CN107544075A - 基于精密单点定位与调和分析估计海潮负荷位移参数方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于精密单点定位与调和分析估计海潮负荷位移参数方法，将三维海潮负荷位移影响当作未知参数与其它PPP定位参数一起进行实时估计；同时通过调和分析提取各潮波的海潮负荷位移参数。本发明基于静态PPP估计48个海潮参数的理论，利用3个未知海潮参数代替48个参数，实时动态估计海潮负荷位移，既有效避免了未知数剧增降低估值的解算强度，又实现了静态PPP与动态PPP的优势互补。本发明具有算法先进，精度高、稳定性强，自动化程度高等特点，且实现简单，通过估计海潮参数可建立沿海区域的高精度高分辨率海潮负荷位移模型，为高精度GNSS数据处理中海潮负荷效应改正提供服务与保障。

Description

基于精密单点定位与调和分析估计海潮负荷位移参数方法

技术领域

本发明涉及一种估计海潮负荷位移参数的方法。

背景技术

在现有的海潮负荷位移参数估计方法中，与超导重力及甚长基线干涉测量技术相比，GPS技术具有全球覆盖、测站多、对观测环境要求低及成本低廉等优势，且沿海GPS观测值对海潮负荷响应灵敏，可通过GNSS观测值准确的获取海潮负荷引起的观测偏差。目前估计海潮负荷位移的方法是在静态PPP中增加48个海潮负荷位移参数与其他参数(测站坐标、接收机钟差、对流层延迟、模糊度等)一同求解，利用卡尔曼滤波获取每个潮波的绝对振幅与相位。但该方法通常是利用GIPSY/OASIS软件处理24小时观测数据，每天只得到一组估计值，这将会平均化一些海潮信息，导致一些分潮波(如1/3日潮)信号无法显示出来，且未知数的剧增会降低估值的解算强度。同时动态PPP精度为cm级，无法高精度的估计海潮负荷位移，如何改进现有方法的不足，获取高精度海潮负荷位移，更好的服务于高精度GNSS定位具有重要价值。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于GPS PPP与调和分析估计海潮负荷位移参数的方法，将三维海潮负荷位移影响当作未知参数与其它GPS-PPP定位参数一起进行实时估计；同时通过调和分析提取各潮波的海潮负荷位移参数。基于静态PPP估计48个海潮参数的理论，利用3个未知海潮参数代替48个参数，动态实时估计海潮负荷位移，既有效避免了未知数剧增降低估值的解算强度，又实现了静态PPP与动态PPP的优势互补，可实时获取高精度海潮负荷位移，建立高精度海潮负荷位移模型。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括基于GPSPPP技术估计三维海潮负荷位移和使用调和分析方法提取各潮波位移参数两步：

(1)将随时间变化的海潮负荷三维位移影响作为未知参数直接引入GPS动态PPP模型中进行实时逐历元估计；

(2)使用调和分析方法，将GPS PPP估计的海潮负荷位移(x,y,z)中的半日潮波(M2，S2，N2，K2)及周日潮波(K1，O1，P1，Q1)分离，得到最终的海潮位移参数。

本发明的有益效果是：

第一，实现了静态PPP与动态PPP的优势互补，利用3个海潮位移影响参数代替48个潮波参数，可提高GPS PPP的估算强度；且逐历元估计三维海潮负荷位移，可有效反映每个历元海潮负荷位移的变化，同时缩小动态时间序列的采样间隔，为快速有效获取海潮负荷信息提供了有效手段。

第二，利用调和分析方法有效提取了各潮波的海潮负荷位移(OTLD)参数，为建立沿海区域的高精度高分辨率海潮负荷位移模型提供基础数据，从而更好的为高精度GNSS数据处理中海潮负荷效应改正提供服务与保障。

附图说明

图1是海潮负荷对测站坐标的影响示意图。

图2是海潮负荷对测站坐标的影响示意图。

图3是一种基于GPS PPP与调和分析估计海潮负荷位移参数流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明将三维海潮负荷位移影响当作未知参数与其它PPP定位参数一起进行实时估计；同时通过调和分析提取各潮波的海潮负荷位移参数(OTLD)。本发明基于静态PPP估计48个海潮参数的理论，利用3个未知海潮参数代替48个参数，动态实时估计海潮负荷位移，既有效避免了未知数剧增降低估值的解算强度，又实现了静态PPP与动态PPP的优势互补。本发明具有算法先进，精度高、稳定性强，自动化程度高等特点，且实现简单，通过估计海潮参数可建立沿海区域的高精度高分辨率海潮负荷位移模型，为高精度GNSS数据处理中海潮负荷效应改正提供服务与保障。

本发明包括基于GPSPPP技术估计三维海潮负荷位移和使用调和分析方法提取各潮波位移参数两步：

(1)GPS PPP估计三维海潮负荷位移

由于GPS技术对测站三维位移变化的敏感度高于对48个海潮参数的敏感度，本发明改进了利用GPS PPP估计48个海潮参数的方法，将随时间变化的海潮负荷三维位移影响作为未知参数直接引入GPS动态PPP模型中进行实时逐历元估计，即在动态PPP求解中，三维海潮位移参数、测站坐标、接收机钟差、对流层延迟、模糊度等均为待求参数，进行同时估计。

(2)调和分析提取各潮波位移参数

使用调和分析方法，可以将GPS PPP估计的海潮负荷位移(x,y,z)中的半日潮波(M2，S2，N2，K2)及周日潮波(K1，O1，P1，Q1)分离，得到最终的海潮位移参数。

本发明的实施例具体包括以下步骤：

第一步，利用GPS精密单点定位技术计算三维海潮负荷时间序列，数据处理中联合前、后各一天的精密星历，保证海潮负荷位移时间序列的连续，可有效避免24h数据单天解的周期影响，避免伪周年项的产生。采用粗差探测方法探测粗差异常值，对剔除的历元采用插值的方法进行补齐。

第二步，基于各潮波的固有周期与调和分析方法分离各潮波的海潮负荷位移参数(振幅值与相位值)，获得各潮波GPS海潮负荷位移估值。

具体的流程如图3所示。

本发明的技术方案主要包括两个核心技术：

(1)GPS PPP估计三维海潮负荷位移

利用IGS精密轨道和精密卫星钟差产品，对单台双频GPS接收机采集的相位和伪距观测值进行消电离层组合PPP定位测定海潮负荷位移，其简化的数学模型如下：

其中，P为码观测值，Φ为载波相位观测值；f为信号频率；角标IF表示无电离层组合，角标1,2表示两个不同的频率；ρ为站星几何距离；l_otl为海潮负荷影响引起的等效距离误差，可以分解为测站坐标系的东西E、南北N和垂直U方向位移，它是半日、周日、长周期潮波负荷位移的叠加；c为光速；dt为接收机的钟差；d_trop为对流层延迟误差；λ和N组合相位模糊度；ε(.)为测量噪声。地球自转、固体潮、相对论效应、天线相位中心偏差、相位缠绕采用经验的模型改正，其对流层误差采用模型改正，其残差采用参数估计，观测噪声当作白噪声处理。在式(1)和(2)中，l_otl通常可线性化为与测站坐标有关的三维分量形式。用图2表示海潮负荷对测站位移的影响。

其中，S(i)表示可观测到的卫星(i＝1,2,...,n，n为同一历元所观测的卫星个数)，R表示不考虑海潮负荷影响观测得到的测站点位估值，相应卫星与R之间的站星距为γ_i；R′则表示考虑海潮负荷影响后得到的测站点位估值，对应卫星与点位R′之间的站星距为γ′_i。设在以R为原点的测站坐标系下卫星坐标为(X_i,Y_i,Z_i)，R′坐标为(x,y,z)，则对无电离层组合观测中海潮负荷改正前后引起的测站点位估值变化为RR′，(x,y,z)为R′的坐标的北分量、东分量、垂直分量，即是海潮负荷位移。)；分别定义未受海潮影响与受其影响的接收机钟差参数估值的大小为δT与δT′；RR′相对于卫星两万多公里高度是个甚微量，因此海潮负荷对计算卫星相对测站的天顶距、方位角的影响可以忽略。令(θ_i)、(α_i)分别为对应卫星的天顶距与方位角，则可得未受海潮影响与受海潮影响的站星距γ_i、γ′_i的表达式：

(3)与(4)相减，则海潮负荷对站星间几何距离观测的影响可表达为：

其中δt＝δT-δT′为海潮负荷引起的接收机钟差估值的变化。将式(8)代入到方程(4)和(5)，即可采用最小二乘参数估计实时求解海潮负荷位移变化。

(2)调和分析提取各潮波位移参数

调和分析方法提取海潮位移参数，其模型如式(7)：

x(t)代表某分量的海潮负荷时间序列，b₀，b₁为未知系数，N为潮波总数，k代表海潮负荷的各个潮波，δ_k为各潮波的角速度，t为时间，δ_k＝2πfu_k，fu_k为海潮潮波的频率，为海潮负荷时间序列x(t)的复振幅。本文采取的是传统正弦波求解，即式(9)经过式(10)转换成式(11)：

将PPP估计的测站海潮负荷位移作为测站处的真实海潮负荷影响，分别代入式

(9)，经过最小二乘拟合可获取未知参数b₀,b₁,A_k,B_k，再将结果代入公式(10)得到和分别对和进行有色噪声或白噪声改正及节点因素和天文节点改正。

最后经过式(12)-(14)计算得到最终的海潮负荷位移参数(潮波的振幅和相位值)：

L_k＝|a_k|+|a_-k| (12)

g_k＝ν_k-ang(a_k)+θ_k (14)

其中L_k,g_k为最终的海潮潮波的振幅和相位值，v_k为平衡相位mod表示取余，ang为求相位角。

Claims (1)

1.一种基于精密单点定位与调和分析估计海潮负荷位移参数方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)将随时间变化的海潮负荷三维位移影响作为未知参数直接引入GPS动态PPP模型中进行实时逐历元估计；

(2)使用调和分析方法，将GPS PPP估计的海潮负荷位移(x,y,z)中的半日潮波(M2，S2，N2，K2)及周日潮波(K1，O1，P1，Q1)分离，得到最终的海潮位移参数。