远海PPK 测量潮位用于深度基准面计算的研究

周 颖，王 瑞

（中交广州航道局有限公司，广东广州 510221）

引言

潮位控制在水深测量中是至关重要的一环，深度基准面的确定是潮位控制的基础，随着船舶运输业的发展，航道的建设航线离岸边距离越来越远，远海水深测量工作难度加大，其中最主要的困难在于远海的水位控制以及深度基准面的确定。确定临时水位站深度基准面，传统做法有修建海上验潮站、抛设水位计、潮位模型推算等方法。修建海上验潮站成本高、难度大，非长期使用不够经济，一般不采用此方法；抛设水位计容易被渔船拖动导致数据异常、缆绳断裂仪器无法回收导致数据丢失等现象。模型推算所需资料较多，推算复杂，受潮位站分布、潮流变化等影响，精度难以保证。基于以上的考量，开展远海GPS 后处理技术（PPK）的潮位测量及提取、用于深度基准面计算的研究，实现远海PPK 潮位精确测量。

1 远海PPK 潮位测量及提取

远海PPK 潮位测量系统主要由GPS 基准站和流动站组成，作业不受无线电通讯限制，仪器同时接收卫星即可，采样频率均设置为1 Hz，作业距离在50～80 km 内精度优于10 cm[1,2]，通过基准站和流动站的空间相关性，使用TBC 软件进行PPK 解算，可得到流动站 GPS 相位中心瞬时三维解（X,Y,Z）ppk[3]，TBC 软件中可查看流动站轨迹线，根据锚定PPK 测量轨迹图可得知锚定点处潮流流向，涨潮流向为南偏东方向，落潮流向为北偏西方向，在涨落潮转换期间测量船轨迹随潮汐变化做圆弧运动，直径约为150 m，在该范围内高程异常引起的误差约为0.6 cm，对潮位观测影响较小。

锚定PPK 潮位测量，对Z 值进行滤波处理及拟合实现潮位提取[4]。潮位提取采用我司自研发的软件，利用最小二乘法对数据进行拟合，潮位提取间隔采用5 分钟。潮位提取示意图见图1：

图1 潮位提取示意图

2 试验及分析

为检验远海锚定PPK 潮位可行性，结合盐城港大丰港区深水航道疏浚工程水深测量，2019 年7 月21 日、9 月11 日分别在A、B 点开展两次远海锚定PPK 潮位测量试验，锚定点均设计在航道边，PPK基准站架设在项目部楼顶，GPS-PPK 基准站、锚定点、验潮站位置见图2：

图2 GPS-PPK 基准站、锚定点、验潮站位置示意图

图中锚定点A、B 与基准站距离分别为39 km和48 km，两次观测均在大潮期间进行，锚定PPK潮位观测的同时在附近抛设压力式水位计，水位计抛设前开启GPS 流动站，抛设水位计的同时GPS可完成初始化，待测量船锚定后，连续不间断采集72 h 数据，比较两种方法潮位曲线的差异。锚定PPK潮位记录的是WGS 84 椭球下的大地高潮位，而水位计记录的是潮汐变化曲线，将两者数据归算至码头长期验潮站同步期平均海面进行比较[5]。图3、图4 分别表示A 点转换后的PPK 潮位和水位计潮位及偏差曲线图、偏差分布直方图。

图3 锚定A 点PPK 潮位和水位计潮位及偏差曲线图

图4 锚定A 点偏差分布直方图

由图表可看出A 点PPK 潮位和水位计的偏差较大的值主要集中在最高潮和最低潮附近，偏差没有大于15 cm的点，偏差大于10 cm的点占比4.5 %，绝大部分偏差小于10 cm，偏差值在5 cm 以内的点达到了71.4 %，偏差值符合正态分布，A 点观测的PPK 潮位和水位计潮位较为吻合。

图5、图6 分别表示B 点转换后的PPK 潮位和水位计潮位及偏差曲线图、偏差分布直方图。由图表可看出B 点PPK 潮位和水位计的偏差较大的值同A 点一样主要集中在最高潮和最低潮附近，偏差没有大于10 cm 的点，偏差值在5 cm 以内的点达到了90 %，偏差值符合正态分布，B 点观测的PPK潮位和水位计潮位吻合度非常高；

图5 锚定B 点PPK 潮位和水位计潮位及偏差曲线图

图6 锚定B 点偏差分布直方图

对潮位偏差参数进行统计分析，统计表见表1；偏差最大值为13.4 cm，最小值为-10.9 cm，均来自第一次的A 点观测数据，且A 点PPK 潮位基线长度较B 点要短。分析其原因可能有以下两点：1.第一次的测量船没有第二次的大，抗风浪能力差，船舶摇晃相对较大；2.第一次较第二次观测时段风浪偏大。但两次观测标准差均优于5 cm 的精度，从而表明了远海PPK 潮位观测和提取方法的准确性。

表1 锚定PPK 潮位和水位计潮位偏差参数统计

3 远海PPK 潮位用于深度基准面的确定

3.1 平均海面

确定临时水位站平均海面，采用同步观测法时，临时水位站和相邻长期水位站同步观测水位的天数可取3～15 天。

3.2 深度基准面确定

同步期平均海面的计算，需在大潮期间同步观测长期水位站和临时水位站72 h，通过提取最高潮位、最低潮位计算临时水位站、长期水位站同步期平均半潮差Px（m）、P（m）、以及长期水位站深度基准面与同步期平均海面的高差L（m），临时水位站深度基准面与同步期平均海面的高差L'x（m）按式（1）计算[6]。

3.3 精度分析

临时水位站深度基准面的确定由式（1）可知，L'x 值的计算取决于L 值、P 值、Px 值，计算时L值和P 值均使用码头长期验潮站的观测值，而Px值分别采用PPK 潮位和水位计潮位观测数据进行计算，分析PPK 潮位用于确定深度基准面的精度。大丰港潮位规律符合正规半日潮，选择大潮期间同步观测72 h 潮位数据，A、B 点分别统计5 组高低潮数据[7]，分别计算水位计潮位和PPK 潮位半潮差平均值，确定A、B 点临时验潮站与码头长期验潮站潮差比，A、B 点半潮差计算表分别见表2、3：

表2 A 点7 月21 日-7 月24 日潮位半潮差计算表

表3 B 点9 月11 日-9 月14 日观测半潮差计算表

由表2、3 可看出PPK 潮位和水位计潮位半潮差偏差最大值为4.5 cm、最小值为-4.0 cm，精度优于5 cm。A 点PPK 潮位和水位计潮位平均半潮差偏差仅0.4 cm，而B 点则完全一致，平均半潮差的计算精度达到了厘米级，而潮差比Px/P 的值对L'x值的影响最大仅为千分之2。通过以上分析，PPK潮位用于计算L'x 值的精度与水位计潮位的计算基本一致，能够保证L'x 值的正确性。

4 结语

本文主要是对远海PPK 潮位测量技术同常规水位计潮位测量方法进行比较，验证最小二乘法计算远海PPK 潮位的准确性，验证远海PPK 潮位测量的精度和稳定性。对远海PPK 潮位用于计算深度基准面的精度进行分析验证，推算潮位整体精度优于10 cm，偏差均小于15 cm，PPK 潮位用于计算L'x 值与常规水位计潮位计算的偏差控制在厘米级，满足深度基准面推算要求，为深度基准面的确定提供可行方案。