPS浮标数据处理的关键步骤。GPS浮标的数据解算需要岸基GPS基站提供精确的三维坐标作为解算基准，当选用的基准站为IGS站或者长期的CORS站时，可以直接使用其已知的三维坐标；架设临时基准站时，则需要使用临时基准站周围的IGS站或者CORS站数据通过静态解算方式求出临时基准站的精确三维坐标^[9]。GPS浮标数据的解算采用Track 软件^[10]，它属于GAMIT/GLOBK 软件包中的一个动态双差定位模块，可以解算每一个历元的GPS 天线相位中心三维坐标^[11]。利用其解算浮标动态数据时选择的数据处理策略为^[12]：①卫星星历采用IGS精密星历；②电离层折射影响采用双频消电离层组合；③大气延迟参数的初始标准差设为0.1m，随机游走噪声约束为0.0001m/epoch；④GNSS天线位置采用为随机游走建模，进行松弛约束；⑤坐标先验值采用伪距无电离层组合（PC）观测量解算的初始位置；⑥周跳探测与修复采用站与站之间的单差算法、MW-WL宽巷组合、“相对秩”算法和Chi-squared增量检验等；⑦加入接收机和卫星天线相位中心位置偏差、固体潮、海潮等多项改正。

⑶对每个历元的天线相位中心高程进行姿态改正^[13]，将其转换至浮标所在海域的瞬时海面高程。

⑷对GPS浮标测量的瞬时海面高进行滤波处理和高程异常改正，得到特定高程基准面下的潮汐数据。GPS浮标测量的瞬时海面高程数据中既包含长周期的潮位信息，也包含短周期的海浪信息。常用“滑动平均”的低通滤波方法将二者分离出来，选定的平均窗口时间长度为1分钟，该方法既符合《海洋调查规范》中关于潮汐观测方法的规定，又具有快速高效、滤波效果良好的优点。GPS浮标所测海域的高程异常可以通过在附近的水准点上测量GPS大地高，对二者进行求差后得到或者利用精细的局部大地水准面模型计算得到^[12]。

五、差分GPS浮标精度验证试验

为了验证该GPS验潮浮标的瞬时海面高测量精度和潮汐测量精度，本文在青岛的沙子口海域和千里岩海域分别进行验潮试验。沙子口海域试验过程中，岸边GPS基站与浮标之间的距离约为0.6km；千里岩海域试验过程中，岸边GPS基站与浮标之间的距离约为2km，在千里岩海域进行过两次试验。以上试验过程中，岸边GPS基站附近架设压力验潮仪。表1为的实验结果，GAMIT软件解算GPS数据后会对每个历元的三维坐标给出RMS值，表示GPS数据解算精度，表1的“GPS天线高RMS最大值”给出三次试验中所有历元的高程RMS的最大值，均小于2cm，表明该浮标可以稳定可靠的采集GPS观测数据，保证GPS解算结果具有较高的精度。由于压力验潮仪布放过程中没有进行水准联测，因此压力验潮仪的结果与GPS浮标的结果无法直接比较，本文将二者相同时刻的数据求差值，求得差值序列的RMS值来代表GPS浮标潮汐测量精度。表1中的“潮汐RMS值”为通过以上方法求出的三次试验中的潮汐测量精度，结果表明该GPS浮标的验潮精度优于3cm，可以满足海洋潮汐测量的精度要求。

表1  三次GPS浮标验潮实验结果    单位：cm

实验 海域	GPS天线高 RMS最大值	潮汐 RMS值
沙子口	1.8	2.97
千里岩1#	1.3	2.92
千里岩2#	1.2	2.76

图3、图4为选取第二次千里岩海域实验的结果进行作图分析。图3是GPS浮标验潮结果和压力验潮仪验潮结果，压力验潮仪所测潮高与GPS浮标所测潮高的基准不同，无法得出GPS浮标的绝对验潮精度，图3中仅可以确定GPS验潮结果与压力验潮仪验潮结果趋势相近。图4是GPS浮标与压力验潮仪浮标验潮结果的差值序列，求得该序列的均方根误差值为2.76cm。由于本试验的目的是验证该GPS浮标的测量精度，同时也考虑到区域似大地水准面模型数据的保密性，本文没有对GPS浮标验潮结果进行高程异常改正。一般情况下，高程异常在GPS浮标布设的小区域内几乎为常数，因此本文没有进行高程异常改正的做法几乎不影响GPS浮标验潮结果的精度。

图3 GPS浮标与压力验潮仪结果对比

图4 GPS浮标与压力验潮仪验潮差值

六、结论与建议

相比于传统的验潮设备，本文研制的GPS验潮浮标具有快捷、高精度、适用范围更广的优点。在近岸的试验和对结果的分析可以表明该GPS浮标可以稳定的采集采样率1Hz的GPS原始数据，经过数据处理得到的采样率1分钟的潮位数据，与其附近的压力验潮仪数据相比具有良好的一致性，潮汐测量精度优于3cm。因此该GPS浮标作为一种新的验潮设备，可以丰富海洋潮汐测量的手段。

本文的数据结果是在近岸实验中获得的，按照GPS差分定位原理，差分GPS的解算结果精度随着基线的延长而降低，下一步需开展该浮标深远海的潮汐测量试验，验证其深远海潮汐测量精度。同时在试验过程中发现在海浪较大的海况或者有雨的天气会降低GPS浮标的测量精度，因为以上情况会增大GPS浮标横滚、俯仰的幅度或者影响GPS电磁波信号的传播，使用该GPS浮标验潮时应避免以上情况。

参考文献：

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■第一作者梁冠辉，1985出生，男，山东烟台人，助理工程师，硕士研究生，国家海洋局第一海洋研究所,主要从事海洋测绘仪器研制工作；本项目为基金项目，来自中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金——北斗二代数据采集模块研制(2014G24)；本文来自《海洋测绘》（2017年第3期），若其他公众平台转载，请备注论文作者，并说明文章来源，版权归《海洋测绘》所有。

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