全球衛星定位系統（GPS）在海洋觀測中的新應用

楊凡 王和鋒

1.中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島 266003

2.國家海洋局珠海海洋環境監測中心站 廣東 珠海 519000

全球衛星定位系統（GPS）在海洋觀測中的新應用

楊凡1王和鋒2

1.中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島 266003

2.國家海洋局珠海海洋環境監測中心站 廣東 珠海 519000

在目前海洋觀測業務上，新開展的GPS業務化海洋觀測以其全天候、全球覆蓋、三維定速定時高精度、快速省時高效率等主要特點，為海洋觀測提供了更精確、更專業、更可靠的觀測手段。GPS業務化海洋觀測主要有：沿海定位、海平面觀測（驗潮）、海氣交換（水汽含量監測）、沿海以及海底地殼形變監測。

GPS；海洋觀測

一. 概述

全球定位系統（Global Positioning System，GPS）是目前應用最廣泛的全球精密導航、指揮和調度系統。用GPS信號可以進行海、空和陸地的導航，導彈的制導，大地測量和工程測量的精密定位，時間的傳遞和速度的測量等。GPS技術已發展成多領域（陸地、海洋、航空航天）、多模式（GPS、DGPS、LADGPS、WADGPS等）、多用途（在途導航、精密定位、精確定時、衛星定軌、災害監測、資源調查、工程建設、市政規劃、海洋開發、交通管制等）、多機型（測地型、定時型、手持型、集成型、車載式、船載式、 機載式、星載式、彈載式等）的高新技術國際性產業。

二. GPS技術特點

1.GPS定位原理

GPS 衛星主要有28顆，在6個不同的軌道平面20,180公里高空繞地球運轉，相鄰軌道平面成60度夾角，每個軌道平面與赤道成55度角。每一顆衛星繞地球運行一周時間近12小時，由于地球自轉，每24小時（準確為23小時56分）后，衛星將回到地球同一點的上空。衛星信號能在衛星有效范圍內的任一點上接收到。GPS系統采用高軌測距體制，以觀測站至GPS衛星之間的距離作為基本觀測量。為了獲得距離觀測量，主要采用兩種方法：一是測量GPS衛星發射的測距碼信號到達用戶接收機的傳播時間，即偽距測量；一是測量具有載波多普勒頻移的GPS衛星載波信號與接收機產生的參考載波信號之間的相位差，即載波相位測量。采用偽距觀測量定位速度最快，而采用載波相位觀測量定位精度最高。通過對4顆或4顆以上的衛星同時進行偽距或相位的測量即可推算出接收機的三維位置。

2.GPS技術特點

（1）應用實踐已經證明，GPS相對定位精度在50km以內可達10-6，100～500km可達10-7，1000km可達10-9。此外，GPS可為各類用戶連續地提供高精度的三維位置、三維速度和時間信息。

（2）目前，20km以內相對靜態定位，僅需15～20min；快速靜態相對定位測量時，當每個流動站與基準站 相距在15km以內時，流動站觀測時間只需1～2min，然后可隨時定位。

（3）由于GPS衛星數目較多且分布合理，所以在地球上任何地點均可連續同步地觀測到至少4顆衛星，從而保障了全球、全天候連續實時導航與定位的需要。

三. 國內外發展情況

1. 國外發展情況：因應海面上升的影響，IGS于2001-2005年期間成立了海面變化監測工作組——GPS Tide Gauge Benchmark Monitoring，簡稱TIGA。其目的是利用沿海驗潮站和鄰近的IGS站資料，準確地獲取海面變化信息，研究近20年來海面變化趨勢。該工作組匯集了國際主要研究機構的眾多科學家，成立了6個獨立的TIGA數據分析中心，囊括了全球所有能夠收集到的GPS+驗潮資料。

2. 國內發展情況“九五”國家重大科學工程項目——地殼形變觀測網絡，在全國布設了27個連續運行GPS站，每天傳送并處理一次數據，可以提供每天的水汽含量信息。中科院上海天文臺與上海氣象局、上海測繪院共同建設了16個站的GPS觀測網絡，具備GPS水汽監測的功能，已進入業務化運行。

四. GPS技術在海洋觀測的新應用

GPS連續運行觀測站，簡稱CORSContinuous Operation Reference Station,是國際上正在采用的重要對地觀測手段，主要用于地殼運動監測、地球動力學研究、空間基準維持、大氣和海面變化監測等方面。

1.提供潮汐觀測站站址的周、月、年變化率，監測海平面實際變化

GPS業務化觀測，將提供沿海海洋站站址水平和垂直方向的周、月、年變化率，結合潮汐觀測數據，能夠準確地揭示沿海海平面的真實變化。目前，我國監測海平面變化以驗潮資料為主，輔以衛星測高資料。通過增加GPS連續運行觀測站，在海面變化監測中有三大優勢：①將沿海海洋站資料納入統一的參考框架中，綜合分析區域性海面的整體變化趨勢。②分離驗潮站基巖的垂直運動，準確地揭示海面的真實變化規律。③在沿岸和近海提供厘米級的定位服務，標定TOPEX/Poseidon等測高衛星的系統性差異。結合驗潮站潮汐和水文氣象資料，準確反映海平面的變化。

2.及時提供沿海大氣水汽含量變化信息，為海洋氣象預報服務

GPS數據處理中心每15分鐘能夠提供一次水汽變化信息以及沿海各海洋站上空水汽含量數據，這對災害海洋天氣的監測和預報非常有益。目前，短期天氣預報的準確性受制于初始水汽場，通過沿海GPS連續運行觀測站的建設，具有如下作用：①增加了實時水汽含量觀測值，提供了新的海洋環境信息。②基于海洋站觀測到的水汽變化信息，能準確地預報、監測和掌握災害性天氣的發生、發展和演化。③為海洋氣象預報實時提供初始的水汽場，以提高預報的準確度。

3.在線提供空間位置基準，為海岸帶和近海海洋調查服務

在海洋站上增設的GPS連續運行觀測站，構成了海洋的空間基準，能夠為近海調查提供精密定位服務，也為海島調查提供統一基準，同時也為國內外海洋劃界等勘測提供全球統一的參考框架。為海底和近岸地震等災害的監測和預報提供定量依據。由于地震與地殼運動有著密切的關系，地殼運動的監測一直是地震預測預報研究的重要手段和依據。在沿海地區增設GPS連續運行觀測站，能夠高精度、實時、連續地獲取板塊間相互作用引起的地殼運動。

五. GPS業務化觀測的實現

1.建設目標

在沿海和主要島嶼建立全國統一的、高精度的GPS業務觀測網絡，實現對海面變化、沿海地殼運動、水汽含量的動態監測，獲取中國沿海海面變化與地殼運動特征以及水汽含量動態變化曲線，主要服務于海平面變化、海洋氣象預報和災害天氣監測，同時兼顧各種海洋調查和軍事應用。目前南海區正在進行GPS觀測站站點位置選址。

2.GPS觀測站點地理環境要求以及選址

（1）觀測站點地理環境要求， GPS觀測站的地理位置最好處于相對空曠的沿海地區，四周無居民樓或者是微波站、無線電發射臺和高壓線、軍事雷達等干擾因素。GPS觀測站最好架建在穩定塊體上避開容易產生振動的地帶 ，避開地質結構不穩定地區和易受水淹或地下水位變化較大的地區。

（2）觀測站點選址，前已選址的監測站點為：珠海站、閘坡站、臺山站、湛江站、硇洲站。除了珠海站地理位置處于居民樓附近，對GPS觀測數據準確度有一定的影響，其他站點所處的地理位置相對比較空曠，接收信號良好。

3.GPS觀測站點結構以及觀測站點工作數據傳輸流程

觀測站點工作數據傳輸流程：

原始數據三級傳輸

臺站→海洋中心站（無線、專線）

海洋中心站→分局預報中心（專線）

分局預報中心→局預報中心 （專線）

處理數據傳輸

六. 結束語

當前，由于GPS的技術特點，已經發展成為一種成熟的對地觀測技術，在國家海洋局所屬的長期海洋站增設GPS連續運行觀測站，實現GPS觀測業務化運行，將為海洋科研、海洋管理和海洋服務開拓新的數據來源和擴大公眾服務范圍。

中國大陸沿海處于西太平洋地震帶中。受到太平洋板塊西移的沖壓、消減的影響，沿海地區出現1～2厘米/年的水平運動，面臨著海底和近岸地震災害的潛在威脅，也面臨深海地震誘發海嘯的直接侵害。由于地震與地殼運動有著密切的關系，地殼運動的監測一直是地震預測預報研究的重要手段和依據。在沿海地區增設GPS連續運行觀測站，能夠高精度、實時、連續地獲取板塊間相互作用引起的地殼運動，為研究地震活動的時空遷移規律、預測未來地震的地點和強度等科學問題提供定量的依據，這對于防災減災具有重要意義。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.006