基于GNSS測高技術的單站潮位改正方法研究

， ，代水，

(長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443000)

潮位改正的實質是在瞬時測深值中扣除水面時變影響，將測得的瞬時深度轉化為一定基準上與時間無關的“穩態”深度場的數據處理過程[1]。在高精度水深測量中，潮位值由一個或多個驗潮站上的潮位觀測序列提供。在水深測量工作中，反演出多種潮位改正方法，如單站潮位改正、多站潮位改正，其中，多站潮位改正方法有線性內插法、分帶分區法、時差法、最小二乘法[2]等。

1 單站潮位改正的局限性

當測區范圍不大于5 km時，在某一驗潮站的有效控制范圍內，測區內水深數據可用該站的潮位數據進行潮位改正，在單站改正前要做的重要工作之一是確定驗潮站的有效控制范圍。驗潮站有效范圍[3]是指在兩個驗潮站斷面上，一個驗潮站按給定潮位改正精度的作用距離，這取決于兩點間的最大潮差，計算公式為

(1)

式中，δ為精度指標，根據測量精度要求取0.1 m或0.2 m；DAB為兩站間距離，根據驗潮站位置由大地測量反算公式計算；Δζmax為兩站間最大潮差，隨著測區與驗潮站間的距離增大，潮位改正的精度逐漸減小。假設驗潮站B恰好位于驗潮站A有效范圍的邊緣，即DAX=DAB，則Δζmax=δ，得出在驗潮站有效控制范圍的邊緣地帶僅潮位改正誤差就達到水深測量限差δ，這樣對單波束水深測量的精度影響較大。

通過以上分析可以看出，測區與驗潮站間的距離增大，用單站潮汐改正嚴重影響水深測量精度。為了獲得高精度的水深測量數據，需增加驗潮站的數量，進行雙站、三站甚至多站潮汐改正。這種增加驗潮站的方式不僅嚴重浪費人力、物力，且當測區遠離海岸，無法增設驗潮站時，會對海洋測量帶來不便。因此，本文提出一種GNSS測高與單站潮位聯合改正方法，較好地解決這一問題，有效地提高了水深測量精度，同時又節省了人力、物力。

2 基于GNSS測高的單站潮位改正

隨著GNSS定位技術的發展，尤其是GNSS測高精度的提高，在海洋測繪中GNSS已不僅應用于平面定位。利用GNSS的載波相位差分技術進行高精度定位，獲得測船GNSS天線相位中心的精確高程，GNSS RTK能達到厘米級高程精度。測船在走航式測深過程中，由于風浪及潮汐等因素引起測船吃水變化、涌浪效應及潮汐變化，使測船垂直分量產生動態變化，進而影響測深質量，見圖1。

圖1 GNSS測高中的幾何關系

其中，H為GNSS接收機天線相位中心橢球高，可利用GNSS載波相位差分解算出；L為GNSS接收機天線相位中心到換能器的距離，為固定值；T為瞬時潮位；S為涌浪效應引起的測船升沉；C為換能器吃水；ζ為基準面偏差，即理論深度基準面至參考橢球面的距離；h為瞬時水深。則有

H=L+T+S+ζ-C

(2)

由式(2)可知：GNSS高程H的變化與潮位T的變化、涌浪效應參量S、換能器吃水C及基準面偏差ζ的變化有關。

在岸邊驗潮站觀測潮位數據，同時在測量過程中獲得測區內每一測點的瞬時GNSS測高數據。利用小波去噪法[4]等方法，對GNSS高程進行濾波處理，濾除涌浪數據S，得到測船任意時刻的GNSS高程近似曲線，見圖2。

圖2 GNSS高程和潮位曲線變化

圖中，TA(t)為驗潮站潮位曲線，TB(t)為測區潮位曲線，HB(t)為濾除涌浪后的GNSS高程近似曲線，δAB為測區和驗潮站間的潮時差。換能器的吃水C包含兩個部分：①靜態吃水，在測量過程中會由于油耗等因素呈線性變化，變化量很小，在此處計算曲線擬合時不予考慮；②動態吃水，主要受船速的影響，按照規范，單波束水深測量作業時應使測船盡量保持勻速，因此可把動態吃水近似看為一個常量。由于1 d中的單波束測量作業范圍較小，基準面偏差ζ可認為是一個常量，則有

HB(t)=TB(t)+L+ζ-C

(3)

測區潮汐曲線TB(t)可視為GNSS高程曲線HB(t)向下平移了L+ζ-C，而縱軸的平移量L+ζ-C對橫軸上的δAB的計算沒有影響。

根據時差法潮位改正理論[3]，把驗潮站潮位與GNSS高程視作信號，驗潮站潮位序列為X1,X2,…，Xn，GNSS高程序列為Y1,Y2,…,Yn，τ為時間延時，通過相似函數

(4)

求得相似值序列Rxy(1)，Rxy(2)，…，Rxy(n)，當相似值|R|最接近1時，兩曲線最相似，此時的時間延時τ可認為是驗潮站和測區的潮時差δAB，測區的潮位TB(t)=TA(t+δAB)，即通過在驗潮站的潮位加入潮時差因子，可推估出測區的潮位。因此用潮位TB(t)對水深測量數據進行潮位改正要比用驗潮站潮位TA(t)精確。

3 實例計算

實驗數據為黃海某海域實測數據，數據采集時間為2013年7月，其中GNSS測量采用的是當地CORS網站方式，用于定位數據和GNSS高程數據的獲取，數據采集頻率是10 Hz。測深系統使用的是單波束測深系統，驗潮數據通過人工驗潮獲得。

首先利用小波去噪方法對GNSS測高數據進行濾波處理，濾除涌浪信息，效果見圖3。

圖3 小波去噪效果

GNSS高程曲線序列加常數對計算潮位曲線和GNSS高程曲線的相似度影響較小，可以通過計算潮位曲線和GNSS高程曲線的相似度來計算驗潮站和測區的潮時差。該次試驗人工驗潮潮位數據采用10min間隔采集，為了提高計算潮時差的精度，對驗潮站數據進行插值處理，間隔為1min，見圖4。

圖4 驗潮站潮位曲線

為方便對比計算GNSS高程曲線和驗潮站潮位曲線，將濾波后的GNSS高程曲線去除跳變值后，在整分處取10s的GNSS高程數據求平均后代表此刻的GNSS高程值。處理后效果見圖5。

圖5 測區GNSS高程

根據時差法潮位改正理論[3]，驗潮站潮位序列為X1,X2,…，Xn，GNSS高程序列為Y1,Y2,…，Yn，τ為時間延時，由于潮波傳播方向未知，則τ取值為0，±1，±2，±3，…,±n-1，單位為min。通過相似函數公式(4)，利用MATLAB求得相似值如表1所示，則測區與驗潮站的潮時差為-7 min，推算出測區的潮位

TB(t)=TA(t+δAB)

(5)

改正后測區的潮位曲線TB(t)和驗潮站潮位曲線TA(t)潮位比較見圖6。

表1 時間延時與相關度對應

圖6 測區GNSS高程和測區潮位曲線

4 結 語

基于GNSS測高技術的單站潮位改正方法相對于傳統的單站潮位改正，考慮潮時差因素，結合時差法的潮位改正方法，能夠有效提高單波束水深測量精度。該綜合潮位改正方法適用于范圍較小的海域水深測量。若要應用于大范圍海域，需考慮大范圍海域內基準面偏差變化，應將測區分區后再采用該方法處理。