單 瑞

1. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所,山東 青島 266237; 2. 同濟(jì)大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院,上海 200092

論文系統(tǒng)研究了基于GNSS技術(shù)的海洋波浪和潮汐參數(shù)反演方法,內(nèi)容涵蓋GNSS浪潮參數(shù)反演基礎(chǔ)理論、海洋動(dòng)態(tài)環(huán)境精密單點(diǎn)定位(PPP)及測(cè)速性能評(píng)估、GNSS波浪測(cè)量及特征參數(shù)反演方法與驗(yàn)證、GNSS潮汐測(cè)量分析預(yù)報(bào)方法及應(yīng)用等,主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下。

(1) 優(yōu)選了適用于GNSS浮標(biāo)波浪潮位測(cè)量的PPP及精密單點(diǎn)測(cè)速模型。采用無(wú)電離層組合模型時(shí),事后PPP的E、N、U方向的定位精度分別為0.085、0.027、0.057 m;基于北斗PPP-B2b服務(wù)的海洋動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)PPP在46 min后可實(shí)現(xiàn)N、E、U 3個(gè)方向上的整體首次收斂,E、N、U方向的定位精度分別為0.092、0.026、0.061 m。采用高頻GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí),載波相位歷元差分(time-differenced carrier phases,TDCP)測(cè)速模型具有更高的動(dòng)態(tài)測(cè)速精度,尤其是在浮標(biāo)等低機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)載體上可以達(dá)到2～3 cm/s的測(cè)速精度,并且通過(guò)單頻接收機(jī)即可實(shí)現(xiàn)。

(2) 分別采用統(tǒng)計(jì)分析法和頻譜分析法進(jìn)行了波高、周期參數(shù)反演,并與現(xiàn)有行業(yè)最高測(cè)量精度的波浪騎士浮標(biāo)進(jìn)行了比測(cè)及精度驗(yàn)證;跨零法結(jié)果表明,通過(guò)兩款浮標(biāo)記錄的波面位移反演得到的有效波高相差4 cm,有效波周期相差0.58 s,平均波高相差1 cm,平均波周期相差1 s;經(jīng)周期圖法得到的波浪特征值結(jié)果表明,兩套浮標(biāo)反演得到的有效波高相差1 cm,有效波周期相差0.2 s,平均波高相差1 cm,平均周期相差0.9 s;頻譜分析法顯著提升了有效波波高、周期參數(shù)反演的精度水平。

(3) 在波浪方向譜分析方面,通過(guò)GNSS浮標(biāo)速度構(gòu)建方向譜時(shí),利用速度頻譜結(jié)合傳遞函數(shù)得到位移頻譜的方法,有效避免了在時(shí)間域采用速度直接積分變換位移時(shí)存在的累積誤差影響;采用三參數(shù)方向譜時(shí),GNSS浮標(biāo)位移數(shù)據(jù)反演得到的結(jié)果與波浪騎士浮標(biāo)結(jié)果平均差-4.75°,GNSS浮標(biāo)速度數(shù)據(jù)反演得到的結(jié)果與波浪騎士浮標(biāo)結(jié)果平均差-3.75°,符合相關(guān)行業(yè)測(cè)量規(guī)范要求;另外,綜合利用GNSS浮標(biāo)三維位移與速度信息,得到了分辨率更高的六參數(shù)方向譜。

(4) 利用GNSS浮標(biāo)開(kāi)展了定點(diǎn)式潮汐測(cè)量分析及預(yù)報(bào)研究工作;引入人工蜂群優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)短期余水位預(yù)測(cè),并修正了調(diào)和分析預(yù)報(bào)的天文潮位;基于30 d GNSS浮標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)未來(lái)7.5 d的潮位預(yù)報(bào)精度從9.4 cm提升到3.2 cm,效果顯著;引入分潮信息時(shí)頻域相關(guān)性指標(biāo),統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,經(jīng)余水位修正后的預(yù)報(bào)潮位與實(shí)測(cè)潮位在全日潮族時(shí)頻域上的相關(guān)性得到顯著提升;在此基礎(chǔ)上,探索了在時(shí)間域直接對(duì)潮汐進(jìn)行短時(shí)預(yù)報(bào),基于10 d GNSS浮標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)未來(lái)72 h的潮位短時(shí)預(yù)報(bào)精度相對(duì)于GNSS浮標(biāo)實(shí)測(cè)潮位為5.82 cm。

(5) 結(jié)合船載GNSS數(shù)據(jù),開(kāi)展走航式潮位測(cè)量應(yīng)用試驗(yàn),重點(diǎn)研究了GNSS短期失效時(shí)PPP/INS組合模式下的無(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量;與采用預(yù)報(bào)潮位改正模式相比,基于PPP/INS緊組合解的遠(yuǎn)海無(wú)驗(yàn)潮水深測(cè)量模式,可獲得精度更高的成果水深數(shù)據(jù),在水深大于50 m的海域,其水深測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)0.14 m;同時(shí),可有效解決GNSS短期失效帶來(lái)的在航潮位數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題。