CN112731453B - 利用gnss浮标的验潮站垂直基准检测方法 - Google Patents

利用gnss浮标的验潮站垂直基准检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用GNSS浮标的验潮站垂直基准检测方法，属于验潮站垂直基准检测技术领域。本发明包括如下步骤：S1：GNSS精密水准的测量、S2：GNSS浮标的现场布放、S3：GNSS静态参考站的架设、S4：GNSS观测时间的设定、S5：GNSS浮标SSH的计算、S6：潮汐信号SSH的数据滤波、S7：SSH大地水准面差异的消除、S8：GNSS和验潮站垂直基准的统一。本发明利用高精度GNSS测高浮标通过观测WGS‑84参考椭球基准下的海面高度信息，避免上述三个问题，方便、经济的布设在海洋站附近海域，避免验潮站基准位移误差和水准测量误差积累，在任意海域(包括)远海岛礁区域进行验潮站基准统一。

Description

利用GNSS浮标的验潮站垂直基准检测方法
技术领域
本发明涉及一种利用GNSS浮标的验潮站垂直基准检测方法，属于验潮站垂直基准检测技术领域。
背景技术
目前验潮站测量基准的检测主要依赖GNSS水准连测，即通过GNSS精密水准测量在GNSS基站和验潮站基准点之间建立高程关系，从而得到验潮站的基准点高程系统和GNSS的WGS-84参考椭球面之间的系统高差，使得我国沿海所有的验潮站基准归算到的几何意义下的数学参考椭球面，进而使得绝对海平面变化以及海洋大地测量垂直基准在统一的严密的参考面下开展，避免不同海区高程系统差异来的所谓缝隙。
但是该方法的不足之处一：水准测量的工作量和经济成本较大，且地形复杂区域的水准测量难度大，误差累计大；二：不能考虑到验潮站基准点自身的位移误差；三、在远离大陆的海岛验潮站缺少精密的国家85高程系统，水准连测结果无法和大陆统一。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种利用GNSS浮标的验潮站垂直基准检测方法。
本发明所述的利用GNSS浮标的验潮站垂直基准检测方法，包括如下步骤：
S1：GNSS精密水准的测量：在实验室内通过精密测量确定进行GNSS浮标天线高的测量，确定GNSS浮标天线相位中心到静止水面的高度h1；
S2：GNSS浮标的现场布放：包括如下小步：
S21：GNSS浮标布放于海洋站附近的开阔海域；
S22：GNSS浮标通过附近固定的浮球进行连接，使其水平位置不发生大的变化；
S23：GNSS浮标的采样频率设置为1Hz；
S3：GNSS静态参考站的架设：在海洋站陆地区域架设GNSS静态参考站，用于GNSS浮标数据的差分后处理；
S4：GNSS观测时间的设定：为保证观测到完整的高低潮，GNSS浮标观测时间应不低于一定的天数；
S5：GNSS浮标SSH的计算：测量结束后，利用PPK差分后处理技术计算GNSS浮标天线相位中心的1Hz的瞬时海面高度SSH0，并减去天线高h1，得到实际的瞬时海面高度SSH1：
Figure BDA0002848164780000021
式中：
Figure BDA0002848164780000022
为GNSS浮标起始相位模糊度；
Figure BDA0002848164780000023
为GNSS浮标起始历元至观测历元的相位整周数；
Figure BDA0002848164780000024
为GNSS浮标相位观测的小数部分；dρ为同一观测历元各项残差；
S6：潮汐信号SSH的数据滤波：因1Hz的高频SSH1包含海浪波动信号，故采用频率域内的低通滤波剔除GNSS浮标的波动信号，设置滤波窗口为60s，滤波后的残余SSH2即为海洋潮汐信号；
S7：SSH大地水准面差异的消除：因为GNSS浮标和验潮站点的空间位置存在差异，二者的海洋大地水准面存在差异，故利用大地水准面模型进行此项改正，通过GNSS浮标位置和验潮站位置插值大地水准面模型相对于参考椭球的高度，得到GNSS浮标和验潮站的大地水准面高差dh，使残余SSH2减去hd，得到消除大地水准面差异的GNSS浮标潮汐信号SSH3；
S8：GNSS和验潮站垂直基准的统一：包括如下小步：
S81：GNSS浮标SSH和验潮站SSH进行做差，得到二者插值的时间序列；
S82：按照三倍中误差原则剔除粗差，得到可靠的二者差异信息，统计差异的均值和标准差，最终得到验潮站测量基准转换到WGS-84椭球的系统参数，以及精度评估结果；
S83：通过回归分析得到GNSS和验潮站海面高差异的线性系数。
优选地，所述S2中GNSS浮标的现场布放中，布放点选择远离大陆的区域不存在和国家高程系统关联的水准点，且布放点应避开山体信号遮挡，防止GNSS信号丢失。
优选地，所述S2中，GNSS浮标包括浮球和设置在所述浮球内部的GNSS定位模块、通信模块和太阳能电池组，通过与周围固定的浮球连接使其水平位置不发生大的变化。
优选地，所述S82中WGS-84椭球的系统参数中，WGS-84是修正NSWC9Z-2参考系的原点和尺度变化，并旋转其参考子午面与BIH定义的零度子午面一致而得到的一个新参考系，WGS-84坐标系的原点在地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协定地球极方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。
优选地，所述S83中，验潮站对于参考椭球的大地水准面高差dh，再结合GNSS天线相位中心相对于瞬时海面的距离h1，求得的独立于GNSS检测得到的GNSS天线大地高数据的一组GNSS天线先验大地高数据加入到常规GNSS定位解算过程的方法。
优选地，所述S83中，验潮站的高程基准和WGS-84参考椭球的高程基准差异，回归分析得到的坡度等于1.0。
本发明的有益效果是：本发明所述的利用GNSS浮标的验潮站垂直基准检测方法，利用高精度GNSS测高浮标通过观测WGS-84参考椭球基准下的海面高度信息，可以避免上述三个问题，可以方便、经济的布设在海洋站附近海域，可以避免验潮站基准位移误差和水准测量误差积累，可以在任意海域(包括)远海岛礁区域进行验潮站基准统一。
附图说明
图1是本发明的流程原理框图。
图2是基准统一的验潮站和GNSS海面高试验结果图。
图3是基准统一的验潮站和GNSS海面高回归分析图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1至图3所示，本发明所述的利用GNSS浮标的验潮站垂直基准检测方法，包括如下步骤：
S1：GNSS精密水准的测量：在实验室内通过精密测量确定进行GNSS浮标天线高的测量，确定GNSS浮标天线相位中心到静止水面的高度h1；
S2：GNSS浮标的现场布放：包括如下小步：
S21：GNSS浮标布放于海洋站附近的开阔海域；
S22：GNSS浮标通过附近固定的浮球进行连接，使其水平位置不发生大的变化；
S23：GNSS浮标的采样频率设置为1Hz；
S3：GNSS静态参考站的架设：在海洋站陆地区域架设GNSS静态参考站，用于GNSS浮标数据的差分后处理；
S4：GNSS观测时间的设定：为保证观测到完整的高低潮，GNSS浮标观测时间应不低于一定的天数；
S5：GNSS浮标SSH的计算：测量结束后，利用PPK差分后处理技术计算GNSS浮标天线相位中心的1Hz的瞬时海面高度SSH0，并减去天线高h1，得到实际的瞬时海面高度SSH1：
Figure BDA0002848164780000031
式中：
Figure BDA0002848164780000032
为GNSS浮标起始相位模糊度；
Figure BDA0002848164780000033
为GNSS浮标起始历元至观测历元的相位整周数；
Figure BDA0002848164780000041
为GNSS浮标相位观测的小数部分；dρ为同一观测历元各项残差；
S6：潮汐信号SSH的数据滤波：因1Hz的高频SSH1包含海浪波动信号，故采用频率域内的低通滤波剔除GNSS浮标的波动信号，设置滤波窗口为60s，滤波后的残余SSH2即为海洋潮汐信号；
S7：SSH大地水准面差异的消除：因为GNSS浮标和验潮站点的空间位置存在差异，二者的海洋大地水准面存在差异，故利用大地水准面模型进行此项改正，通过GNSS浮标位置和验潮站位置插值大地水准面模型相对于参考椭球的高度，得到GNSS浮标和验潮站的大地水准面高差dh，使残余SSH2减去hd，得到消除大地水准面差异的GNSS浮标潮汐信号SSH3；
S8：GNSS和验潮站垂直基准的统一：包括如下小步：
S81：GNSS浮标SSH和验潮站SSH进行做差，得到二者插值的时间序列；
S82：按照三倍中误差原则剔除粗差，得到可靠的二者差异信息，统计差异的均值和标准差，最终得到验潮站测量基准转换到WGS-84椭球的系统参数，以及精度评估结果；
S83：通过回归分析得到GNSS和验潮站海面高差异的线性系数。
具体地，所述S2中GNSS浮标的现场布放中，布放点选择远离大陆的区域不存在和国家高程系统关联的水准点，且布放点应避开山体信号遮挡，防止GNSS信号丢失。
具体地，所述S2中，GNSS浮标包括浮球和设置在所述浮球内部的GNSS定位模块、通信模块和太阳能电池组，通过与周围固定的浮球连接使其水平位置不发生大的变化。
具体地，所述S82中WGS-84椭球的系统参数中，WGS-84是修正NSWC9Z-2参考系的原点和尺度变化，并旋转其参考子午面与BIH定义的零度子午面一致而得到的一个新参考系，WGS-84坐标系的原点在地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协定地球极方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。
具体地，所述S83中，验潮站对于参考椭球的大地水准面高差dh，再结合GNSS天线相位中心相对于瞬时海面的距离h1，求得的独立于GNSS检测得到的GNSS天线大地高数据的一组GNSS天线先验大地高数据加入到常规GNSS定位解算过程的方法。
具体地，所述S83中，验潮站的高程基准和WGS-84参考椭球的高程基准差异，回归分析得到的坡度等于1.0。
实施例2：
以在山东沿海某海洋站开展测量基准统一的海上试验为例。
假设在海洋站外侧开阔海域布放一个GNSS测高浮标观测超过1天的数据，并通过PPK方法得到了GNSS浮标的SSH，进而改正大地水准面差异，进行数据滤波，并将滤波后的GNSS海面高数据与验潮站数据作差，得到验潮站的高程基准和WGS-84参考椭球的高程基准差异为54cm，回归分析得到的坡度等于1.0，其中图2为统一之后的验潮站和GNSS海面高，图3为为统一后的GNSS和验潮站海面高回归分析结果。
需要说明的是：海洋站验潮系统的基准统一是维持国家海洋垂直基准、开展海平面绝对变化研究等的重要基础工作。目前我国沿海分布着百余处验潮站，其测量基准均为1985国家高程基准，其测量依据是以青岛验潮站1952年至1979年的潮汐观测资料，由此导致但该高程基准面向海域的延拓却存在诸多技术问题，例如不同海域的测量基准存在缝隙等。统一验潮基准至几何意义的参考椭球面(是全球统一的高精度连续的垂直参考面)可以解决此类问题，目前常用的手段是采用陆地上精密水准测量，获得附近GNSS连续运行站至验潮基准点的高程差异。当前方法可能导致忽略验潮站基准点在垂直方向的形变误差，从而使基准统一存在误差。此外陆地水准测量的工作量较大，不利于全国范围内的大规模验潮基准统一。同时在有的区域，我国国家高程并未传递过去(例如远海海岛)，因此这种情况下的水准测量失去统一基准的意义。利用GNSS测高浮标进行验潮站的基准统一可以避免基准点误差引入，并且可以在任意验潮站实施。
本发明的有益效果是：本发明所述的利用GNSS浮标的验潮站垂直基准检测方法，利用高精度GNSS测高浮标通过观测WGS-84参考椭球基准下的海面高度信息，可以避免上述三个问题，可以方便、经济的布设在海洋站附近海域，可以避免验潮站基准位移误差和水准测量误差积累，可以在任意海域(包括)远海岛礁区域进行验潮站基准统一。
本发明可广泛运用于验潮站垂直基准检测场合。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种利用GNSS浮标的验潮站垂直基准检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：GNSS精密水准的测量：在实验室内通过精密测量确定进行GNSS浮标天线高的测量，确定GNSS浮标天线相位中心到静止水面的高度h1；
S2：GNSS浮标的现场布放：包括如下小步：
S21：GNSS浮标布放于海洋站附近的开阔海域；
S22：GNSS浮标通过附近固定的浮球进行连接，使其水平位置不发生大的变化；
S23：GNSS浮标的采样频率设置为1Hz；
S3：GNSS静态参考站的架设：在海洋站陆地区域架设GNSS静态参考站，用于GNSS浮标数据的差分后处理；
S4：GNSS观测时间的设定：为保证观测到完整的高低潮，GNSS浮标观测时间应不低于一定的天数；
S5：GNSS浮标SSH的计算：测量结束后，利用PPK差分后处理技术计算GNSS浮标天线相位中心的1Hz的瞬时海面高度SSH0，并减去天线高h1，得到实际的瞬时海面高度SSH1：
Figure FDA0002848164770000011
式中：
Figure FDA0002848164770000012
为GNSS浮标起始相位模糊度；
Figure FDA0002848164770000013
为GNSS浮标起始历元至观测历元的相位整周数；
Figure FDA0002848164770000014
为GNSS浮标相位观测的小数部分；dρ为同一观测历元各项残差；
S6：潮汐信号SSH的数据滤波：因1Hz的高频SSH1包含海浪波动信号，故采用频率域内的低通滤波剔除GNSS浮标的波动信号，设置滤波窗口为60s，滤波后的残余SSH2即为海洋潮汐信号；
S7：SSH大地水准面差异的消除：因为GNSS浮标和验潮站点的空间位置存在差异，二者的海洋大地水准面存在差异，故利用大地水准面模型进行此项改正，通过GNSS浮标位置和验潮站位置插值大地水准面模型相对于参考椭球的高度，得到GNSS浮标和验潮站的大地水准面高差dh，使残余SSH2减去hd，得到消除大地水准面差异的GNSS浮标潮汐信号SSH3；
S8：GNSS和验潮站垂直基准的统一：包括如下小步：
S81：GNSS浮标SSH和验潮站SSH进行做差，得到二者插值的时间序列；
S82：按照三倍中误差原则剔除粗差，得到可靠的二者差异信息，统计差异的均值和标准差，最终得到验潮站测量基准转换到WGS-84椭球的系统参数，以及精度评估结果；
S83：通过回归分析得到GNSS和验潮站海面高差异的线性系数。
2.根据权利要求1所述的利用GNSS浮标的验潮站垂直基准检测方法，其特征在于，所述S2中GNSS浮标的现场布放中，布放点选择远离大陆的区域不存在和国家高程系统关联的水准点，且布放点应避开山体信号遮挡，防止GNSS信号丢失。
3.根据权利要求1或2所述的利用GNSS浮标的验潮站垂直基准检测方法，其特征在于，所述S2中，GNSS浮标包括浮球和设置在所述浮球内部的GNSS定位模块、通信模块和太阳能电池组，通过与周围固定的浮球连接使其水平位置不发生大的变化。
4.根据权利要求1所述的利用GNSS浮标的验潮站垂直基准检测方法，其特征在于，所述S82中WGS-84椭球的系统参数中，WGS-84是修正NSWC9Z-2参考系的原点和尺度变化，并旋转其参考子午面与BIH定义的零度子午面一致而得到的一个新参考系，WGS-84坐标系的原点在地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协定地球极方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。
5.根据权利要求4所述的利用GNSS浮标的验潮站垂直基准检测方法，其特征在于，所述S83中，验潮站对于参考椭球的大地水准面高差dh，再结合GNSS天线相位中心相对于瞬时海面的距离h1，求得的独立于GNSS检测得到的GNSS天线大地高数据的一组GNSS天线先验大地高数据加入到常规GNSS定位解算过程的方法。
6.根据权利要求1或5所述的利用GNSS浮标的验潮站垂直基准检测方法，其特征在于，所述S83中，验潮站的高程基准和WGS-84参考椭球的高程基准差异，回归分析得到的坡度等于1.0。
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