GNSS浪潮参数反演方法与应用

单 瑞

1. 中国地质调查局青岛海洋地质研究所,山东 青岛 266237; 2. 同济大学测绘与地理信息学院,上海 200092

论文系统研究了基于GNSS技术的海洋波浪和潮汐参数反演方法,内容涵盖GNSS浪潮参数反演基础理论、海洋动态环境精密单点定位(PPP)及测速性能评估、GNSS波浪测量及特征参数反演方法与验证、GNSS潮汐测量分析预报方法及应用等,主要研究内容和结论如下。

(1) 优选了适用于GNSS浮标波浪潮位测量的PPP及精密单点测速模型。采用无电离层组合模型时,事后PPP的E、N、U方向的定位精度分别为0.085、0.027、0.057 m;基于北斗PPP-B2b服务的海洋动态实时PPP在46 min后可实现N、E、U 3个方向上的整体首次收敛,E、N、U方向的定位精度分别为0.092、0.026、0.061 m。采用高频GNSS观测数据时,载波相位历元差分(time-differenced carrier phases,TDCP)测速模型具有更高的动态测速精度,尤其是在浮标等低机动运动载体上可以达到2～3 cm/s的测速精度,并且通过单频接收机即可实现。

(2) 分别采用统计分析法和频谱分析法进行了波高、周期参数反演,并与现有行业最高测量精度的波浪骑士浮标进行了比测及精度验证;跨零法结果表明,通过两款浮标记录的波面位移反演得到的有效波高相差4 cm,有效波周期相差0.58 s,平均波高相差1 cm,平均波周期相差1 s;经周期图法得到的波浪特征值结果表明,两套浮标反演得到的有效波高相差1 cm,有效波周期相差0.2 s,平均波高相差1 cm,平均周期相差0.9 s;频谱分析法显著提升了有效波波高、周期参数反演的精度水平。

(3) 在波浪方向谱分析方面,通过GNSS浮标速度构建方向谱时,利用速度频谱结合传递函数得到位移频谱的方法,有效避免了在时间域采用速度直接积分变换位移时存在的累积误差影响;采用三参数方向谱时,GNSS浮标位移数据反演得到的结果与波浪骑士浮标结果平均差-4.75°,GNSS浮标速度数据反演得到的结果与波浪骑士浮标结果平均差-3.75°,符合相关行业测量规范要求;另外,综合利用GNSS浮标三维位移与速度信息,得到了分辨率更高的六参数方向谱。

(4) 利用GNSS浮标开展了定点式潮汐测量分析及预报研究工作;引入人工蜂群优化BP神经网络算法实现短期余水位预测,并修正了调和分析预报的天文潮位;基于30 d GNSS浮标实测数据,对未来7.5 d的潮位预报精度从9.4 cm提升到3.2 cm,效果显著;引入分潮信息时频域相关性指标,统计结果表明,经余水位修正后的预报潮位与实测潮位在全日潮族时频域上的相关性得到显著提升;在此基础上,探索了在时间域直接对潮汐进行短时预报,基于10 d GNSS浮标实测数据,对未来72 h的潮位短时预报精度相对于GNSS浮标实测潮位为5.82 cm。

(5) 结合船载GNSS数据,开展走航式潮位测量应用试验,重点研究了GNSS短期失效时PPP/INS组合模式下的无验潮水深测量;与采用预报潮位改正模式相比,基于PPP/INS紧组合解的远海无验潮水深测量模式,可获得精度更高的成果水深数据,在水深大于50 m的海域,其水深测量准确度可达0.14 m;同时,可有效解决GNSS短期失效带来的在航潮位数据缺失问题。