海潮负荷和大气负荷对陆态网络的综合影响

岳彩亚，党亚民，杨　强，韩雪丽，李　超

(1.山东科技大学 测绘科学与工程学院，山东　青岛　266590；2.中国测绘科学研究院，北京　100830)

海潮负荷和大气负荷对陆态网络的综合影响

岳彩亚1，2，党亚民2，杨强2，韩雪丽1，2，李超1，2

(1.山东科技大学 测绘科学与工程学院，山东青岛266590；2.中国测绘科学研究院，北京100830)

摘要：针对高精度大范围的GPS控制网进行基线解算和平差时，海潮负荷和大气负荷对地面测站造成的影响最大可达厘米级的问题，阐述了2种负荷的影响原理和各种负荷常用的改正模型;还结合中国陆态网络，从短基线、南北方向长基线、东西方向长基线和靠海基线4个方面对比分析了2种负荷对网和测站的综合影响。结果表明东西方向的基线比南北方向的基线更容易受到2种负荷的影响，且长、短基线受到的影响表现出一定的季节性变化。为监测中国大陆地壳运动、重力场形态及变化和现代大地测量基准系统的建立和维持提供了参考。

关键词：海潮负荷；大气负荷；陆态网络；综合影响

0引言

自1964年第一个卫星导航定位系统Transit诞生以来，经过了几代技术的不断完善和发展，目前已经建立成一个全球性、全能性、全天候、连续性、实时性的导航、定位和授时等集于一体的多功能的卫星导航定位系统。且可向各类静止或者运动的用户提供精密的瞬间三维坐标、速度场矢量和精确授时等服务。由美国麻省理工学院(The Massachusetts Institute of Technology，MIT) 和斯克里普斯海洋研究所(The Scripps Institution of Oceanography，SIO) 联合开发的GAMIT/GLOBK数据处理分析软件能够以高精度的方式处理海量的GPS数据，并且以代码开源、操作简单等优点受到了大量的全球定位系统(global positioning system，GPS)数据处理领域以及地学研究领域的学者的青睐。当采用精密星历和高精度起算点时，GAMIT软件解算长基线的相对精度可达到10-9～10-8的数量级，解算短基线的精度优于1 mm[1-2]，目前成为了GPS高精度数据处理中最常用的一款软件。

由于受日月等天体引潮力的影响，海洋出现潮汐现象，促使海水质量重新分布，从而造成了大陆框架的变形，尤其是近海地区，这种形变在垂直方向可达cm级[3-5]。不仅如此，气压负荷引起的地球形变信号也会反映到GPS站坐标高程分量中。根据国内的研究成果，气压变化引起的地面位移占高程分量估值总方差的24%[6]。以前的学者大都是立足于研究2种潮负荷的1种产生的影响；而本论文从2种负荷的综合影响出发，分析了其对陆态网络以及测站高程方向的影响。

1分析方法

1.1海潮负荷模型

目前国际上有10多种海潮模型，包含了全球海潮模型和区域海潮模型，且各个模型精度相当、各具优点。海潮的起落非常复杂，其根本原因是月亮和太阳产生的影响。在实际中最常用到的是由Farrell理论得出的海潮瞬时潮高与格林函数褶积算的海潮负荷。采用格林函数解法，可精确得到海潮负荷各个方向的变化[7-9]，如式(1)所示：

(1)式中：ΔUP为高程方向测站位移，向上为正；ΔWE为东西方向测站位移，向东为正；ΔSN为南北方向测站位移，向北为正；ρ为海洋密度；Hi(φ',λ')为积分面第i个分潮波瞬时潮高；G(θ)为引力常数；θ为球面角；R为地球半径；λ为东经；φ为余纬。

测站在竖直方向UP的海潮负荷变形、测站南北方向SN的海潮负荷变形以及测站东西方向NE的海潮负荷变形，公式为

(2)式中：N为潮波总数；fi为与月球升交点经度相关系数；Ai为测站第j个位移分量相适应的第i个分潮波的振幅；φj为格林尼治相位；ωi为角速率；φi为格林尼治相位；ωt+xi+ui为第i个分潮波在t时刻的相位延迟。

在实际应用中，海潮改正模型可以设置成全球海潮改正模型，也可以设置成区域海潮改正模型。经学者研究，对于我国黄海海域和东海海域以及日本地区适合使用区域海潮改正模型NA099.b。本论文在研究海潮负荷对我国陆态网测站的影响时使用全球海潮改正模型FES2006。

1.2大气负荷模型

经学者研究发现除了海潮负荷外，大气负荷同样会对内陆板块变形产生作用，尤其是在高程方向的影响更为明显；因此我们在进行地球动力学研究和板块运动时同样应考虑大气负荷的影响[10]。文献[6]推荐使用一种只依赖于大气压变化就可得出地壳垂直变形的简化公式为

(3)

(4)

P(x，y)=A0+A1x+A2y+A3x2+A4xy+A5y2;

(5)

R=x2+y2。

(6)

式(4)～式(6)中：x、y为采样点到GPS测站点的N和E方向的距离；A0～A5是需要的6个气压数据拟合系数。式(5)用来描述测站周围的气压分布的二次曲线。对于我国陆态网测站采样时要保证采样点分布均匀，并且数目不宜太小，要根据具体实际情况进行采样。论文通过2种方案来设置GAMIT解算参数，以期探究大气负荷和海洋潮汐负荷对中国陆态网的影响。

2海潮负荷和大气负荷对中国大陆测站的影响分析

中国大陆构造环境监测网络(以下简称陆态网络)由260个连续观测和2 000个不定期观测站点构成的，主要用于监测中国大陆地壳运动、重力场形态及变化、大气圈对流层水汽含量变化及电离层离子浓度的变化，以及现代大地测量基准系统的建立和维持(如图1所示)。本文使用GAMIT软件对其中的250个站点的5年数据进行解算和平差，在处理过程中分为两2个方案：其一，使用大气负荷和海潮负荷文件；其二，不使用大气负荷和海潮负荷文件。

图1　部分陆态网络站点图

图1中是部分陆态网路测站点图，从陆态网络可以看出西北、西部地区布设的点相对来说比较稀疏，华北地区和川滇地区布设较为稠密，这种布局能够更好地为监测中国陆态提供帮助。

图2绘出了通过GAMIT解算出的测站点的GPS坐标时序图。用N、E、U3个方向来表示南北、东西和高程方向。从时序图中可以看出站点的水平方向的走向和高程方向的沉降，为研究板块运动和地震发生和预测起到关键作用。

图2　GPS时间序列

2.1基线分析

针对选取的全国部分站点组成的陆态网络，从4个方面分析对比海潮负荷和大气负荷对基线的影响(如图3所示)。

图3　全年基线图(采样间隔为10 d)

图3中所使用的数据来自2012年全年的陆态网观测数据:横轴代表观测天数，纵轴代表基线长的小数部分，单位为m；纵轴代表有无潮汐负荷和大气负荷下的基线长；各小图右上角的数值为基线长的整数部分；H-BL和D-BL为有潮负荷改正和无潮负荷改正；右上角分别为基线两端点和基线长整数部分。

图3(a)为靠近海的基线，海潮负荷和大气负荷的综合影响比较大，短基线影响均值在0.94 mm，长基线影响均值在2.23 mm。网中的长基线分为南北方向和东西方向进行分析:图3(b)是南北方向，基线长在1 800 km左右的产生的影响平均值在2.9 mm，最大值为4.6 mm；图3(c)为东西方向，选取基线长在3 000 km左右，则产生的影响均值为3.8 mm，最大值影响为5.9 mm。图3(d)是选取的网中短基线，基线长度200 km左右，海潮负荷和大气负荷对短基线的影响平均在0.46 mm，最大值影响为0.59 mm，靠近海边的短基线比内陆稍微偏大。

从图3综合分析可得：在1年中海潮负荷和大气负荷的综合影响最强的时间是在每年的6、7、8月份，原因可能是这段时间中国上空的大气压出现了明显的不同；基线差值出现了正负，可能是海潮负荷和大气负荷产生力矩的方向不同；东西方向基线比南北方向基线更容易受到2种负荷的影响，原因可能是大致平行于经线方向的基线两端测站受到海潮负荷影响基本相同，在GAMIT解算中被双差掉的更多。

2.2测站坐标分析

分别从测站的X、Y方向和大地高对选取的250个测站点做统计，并分析海潮负荷和大气负荷对测站的综合影响。如表1所示。

表1　部分站点坐标影响差值　mm

研究海潮负荷的学者提出了海潮负荷对地表水平位移的影响达几个mm到十几个mm[7，10]，而对地表垂直位移的影响大约是水平方向的3～10倍。大气负荷对测站高程方向影响有时会达到十几个cm。本论文分析了2者的综合影响，2种负荷对测站的东西方向的影响要稍大于南北方向，东西方向的影响值最大为3.65 mm；相对于水平方向，高程方向受到的影响程度大约是其2倍，最大为6.4 mm。

3结束语

本文结合以前学者的研究成果阐述了海潮负荷和大气负荷分别对基线和测站点坐标的综合影响；使用GAMIT分2种方案解算250个陆态网测站点的数据，研究了海潮负荷和大气负荷对基线的影响，结果表明：

1)潮负荷和大气负荷对短基线影响可以忽略。

2)对长基线而言，东西方向的基线比南北方向的基线更容易受到两种负荷的影响；对于靠海基线受到的负荷影响会较大。

3)这些变化在每年的夏、秋两季表现更突出，显示出明显的季节性变化。

4)分析了对测站坐标的影响，发现负荷造成的垂直位移影响大约是水平位移的2倍。

5)通过GPS时间序列分析得出站点高程方向上下波动具有明显的周期性，且纵观整个陆态网，GPS站点水平方向运动方向不一致，这是否和地震、火山产生有密切的联系，有待进一步研究分析。

参考文献

[1]李征航，张小红.卫星导航定位新技术及高精度数据处理方法[M].武汉：武汉大学出版社，2009：147-147.

[2]王超，郭际明.基于GAMIT的GPS基线计算批处理方法实现[C]//中国卫星导航系统管理办公室.第二届中国卫星导航学术年会电子文集.上海：中国卫星导航学术年会组委会，2011：34-35.

[3]郑祎，伍吉仓，王解先，等.GPS精密定位中的海潮位移改正[J].武汉大学学报·信息科学版，2003，28(4)：405-408.

[4]SCHRENECK H G.Loading Green’s functions for a continental shield with a Q-structure for the mantle and density constrains from the geoid[J].Buul.d’Inform.Marées Terrestres，1990，108(7)：757-792.

[5]赵文娇，党亚民，成英燕，等.海洋潮汐及其参数选取方法对GPS基线解算精度的影响分析[J].导航定位学报，2013，1(2)：42-45.

[6]成英燕，胡建国.用GPS监测陆海垂直运动时的大气负荷模型[J].测绘科技动态，1998(4)：40-42.

[7]董春来，蒋廷臣，周立.基于JSCORS的全球海潮模型比较研究[J].测绘通报，2012(8)：1-3.

[8]朱干章.潮汐及环境负荷对GPS高程影响的研究[J].城市勘测，2009(2)：75-78.

[9]MATSUMOTO K，TANKANEZAWA T，OOE M.Ocean tide models developed by assimilating Topex/Poseidon altimeter data into hydrodynamical model：a global model and a regional model around Japan[J].Journal of Oceanography，2000，56(5)：567-581.

[10]刘立.负载潮对我国沿海地区精密定位的影响研究[D].北京：中国测绘科学研究院，2011：16-17.

Comprehensive effect of ocean tide loading and atmospheric loading on Chinese territory station

YUE Caiya1，2，DANG Yamin2，YANG Qiang2，HAN Xueli1，2，LI Chao1，2

(1.Shandong University of Science and Technology，Shandong,Qingdao 266590，China；2.Chinese Academy of Surveying and Mapping，Beijing 100830，China)

Abstract：When solving the baseline and doing adjustment for high precision and large range GPS control network ，tides and atmospheric loads on the ground measuring stations can cause the greatest impact which reach to centimeter grade.This paper described the influence of two kinds of loads and the general model of the loads，and the combination of two kinds of loads on the network and the station.The results showed that the baseline in the east and south direction were more likely to be influenced by two kinds of loads than the east and the west，and the effect of the long and short baseline showed the seasonal.Providing a reference for monitoring the crustal movement，gravity field，and the establishment and maintenance of the modern geodetic datum system in China.

Keywords：ocean tide loading；atmospheric loading；land state network；comprehensive effect

收稿日期：2015-11-10

基金项目：国家自然科学基金项目(41474011)；国家青年科学基金项目(41404034)；国家公益性行业专项(B1503)；国家基础测绘科技项目(2016KJ0205)；中国测绘科学研究院科研业务费支持项目(7771502)。

第一作者简介：岳彩亚(1990—)，男，河南濮阳人，硕士，研究方向为GNSS数据处理与分析。

通信作者简介：韩雪丽(1991—)，女，山东滨州人，硕士，研究方向为卫星导航与定位技术。

中图分类号：P228

文献标志码：A

文章编号：2095-4999(2016)02-0006-04

引文格式：岳彩亚，党亚民，杨强，等.海潮负荷和大气负荷对陆态网络的综合影响[J].导航定位学报，2016，4(2)：6-9.(YUE Caiya，DANG Yamin，YANG Qiang，et al.Comprehensive effect of ocean tide loading and atmospheric loading on Chinese territory station [J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(2)：6-9.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160202.