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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

赵红 张勤 瞿伟 涂锐 刘智

赵红, 张勤, 瞿伟, 涂锐, 刘智. 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[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2016, 41(6): 765-771. doi: 10.13203/j.whugis20140653
引用本文: 赵红, 张勤, 瞿伟, 涂锐, 刘智. 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[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2016, 41(6): 765-771. doi: 10.13203/j.whugis20140653
ZHAO Hong, ZHANG Qin, QU Wei, TU Rui, LIU Zhi. Effect Analysis of Ocean Tide Loading on GPS Precise Positioning Combining High Precision Local Tide Model with Global Ocean Tide Model[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(6): 765-771. doi: 10.13203/j.whugis20140653
Citation: ZHAO Hong, ZHANG Qin, QU Wei, TU Rui, LIU Zhi. Effect Analysis of Ocean Tide Loading on GPS Precise Positioning Combining High Precision Local Tide Model with Global Ocean Tide Model[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(6): 765-771. doi: 10.13203/j.whugis20140653

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

doi: 10.13203/j.whugis20140653
基金项目: 

长安大学优秀博士项目 No.310826150007

国家自然科学基金 Nos.41304033, 4154006, 41202189, 41274005

中国科学院率先行动百人计划;中国博士后项目 Nos. CHD2014G1261051, CHD2014G1261050, CHD2014G3263014

中央高校助研基金 No.2013M530412

陕西省自然科学基础研究计划 No.2016JM4005

详细信息

Effect Analysis of Ocean Tide Loading on GPS Precise Positioning Combining High Precision Local Tide Model with Global Ocean Tide Model

Funds: 

The Outstanding Doctor Program of Chang'an University No.310826150007

the National Natural Science Foundation of China Nos.41304033, 4154006, 41202189, 41274005

the Pioneer & Hundred Talents Program of CAS; the Special Fund for Basic Scientific Research of Central Universities Nos. CHD2014G1261051, CHD2014G1261050, CHD2014G3263014

the China Postdoctoral Science Foundation No.2013M530412

the Natural Science Basic Research Plan of Shanxi Province of China No.2016JM4005

More Information
    Author Bio:

    ZHAO Hong, PhD, specializes in the GPS data processing and influence analysis of ocean tide loading on GPS positioning. E-mail: zhaohong710@163.com

    Corresponding author: ZHANG Qin, professor. E-mail: zhangqinle@263.net.cn
  • 摘要: 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5 mm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。
  • 图  1  全球范围的高精度近海模型分布

    Figure  1.  Globe Distribution of Local Ocean Tide Models

    图  2  修正与未修正的HAMTIDE11A.2011全球模型计算的海潮负荷对内陆及沿海测站位移影响的时间序列

    Figure  2.  Effect of Local Ocean Tide Loading of M2 Constitute on Stations’ Displacement

    图  3  近海潮汐效应对不同测站位移垂直方向的影响

    Figure  3.  Effect of Local Tide Loading on up Displacement of Different Stations

    图  4  近海潮汐效应对不同测站位移水平方向的影响

    Figure  4.  Effect of Local Tide Loading on Horizontal Displacement of Different Stations

    图  5  全球海潮模型修正前后改正GPS短周期解时间序列海潮负荷影响效果比较

    Figure  5.  Comparison of the Results of Ocean Tide Loading Correction Computed by Elaboration and Non-elaboration Global Ocean Tide Model on GPS Sub-daily Solution

    图  6  全球海潮模型修正前后改正GPS单天解时间序列海潮负荷影响效果比较

    Figure  6.  Comparison of the Eeffects of Ocean Tide Loading Correction Computed by Elaboration and Non-Elaboration Global Ocean Tide Model on GPS Daily Solution

    表  1  近海及全球海潮模型的基本信息

    Table  1.   Basic Information of Local and Global Ocean Tide Model

    模型分辨率覆盖范围构建方法
    osu.chinasea.20100.03°×0.03°1°N~ 41°N98°E~ 129°ET/P+流体动力模型
    HAMTIDE11A.20110.125°×0.125°全球T/P+Jason-1反演
    EOTlla0.125°×0.125°全球多任务测高反演
    FES20040.125°×0.125°全球T/P+ERS-2+验潮站+流体动力模型
    TPXO.7.20.25°×0.25°全球T/P+Jason+流体动力模型
    CSR4.00.25°×0.25°全球T/P反演
    Schwiderski1°×1°全球验潮站+流体动力模型
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    表  2  近海效应中M2潮波对不同测站位移各分量的负荷影响

    Table  2.   Effect Time Series of Ocean Tide Loading Calculated by Global Ocean Tide Model Elaboration and Non-elaboration Based on Inland and Coast Stations

    振幅/mm M2潮波
    西安香港上海厦门
    垂直分量0.060.230.771.94
    东西分量0.030.110.260.14
    南北分量0.010.070.160.2
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-07-31
  • 刊出日期:  2016-06-05

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

doi: 10.13203/j.whugis20140653
    基金项目:

    长安大学优秀博士项目 No.310826150007

    国家自然科学基金 Nos.41304033, 4154006, 41202189, 41274005

    中国科学院率先行动百人计划;中国博士后项目 Nos. CHD2014G1261051, CHD2014G1261050, CHD2014G3263014

    中央高校助研基金 No.2013M530412

    陕西省自然科学基础研究计划 No.2016JM4005

    作者简介:

    赵红,博士,主要研究方向海潮负荷对GPS定位的影响及GPS数据处理。zhaohong710@163.com

    通讯作者: 张勤,教授。zhangqinle@263.net.cn
  • 中图分类号: P228

摘要: 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5 mm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。

English Abstract

赵红, 张勤, 瞿伟, 涂锐, 刘智. 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[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2016, 41(6): 765-771. doi: 10.13203/j.whugis20140653
引用本文: 赵红, 张勤, 瞿伟, 涂锐, 刘智. 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[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2016, 41(6): 765-771. doi: 10.13203/j.whugis20140653
ZHAO Hong, ZHANG Qin, QU Wei, TU Rui, LIU Zhi. Effect Analysis of Ocean Tide Loading on GPS Precise Positioning Combining High Precision Local Tide Model with Global Ocean Tide Model[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(6): 765-771. doi: 10.13203/j.whugis20140653
Citation: ZHAO Hong, ZHANG Qin, QU Wei, TU Rui, LIU Zhi. Effect Analysis of Ocean Tide Loading on GPS Precise Positioning Combining High Precision Local Tide Model with Global Ocean Tide Model[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(6): 765-771. doi: 10.13203/j.whugis20140653
  • 地球受日月引潮力的作用会产生潮汐,潮汐导致固体地球及海底负载发生变化,这一现象称为海潮负荷效应。海潮负荷效应对地球物理场观测会产生一定的影响。许多学者对该领域进行了研究[1],发现海潮负荷对沿海测站GPS定位的影响达cm级,为内陆地区的4~5倍[2-4];在高精度大地测量中海潮负荷效应不可忽视,尤其是对高精度观测的影响,需要建立相应的模型进行海潮负荷改正[5];利用超导重力仪最新观测结果对海潮模型进行研究,得到全球海潮模型的适应性及不同模型中不同潮波具有明显的区域性特点[6]等结论。

    目前GPS精密定位中主要依赖全球海潮模型进行海潮负荷效应改正。卫星测高技术获取的长期海面高数据是建立全球海潮模型的基础。卫星测高数据虽可精确地给出深海区域的海潮特征,但在近海区域受特殊海岸线及复杂海底地形的影响,用卫星测高技术得到的全球海潮模型精度有限,不能精确改正海潮负荷的影响,尤其对沿海地区的高精度观测[7-9]。而验潮站能提供高精度、高分辨率的近海潮汐观测资料,能更好地反映局部海水的潮汐变化特征[8, 9]。许多学者对此也开展了相关研究,如研究了南极地区的重力固体潮,表明近海潮汐效应对负荷研究很有必要,用高精度近海海潮资料替换全球海潮模型中的相应区域,能够有效地改正近海潮汐效应这一不利因素[8, 9];有学者利用TPX06全球海潮模型及东海和南海潮汐资料[1],研究了近海潮汐效应对测站定位的影响,以及修正的全球海潮模型对计算中国及邻区重力场负荷的影响[1]。上述研究均表明,用高精度的近海海潮模型修正全球海潮模型[7]的相应区域,分析研究海潮负荷的影响是合理且有必要的。

    本文联合中国近海海潮模型osu.chinasea.2010和全球海潮模型HAMTIDE11A.2011研究了海潮负荷对GPS精密定位的影响。利用积分格林函数方法[2]结合中国近海海潮模型对HAMTIDE11A.2011全球海潮模型中的相应区域进行了替换,并计算了替换前后模型得到的海潮负荷对不同区域GPS测站精密定位的影响,得到全球海潮模型修正前后计算的海潮负荷对测站定位影响的差异,同时比较了修正前后的海潮模型在GPS定位中剔除海潮负荷影响的效果。

    • 图 1是22个高精度近海潮汐模型在全球范围的分布图[7],其中16号代表中国东海和南海高精度潮汐模型(osu.chinasea.2010),该模型是俄勒冈州立大学的 Erofeeva 和 Egbert 基于流体动力学方程同化T/P测高数据构建的局部海潮模型。表 1列出了osu.chinasea.2010模型和不同系列全球海潮模型的基本信息,与EOTlla[8]、TPXO.7.2[9]等全球海潮模型的分辨率及构建方法相比,HAMTIDE11A.2011海潮模型不仅是目前国际上较新的一个全球海潮模型,基于15 a的TOPEX卫星测高和Jason-1重力数据反演而成[10],而且相比其它模型,其分辨率较高,因此本文选取HAMTIDE11A.2011全球海潮模型作为研究对象。

      图  1  全球范围的高精度近海模型分布

      Figure 1.  Globe Distribution of Local Ocean Tide Models

      表 1  近海及全球海潮模型的基本信息

      Table 1.  Basic Information of Local and Global Ocean Tide Model

      模型分辨率覆盖范围构建方法
      osu.chinasea.20100.03°×0.03°1°N~ 41°N98°E~ 129°ET/P+流体动力模型
      HAMTIDE11A.20110.125°×0.125°全球T/P+Jason-1反演
      EOTlla0.125°×0.125°全球多任务测高反演
      FES20040.125°×0.125°全球T/P+ERS-2+验潮站+流体动力模型
      TPXO.7.20.25°×0.25°全球T/P+Jason+流体动力模型
      CSR4.00.25°×0.25°全球T/P反演
      Schwiderski1°×1°全球验潮站+流体动力模型
    • 受近海区域特殊海岸线和复杂海底地形的影响[5],利用卫星测高技术得到的全球海潮模型在近海区域的精度有限,从而可利用高精度高分辨率的近海海潮模型替换全球海潮模型的相应近海区域[7]。此时,海潮瞬时潮高与格林函数的褶积积分为:

      (1)

      式中,ρω是海水密度;R是地球半径;(θ,λ)和θ′,λ′分别是测站和负荷点(海潮模型的每个格网的中心点)的球坐标;φ是测站和负荷点之间的球面角,可按cosφ=sinθsinθ′+cosθcosθ′\5cos(λλ′)求出;A是测站到负荷点的方位角;HL(θ′,λ′,t)表示近海区域SL的瞬时潮高;H(θ′,λ′,t)是(θ′,λ′)处的瞬时潮高;G(φ,A)是位移负荷格林函数和方位角的组合。

      根据文献[11, 12]的近海潮汐效应对测站位移的负荷影响研究可知,负荷的影响主要来自于近区的海潮影响,因此本文只采用中国osu.chinasea.2010模型替换HAMTIDE11A全球海潮模型的1°N~41°N、98°E~129°E区域,并对该中国区域的测站进行研究。

      因此,本文近海效应就是考虑近海模型与不考虑近海模型的差异[5]

      (2)

      式中,L′(θ,λ,t)为考虑近海模型的海潮负荷;L(θ,λ,t)为不考虑近海模型的海潮负荷。总的海潮负荷效应就是不同潮波的叠加[2]

    • 本文首先比较了HAMTIDE11A.2011全球海潮模型经osu.chinasea.2010模型修正前后(以下简称经近区海潮模型修正后的全球海潮模型为修正的HAMTIDE11A模型)计算的海潮负荷对我国内陆和沿海IGS站(西安站和上海站)位移的影响,计算时间均为2010年7月1日开始的连续30 d。用SPOTL软件分别计算西安站和上海站修正前后8个潮波的负荷参数,再根据不同潮波的叠加,计算海潮负荷对GPS测站位移在垂直U、东西E、南北N三个方向的影响[2, 10],如图 2所示。

      图  2  修正与未修正的HAMTIDE11A.2011全球模型计算的海潮负荷对内陆及沿海测站位移影响的时间序列

      Figure 2.  Effect of Local Ocean Tide Loading of M2 Constitute on Stations’ Displacement

      图 2可看出,经中国近海海潮模型修正前后计算的海潮负荷影响,在近海处(上海站)两者的差异较大(水平方向差异为1 mm,垂直方向差异为5 mm),远海处(西安站)差异小于1 mm,可忽略不计。由图 2总结可知,该全球海潮模型计算的海潮负荷对不同区域的GPS测站位移有不同程度的影响,对近海处(如上海站)的影响明显大于远海处(如西安站)的影响。这样的影响对高精度的GPS垂直测量是不能忽略的。

    • 由式(2)求出近海海潮模型修正前后的全球海潮模型之间的差异,即近海效应。其包括8个潮波M2S2N2K2K1O1P1Q1的叠加,表 2M2潮波为例列出了该潮波的近海效应在U、E、N分量的振幅值。

      表 2  近海效应中M2潮波对不同测站位移各分量的负荷影响

      Table 2.  Effect Time Series of Ocean Tide Loading Calculated by Global Ocean Tide Model Elaboration and Non-elaboration Based on Inland and Coast Stations

      振幅/mm M2潮波
      西安香港上海厦门
      垂直分量0.060.230.771.94
      东西分量0.030.110.260.14
      南北分量0.010.070.160.2

      表 2看出,M2潮波的近海效应对厦门测站位于垂直分量的负荷影响约为2 mm,而M2潮波的近海效应对所有测站水平位移的影响都小于1 mm,对内陆的西安测站影响最小。

      因此,全球海潮模型计算的海潮负荷在近海岸线以及海湾处的近海区域精度较差,对于近海区域的高精度GPS数据处理需要考虑高精度、高分辨率的近海资料修正全球海潮模型后进行海潮负荷效应改正。

      进一步,为了得到总的近海效应对不同测站位移的负荷影响[7]图 3图 4分别给出了近海潮汐效应对不同测站位移垂直和水平方向的影响[7],时间均为自2010年7月1日开始的连续30 d。

      图  3  近海潮汐效应对不同测站位移垂直方向的影响

      Figure 3.  Effect of Local Tide Loading on up Displacement of Different Stations

      图  4  近海潮汐效应对不同测站位移水平方向的影响

      Figure 4.  Effect of Local Tide Loading on Horizontal Displacement of Different Stations

      图 3可以得出,在GPS测站位移的垂直分量上,近海潮汐效应在西安站的影响最小(0.2 mm左右),而对厦门站的影响最大,约为5 mm,对上海站影响的振幅约为3 mm,且呈现半月周期的特性,说明近海效应对沿海站的影响远大于内陆站。

      图 4可以看出,近海效应对测站水平位移的影响较小,其影响主要集中在垂直方向。同时负荷对各测站影响的最大值始终在一个固定的方向上。

    • 为了进一步验证利用高精度近海海潮模型修正全球海潮模型在近海区域GPS精密定位中的实用性,本文分析比较修正前后的HAMTIDE11A.2011全球海潮模型在GPS精密定位中剔除海潮负荷影响的效果。

      以上海站为例,采用课题组研发的精密单点定位软件包,其静态精度为mm级,动态精度为1~2 cm[14]。选取上海站2006~2011共6 a的GPS观测数据,数据处理分别采用GPS短周期解(采用3 h为间隔重叠计算,每小时开始时对未知参数的协因数阵重新进行初始化,但继承模糊度等信息,从而得到单天24 h对应的坐标结果,精度为mm级)模式和GPS精密单点定位单天解模式,两种解算模式分别采用两种方案获得测站坐标时间序列,再通过频谱分析比较修正前后模型改正海潮负荷影响的效果。

      方案1 采用经过中国近海海潮模型修正的HAMTIDE11A.2011海潮模型提供的潮波参数进行海潮负荷改正;

      方案2 直接采用HAMTIDE11A.2011海潮模型提供的潮波参数进行海潮负荷改正。

      GPS短周期解与GPS单天解均采用方案1与方案2计算的上海站时间序列振幅谱,结果比较见图 5图 6

      图  5  全球海潮模型修正前后改正GPS短周期解时间序列海潮负荷影响效果比较

      Figure 5.  Comparison of the Results of Ocean Tide Loading Correction Computed by Elaboration and Non-elaboration Global Ocean Tide Model on GPS Sub-daily Solution

      图  6  全球海潮模型修正前后改正GPS单天解时间序列海潮负荷影响效果比较

      Figure 6.  Comparison of the Eeffects of Ocean Tide Loading Correction Computed by Elaboration and Non-Elaboration Global Ocean Tide Model on GPS Daily Solution

      图 5是方案1与方案2得到的上海站GPS短周期解的U、N、E时间序列值的频谱分析结果,在测站的U方向12 h附近及24 h附近处黑色曲线对应的振幅谱值明显小于红色曲线,且两者的差异约为3~4 mm,E和N方向黑色曲线与红色曲线无明显差异。图 6是方案1与方案2得到的上海站GPS单天解的U、N、E时间序列值的频谱分析结果,结果显示,在半年周期处,修正的海潮模型时间序列探测出的信号振幅小于未修正的海潮模型(差异在垂直方向为1.2 mm、南北方向0.9 mm、东西方向为0.6 mm)。由于海潮8个潮波中近海效应较大的M2K1潮波周期为12.42 h与23.9 h,从而会影响时间序列中的半日、周日、半年信号,因而修正的海潮模型可有效地减弱GPS时间序列中的半日、周日、半年信号的影响。分析结果表明,经近海资料修正的HAMTIDE11A.2011海潮模型改正海潮负荷影响的效果优于未修正的全球海潮模型,这对近海区域GPS高精度精密定位的海潮负荷改正具有一定参考价值。

    • (1) HAMTIDE11A. 2011全球海潮模型经中国近海海潮模型修正前后对测站位移影响有显著差异,在沿海区域达到了5 mm;

      (2) 近海潮汐效应对测站位移垂直方向的影响明显大于水平方向的影响,在沿海地区的高精度GPS观测中不容忽视;

      (3) 全球海潮模型经近海模型修正后,改正海潮负荷影响的效果较未修正的模型有明显改善,验证了采用高精度的近海模型来修正全球海潮模型的可行性,对近海区域GPS高精度定位的海潮负荷改正具有一定参考价值。

参考文献 (15)

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