基于GNSS浮标的潮位测量技术研究

翟万林，朱建华，陈春涛，闫龙浩

（国家海洋技术中心，天津300112）

基于GNSS浮标的潮位测量技术研究

翟万林，朱建华，陈春涛，闫龙浩

（国家海洋技术中心，天津300112）

利用研制的GNSS浮标，在海南省清澜湾进行了21.5 h的潮位测量工作，分别使用GAMIT+TRACK和精密单点定位技术（PPP）两种方法对GNSS数据进行解算，并对高频GNSS解算结果进行了巴特沃斯、低通滤波、中值滤波、小波滤波等处理，处理结果与实测潮位数据进行了对比。结果表明：（1）使用GNSS浮标可以进行潮位测量；（2）移动平均滤波或中值滤波对高频GNSS浮标解算数据的处理结果较好，其次为巴特沃斯滤波，小波滤波处理结果较差；（3）在GNSS基准站的支持下，GAMIT+TRACK对GNSS解算结果精度可达1.065 cm，并可以给出绝对高程下的潮位信息；PPP技术解算结果的精度为4.283 cm，但不需要GNSS基准站的支持，可用于远海潮位测量。

GAMIT/GLOBK；TRACK；精密单点定位；验潮；GNSS浮标；滤波

潮位变化是水体在天体引潮力的作用下发生的垂直涨落，以及风、气压、大陆径流等因子所引起的非周期性变化。目前沿海的潮位测量以验潮站为主，但随着全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）和卫星高度计（satellite altimeter）的迅速发展，潮位测量的方式越来越趋向于多样化。利用GNSS进行潮位测量的技术也经过了多次试验［1-3］，均得到了较好的效果，但使用GNSS浮标的潮位测量技术研究还较少。

近10多年来，GNSS浮标主要应用于卫星高度计海面绝对高程的定标检验任务［4-5］，且已达到了相当高的精度。但我国目前的高度计定标检验工作开展较为缓慢，研制的GNSS浮标还处于测试阶段［6］。本文利用在海南省清澜湾的GNSS浮标测试试验，分别使用GAMIT+TRACK和PPP两种方法对浮标数据进行解算，并使用4种滤波算法对解算结果进行了滤波处理，使用验潮站实测数据对解算结果进行了分析，得到了较好的效果。

1　试验方法

1.1试验概况

本次试验在海南省文昌市清澜海洋环境监测站进行，在清澜海洋环境监测站内设立了GNSS基准站（见图1，Trimble GNSS扼流圈天线，Trimble Pro XRT主机），在验潮站附近设立了GNSS浮标（见图2，Trimble GNSS扼流圈天线，Trimble NET R9主机），GNSS基准站与浮标直线距离约为371 m，GNSS浮标与验潮仪的距离约为20 m。基准站、GNSS浮标和验潮站的位置及观测时间段见表1。

GNSS基准站和验潮仪的观测时间为2014年8月4日-6日；GNSS浮标的观测时间为2014年8月4日6：40-8月5日4：10，总计21.5 h。

图1　GNSS基准站

图2　GNSS浮标

表1　GNSS基准站、浮标和验潮站坐标

1.2GPS浮标数据处理方法

1.2.1GAMIT+TRACK为了保证GNSS基准站的高程解算精度，对GAMIT软件在运算过程中的主要配置加以说明［7-8］：在原始数据中提取30 s周期的GNSS测量值，与IGS站的数据采样周期保持一致；GAMIT处理模式为松弛解（RELAX.）并使用GLOBK进行平差；卫星截止高度角为10°；潮汐模型选择otl_FES2004.grid；大气参数模型选择为vmf1grd.2014；参考框架选择为ITRF2008。选择了GNSS周边的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个IGS站和精密星历数据对基准站数据进行了处理，并使用GLOBK软件进行网平差处理。TRACK解算采用短基线模式进行解算。

1.2.2精密单点定位技术（PPP）精密单点定位（Precise Point Positioning，PPP）技术由美国喷气推进实验室（JPL）的Zumberge于1997年提出［9］，目前已广泛应用于科研和实践。本次解算使用的软件为CSRS-PPP［10-11］，该软件是加拿大国有资源局大地测量司提供的GPS在线单点定位服务，它只需要用户提交静态或动态观测数据文件，就可进行高精度定位，不依赖于IGS站的数据质量。本文中使用精密星历和30 s钟差数据，大气模型为GPT，未进行潮汐改正。最终生成ITRF（IGb08）参考框架下的坐标，并使用文献 ［12］中的方法，将高程坐标值转化为WGS-84椭球下的坐标。

2　试验结果与分析

2.1基准站数据处理

基准站数据处理分为GAMIT基线处理和GLOBK卡尔曼滤波进行网平差处理。GAMIT最终解算的NRMS为0.205，说明解算合理［7］。基线处理结果见表2，平均基线长度达到了3 654 m，基线解算的精度可以达到1 cm以内。使用GLOBK平差后，GNSS基准站的精度为11.49 mm。

表2　基准站基线处理偏差（单位：cm）

2.2GNSS浮标结果与验潮仪的对比

GNSS浮标数据处理包括了TRACK处理和PPP处理。其中TRACK数据处理是以基站为基准的动态解算，PPP处理为CSRS软件的处理结果。以TRACK解算结果的高程值为基准，将验潮仪测量的潮位值归算到WGS-84椭球（与PPP结果一致）。最终与得到的3个结果进行了对比（图3）。

图3　数据解算结果的对比

验潮仪作为传统的验潮方法，其精度得到了广泛的认可。因此本次试验以验潮仪的数据解算结果为基准。GPS浮标测量的潮位曲线与验潮站的曲线总体上一致（图3），实际上与理论曲线相比存在一定的偏差，经统计分析后得到了TRACK解算的精度为1.47 cm；PPP解算的精度为4.46 cm，可用于远距离范围内的增水测量。与传统验潮仪相比，GAMIT+TRACK解算结果中 99.7%置信区间为±6.01cm，PPP解算结果99.7%置信区间为±13.38cm。

图4　TRACK解算结果与验潮仪数据对比误差

图5　PPP解算结果与验潮仪数据对比误差

但是对于GNSS浮标的解算结果为动态解算，受到海浪谱等外界条件的干扰和噪声的影响，其精度不能完全满足验潮需求［13］。因此需要对数据进行滤波处理，本文分别使用了巴特沃斯低通滤波［14］、移动平均滤波、中值滤波、小波滤波等方法对GNSS浮标数据进行了再处理，对2 min之内的测量数据进行滤波，可以有效地去除波浪对测高精度的影响［4］。最终得到的结果与验潮仪测量结果进行了对比（表3）。

对比结果显示，使用滤波算法处理后的数据均有一定程度的改善。根据平均差和标准偏差的比较，使用巴特沃斯滤波处理后的结果最好，TRACK解算的标准偏差由1.469 cm提高到了1.065 cm，PPP解算的结果也由4.462 cm提高到了4.283 cm；移动平均滤波与中值滤波的效果相当；小波滤波后对数据改善的效果较差。从相关性角度来看，巴特沃斯滤波后数据失真较为明显，而移动平均滤波、中值滤波和小波滤波与原始数据的相关性都较好。PPP处理结果的标准偏差改善较少，主要受到该技术测高精度的影响［3］，不适宜近岸潮位测量工作。综合上述分析，在GNSS浮标数据处理过程中，使用移动平均滤波或中值滤波既可以改善数据质量，又可以保证数据的真实可信。

表3　四种滤波算法结果对比

3　总结与讨论

使用研制的GNSS浮标可以完成潮位测量工作，但受到噪声和海浪的影响，使用GAMIT+ TRACK和PPP解算的高程定位结果需要进行滤波处理，通过对比四种滤波算法，确定了使用移动平均滤波或中值滤波可以达到较好的效果，使GNSS浮标测高精度达到1 cm左右。

GNSS浮标的海面高程测量精度满足《海洋调查规范——第十部分：海底地形地貌调查》的需求（要求水位观测精度优于5 cm，时间准确度优于1 min），较之于验潮仪，该方法可以布设在离岸30 km以内的几乎所有海域，使水位观测点的选择更具灵活性。由于GNSS浮标的测高精度较高，且布放不受海陆条件的限制，也应用于海洋卫星高度计的定标检验工作中［4］。但是受到精密星历和钟差发布滞后的影响，GNSS浮标的解算结果要比测量结果延后12～14 d。使用PPP对GNSS浮标进行解算的精度可以达到4.35 cm，可以不受基准站的限制，可完成中远海距离的潮位测量工作。

致谢：感谢清澜海洋环境监测站站长陈雁扬在潮位数据获取、GNSS基准站和浮标布放方面给予的支持。

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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

国家自然科学基金资助项目（41406204）；海洋公益性行业科研专项资助项目（201305032-3）

翟万林（1985-），男，硕士，工程师，主要研究方向为卫星高度计定标检验与海洋测绘技术。E-mail：zwl13032@163.com