利用GPS动态PPP技术求解海潮负荷位移

受特殊海岸线及复杂海底地形的影响,目前发布的全球海潮模型在局部沿海地区差异较大,需利用其他大地测量手段直接测定沿海地区的海潮负荷位移参数。GPS技术因具有全天候、精度高、成本低等优势,已成为获取海潮负荷位移参数的有效手段。本文基于GPS技术监测测站三维位移变化的灵敏度高于监测48个海潮参数的灵敏度这一基本思想,改进了利用GPS精密单点定位(PPP)技术估计48个海潮调和参数的方法,直接逐历元求解三维海潮负荷位移变化,再利用调和分析方法提取主要潮波(M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1)的海潮负荷位移建模参数(振幅与相位)。利用12个香港连续运行参考站(CORS)8年的GPS观测数据,计算各测站的海潮负荷位移建模参数。与传统方法比较,本文方法可有效加速K1潮波在东西方向的收敛。将GPS海潮负荷位移建模参数估值与中国近海海潮模型值比较,发现除S2、K2和K1潮波的均方根误差较大外,其他潮波的均方根误差均小于1.5mm。将香港2008—2014年验潮站数据反演的潮波参数与海潮模型值比较,结果表明:GPS与验潮站数据反演的潮波参数均与中国近海海潮模型及HAMTIDE2011.11A全球海潮模型符合较好,验证了GPS PPP反演海潮负荷位移的有效性。采用GPS PPP估计的8个潮波的振幅与相位值替换全球海潮模型中对应的潮波值,进行海潮负荷效应改正,可减弱GPS长时间序列中的半周年信号。     

利用动态PPP技术确定海潮负荷位移

利用动态PPP对香港12个GPS测站2007—2012年的数据反演了海潮负荷位移,通过与7个全球海潮模型、1个区域模型和静态PPP反演的结果比较发现,相对于另外几个模型,动态PPP反演结果与TPXO.7.2、EOT11a、HAMTIDE和NAO99Jb模型的结果符合得更好。与静态PPP的结果比较发现其RMS与各模型的RMS大体上一致,只是在S2、K2和K1的E方向和M2、S2的N方向稍有增加。此外,除K2和K1潮波外,动态PPP与模型的RMS值在水平方向上均小于1 mm,在垂直方向上均小于2.5 mm,能达到和静态PPP相当的精度。本文反演的结果与NAO99Jb模型值存在明显的系统偏差,当去除系统偏差后,所有潮波的RMS值都有明显的减小,尤其在K1的垂直方向RMS从16.4 mm减少到1.3 mm。此外,通过将香港2012年验潮站数据反演的潮波参数与模型的结果进行比较发现,其结果同样与TPXO.7.2、EOT11a、HAMTIDE和NAO99Jb这4个模型更为符合,这进一步验证了动态PPP反演海潮的有效性,同时说明这4个模型比较适合香港区域。     

近海潮汐效应对上海地区精密定位的影响

针对全球海潮模型在不同沿海地区存在差异性以及在中国近海精度不高的问题,利用全球海潮模型FES2004和NAO99b计算上海地区(经纬度范围为120.85°E～122.2°E,30.6667°N～31.8833°N)S₂、M₂、K₁和O₁四个分潮的海潮负荷位移在垂直分量上的差异;并利用中国近海模型osu.chinasea.2010对全球海潮模型FES2004中相应的区域进行替换,计算近海效应对SHJZ站(上海金山)、SHJBS站(上海宝山)、SHAO站(上海佘山)以及DCMD站(上海崇明)四个测站精密定位的影响。结果表明:1) 全球海潮模型FES2004和NAO99b在上海地区存在较明显的差异,尤其是垂直分量,最大接近4 mm,且两个模型的差异随离海洋距离增大而减小;2) 利用修正前后的全球海潮模型FES2004经过计算分析得出,近海效应对上海地区GPS测站精密定位的影响达到5 mm,对测站垂直分量的位移影响从大到小分别是DCMD站(5.1 mm)、SHBS站(4.9 mm)、SHJS(4.2 mm)、SHAO(3.6 mm)。      

GPS精密定位中的海潮位移改正

根据海洋负荷潮理论，利用NAO99b全球海潮模型，计算了中国部分IGS站的海潮位移改正，并将海潮位移改正应用到GPS数据处理当中。在GAMIT软件的解算过程中，分别按加入和不加入海潮位移改正，对GPS基线分量和测站坐标分别进行了计算和比较分析。结果表明，海潮位移改正无论是对GPS基线分量还是对测站坐标，都有一定的影响。     

山东地区GPS测量中的海潮负荷影响

针对影响山东地区GPS测量精度的重要因素之一——海潮负荷,不同海潮模型在山东沿海地区差异较大的问题,该文以山东CORS数据为例,基于FES2004、NAO99b、CSR4.0、GOT00.2 4种全球海潮模型,使用GAMIT软件,分析了海潮负荷对山东地区GPS定位及基线解算的影响。通过对比分析,海潮负荷对山东地区GPS定位的影响主要体现在U方向上,振幅达到厘米级;海潮负荷对山东沿海定位的影响大于山东内陆,U方向达到了2cm,为内陆地区2倍以上;海潮负荷对基线解算的影响与基线方位和基线两端测站负荷差异有关,其中差异较大的基线U方向的影响接近8mm;除GOT00.2海潮模型以外,不同模型对山东地区较长观测时段的GPS数据解算结果的影响并无太大差异,但对于短时观测或实时的GPS高精度定位,半日分潮迟角的精度还有待提高,因此有必要精细化山东区域海潮模型。     

南极中山站的海潮负荷位移改正

利用5种全球海潮模型,采用积分格林函数的方法计算了海洋潮汐负荷对中山站GPS测站的影响;并利用GAMIT软件对中山站2006年060~090的GPS数据进行了处理,分析了海潮负荷对GPS基线向量的影响。结果显示,海潮负荷对中山站GPS观测的影响是不可忽视的,联合利用中山站附近的海潮资料和全球海潮资料对于中山站GPS测量的海潮负荷位移改正意义重大。     

南极中山站的海潮负荷位移改正简

利用5 种全球海潮模型,采用积分格林函数的方法计算了海洋潮汐负荷对中山站GPS 测站的影响;并利用GAMIT 软件对中山站2006 年060～090 的GPS 数据进行了处理,分析了海潮负荷对GPS 基线向量的影响.结果显示,海潮负荷对中山站GPS 观测的影响是不可忽视的,联合利用中山站附近的海潮资料和全球海潮资料对于中山站GPS 测量的海潮负荷位移改正意义重大.     

不同海潮模型对闽海潮负荷位移估计的影响

针对新型海潮模型对区域海潮负荷位移估计的影响分析不足的问题,该文依托福建省基础地理信息中心A级GNSS网,基于八大系列全球海潮模型的最新版本和区域海潮模型NAO99Jb,分析了不同海潮模型对福建地区海潮负荷位移的影响,并利用验潮站数据评定了海潮模型在当地的适用性.结果表明,海潮模型的差异主要集中在台湾海峡两岸,而在湄洲湾以北至浙江沿海一带,M2分潮的STD甚至超过30 cm;海潮模型差异主要影响海潮负荷位移的垂向分量,平均影响程度基本是水平分量的3倍;福建地区M2、S2、N2、K1和O1等分潮负荷位移的最大差异可达亚毫米至毫米级,且各分潮负荷位移的STD随着离海距离增大按负指数函数规律减小,海潮模型差异仅对近海50 km内的地区影响较大;FES2014b在闽台附近海域精度最高,是福建地区海潮负荷位移估计首选的海潮模型.     

不同海潮模型对东南极沿海地区GPS基线解算的影响

在高精度GPS数据处理中,海潮的影响是一个不可忽略的因素。利用GAMIT软件解算2011年东南极沿海地区中国中山站及其周边6个IGS站的GPS数据,对比分析了FES2004、DTU10、EOT11a、GOT4.7、HAMTIDE11a、OSU12以及TPXO7.2等7个全球海潮模型在不同测站的海潮负荷差异,比较了海潮负荷对于GPS基线解的影响。结果表明,海潮负荷对GPS基线解的影响与测站所处位置及基线方位有关,达到cm级,相对影响达到10-8,因此,在高精度的GPS基线解算中必须考虑海潮的影响;但选用不同海潮模型对东南极沿海地区GPS基线解算的差异可忽略不计。     

联合中国近海海潮模型与全球海潮模型分析海潮负荷对GPS精密定位的影响

利用卫星测高技术建立的全球海潮模型的精度和分辨率均有限,而高精度、高分辨率的近海区域潮汐观测资料,可用于改善和提高全球海潮模型在沿海地区的精度。利用中国东海和南海的近海海潮模型,对HAMTIDE11A.2011全球海潮模型中的中国近海区域进行了替换,并得到了修正前后模型计算的海潮负荷对不同区域GPS测站精密定位的影响。分析可得:(1)确认修正前后的全球海潮模型计算的海潮负荷对GPS测站精密定位的影响存在约5mm的差异,并通过频谱分析得到修正后的模型在GPS精密定位中剔除海潮负荷影响的效果在半日、周日及半年周期处明显优于修正前的模型;(2)采用高精度近海模型进一步修正全球海潮模型,该成果对近海区域的GPS精密定位海潮负荷改正具有一定参考价值。     

Estimates of ocean tide loading displacements and its impact on position time series in Hong Kong using a dense continuous GPS network

Three-dimensional ocean tide loading (OTL) displacements of eight diurnal and semidiurnal constituents at 12 sites in Hong Kong were estimated using 3–7 years of continuous global positioning system (GPS) observations. OTL displacements were estimated using the precise point positioning (PPP) technique on a daily basis and then combined. The OTL displacements obtained by GPS were compared with predictions using seven recent global ocean tide models. The effect of OTL displacements on GPS position time series was also investigated. The study shows that the GPS-derived OTL displacements (excluding K1 and K2 constituents) agree best with those predicted by the GOT4.7 and NAO99b models. The GPS/model agreement is generally at the sub-millimeter level, except for S2, K1, and K2 constituents with relatively large errors. After systematic biases between the GPS and model values are removed, the misfits of all sites for M2, S2, N2, O1, P1, and Q1 are less than 0.5 and 1.0 mm in the horizontal and vertical components, respectively, while larger misfits (within 2.5 mm) are observed for K1 and K2. Integer ambiguity fixing slightly improves the east component of OTL displacement estimates. The study also finds that GPS-derived OTL corrections, instead of model predicts, can be used in daily data processing with the exception of K1 and K2. Including K2 corrections, a secular vertical rate of up to 1 mm/year in position time series can be induced, which needs to be confirmed by further studies.     

利用TOPEX/Poseidon和Jason-1高度计数据提取中国南海潮汐信息

基于TOPEX/Poseidon和Jason-1卫星高度计16 a原始轨道、6 a变轨轨道数据,利用同步观测期间测高数据计算中国南海海域的系统偏差,生成基于TOPEX/Poseidon高度计平均海面的统一潮高时间序列,按纬差0.1°间隔提取原始轨道2 184个正常点和变轨轨道1 626个正常点,分别对原始轨道、变轨轨道逐正常点进行调和分析及响应分析,各得到8个分潮（Q₁、O₁、P₁、K₁、N₂、M₂、S₂和K₂）调和常数。利用交叉点处升轨、降轨不符值评估潮汐参数的稳定性,结果表明,变轨轨道交叉点处误差相对较大,多分潮总体综合预报误差RSS值为7.28 cm。通过与全球海潮模型比较表明,该结果与海潮模型在中国南海开阔海域精度表现一致,在半封闭浅水海域差异较大;与验潮站结果进行比较发现,受中国南海复杂的潮波系统、与测高星下点距离等因素影响,中国南海北部海域RSS值较大,海潮模型结果在M₂分潮单分潮预报中误差RMS值较大,为13.64 cm,其余分潮均在10 cm内。     

Ocean tide loading (OTL) displacements from global and local grids: comparisons to GPS estimates over the shelf of Brittany, France

In this paper we examine OTL displacements detected by GPS stations of a dedicated campaign and validate ocean tide models. Our area of study is the continental shelf of Brittany and Cotentin in France. Brittany is one of the few places in the world where tides provoke loading displacements of ∼10–12 cm vertically and a few cm horizontally. Ocean tide models suffer from important discrepancies in this region. Seven global and regional ocean tide models were tested: FES2004 corrected for K2, TPXO.7.0, TPXO.6.2, GOT00.2, CSR4.0, NAO.99b and the most recent regional grids of the North East Atlantic (NEA2004). These gridded amplitudes and phases of ocean tides were convolved in order to get the predicted OTL displacements using two different algorithms. Data over a period of 3.5 months of 8 GPS campaign stations located on the north coast of Brittany are used, in order to evaluate the geographical distribution of the OTL effect. We have modified and implemented new algorithms in our GPS software, GINS 7.1. GPS OTL constituents are estimated based on 1-day batch solutions. We compare the observed GPS OTL constituents of M₂, S₂, N₂ and K₁ waves with the selected ocean tide models on global and regional grids. Large phase-lag and amplitude discrepancies over 20° and 1.5 cm in the vertical direction in the semi-diurnal band of M₂ between predictions and GPS/models are detected in the Bay of Mont St-Michel. From a least squares spectral analysis of the GPS time-series, significant harmonic peaks in the integer multiples of the orbital periods of the GPS satellites are observed, indicating the existence of multipath effects in the GPS OTL constituents. The GPS OTL observations agree best with FES2004, NEA2004, GOT00.2 and CSR4.0 tide models.     

Assessing the accuracy of predicted ocean tide loading displacement values

The accuracy of ocean tide loading (OTL) displacement values has long been assumed to be dominated by errors in the ocean tide models used, with errors due to the convolution scheme used considered very small (2–5%). However, this paper shows that much larger convolution errors can arise at sites within approximately 150 km of the coastline, depending on the method used to refine the discrete regularly spaced grid cells of the ocean tide model to better fit the coastline closest to the site of interest. If the local water mass redistribution approach is implemented, as used in the OLFG/OLMPP software recommended in the IERS 2003 conventions, OTL height displacement errors of up to around 20% can arise, depending on the ocean tide model used. Bilinear interpolation only, as used in the SPOTL and CARGA softwares for example, is shown from extensive global and regional comparisons of OTL displacement values derived from the different methods and softwares to be more appropriate. This is verified using GPS observations. The coastal refinement approach used in the OLFG/OLMPP software was therefore changed in August 2007 to use bilinear interpolation only. It is shown that with this change, OTL displacement values computed using OLFG/OLMPP, SPOTL and CARGA invariably agree to the millimetre level for coastal sites, and better than 0.2 mm for sites more than about 150 km inland.     

BDS/GPS组合精密单点定位精度分析与评价

精密单点定位（precise point positioning,PPP）已经广泛应用于许多领域,如测绘、交通、导航、地震监测等。近些年来,随着卫星数量的增多,多系统组合呈现越来越明显的趋势。利用全球MGEX（Multi-GNSS Experiment）网数据研究了BDS（BeiDou navigation satellite system）/GPS（global positioning system）组合精密单点定位技术,并与BDS单系统和GPS单系统进行了对比。结果表明,在静态定位中,BDS PPP在E、N、U方向的均方根误差分别为4.35 cm、3.01 cm、6.40 cm;GPS PPP在E、N、U方向的均方根误差分别为1.21 cm、0.48 cm、1.79 cm;BDS/GPS组合PPP在E、N、U方向的均方根误差分别为1.21 cm、0.50 cm、1.87 cm。在动态定位中,BDS PPP外符合精度水平方向优于10 cm,高程方向优于15 cm;GPS PPP和BDS/GPS组合PPP的外符合精度水平方向均优于5 cm,高程方向均优于8 cm。另外,无论是在静态还是动态的PPP中,组合系统相对于单系统,能大大缩短收敛时间,减少定位结果抖动,尤其是相对于BDS PPP来说,优势更为明显。     

Surface Ice Flow Velocity and Tide Retrieval of the Amery Ice Shelf using Precise Point Positioning

Five days of continuous GPS observation data were collected in the frontal zone of the Amery ice shelf and subsequently post-processed using precise point position (PPP) technology based on precise orbit and clock products from the International GNSS service. The surface ice flow velocity of the observed point was derived from PPP to be 2.25 m/day toward the northeast with an azimuth of 41°. Major semi-diurnal and diurnal oceanic tide constituents could be recovered from the 5 days of PPP-derived height variations and compared well with a hydrodynamic ocean tide model. The PPP technique can replace double-difference GPS positioning in remote or hostile environments, and be used to retrieve the surface ice flow velocity without any reference station. Furthermore, the solution can be derived epoch-by-epoch with accuracy in the centimeters to decimeter range.     

北斗三频精密单点定位模型比较及定位性能分析

在Trip软件的基础上实现了北斗三频无电离层两两组合、三频消电离层组合和三频非组合精密单点定位（precise point positioning,PPP）算法。利用12个陆态网观测站的北斗三频观测数据对3种三频PPP定位模型及传统的双频无电离层组合PPP模型的定位性能进行分析。试验结果表明,对大多数测站,3种三频PPP模型静态定位精度水平方向优于1 cm,高程方向优于2 cm,动态定位精度水平方向优于4 cm,高程方向优于6 cm;3种三频PPP模型静态收敛时间约为120 min,动态收敛时间约180 min;相比于传统的双频PPP模型,三频PPP模型的定位精度有所提高,其中,三频非组合模型静态单天解RMS在水平方向和高程方向分别提高36.1%和6.3%,动态单天解RMS在水平方向和高程方向分别提高9.1%和6.3%。