（环境科学专业论文）gps潮汐测量及应用.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t i d em e a s u r e m e n ti sav i r t u a lc h a r a c t e r i s t i ce l e m e n ti nt h eo c e a nr e s e a r c hf i l e d t h e r e f o r e ，t i d es u r v e y i n gi sw i d e l ya p p l i e di nm i l i t a r ya n dc i v i lc o n s t r u c t i o n s i nt h i ss t u d y , t h et i d es u r v e y i n gt h e o r yi sf i r s t l yi n t r o d u c e d t h e n ，m e t h o d sa n d t e c h n i q u e so ft r a d i t i o n a lt i d es u r v e y i n ga r es u m m a r i z e d ，a sw e l l a st h ef l a w so f t r a d i t i o n a lt i d es u r v e y i n g a c c o r d i n g l y , g p st i d es u r v e y i n gi sp r e s e n t e d t h i r d l y , t h e t h e o r yo fg p st i d es u r v e y i n gi si n t r o d u c e d ，i nw h i c ht h ea p p l i c a t i o nm e t h o d s ，d a t a p r o c e s s i n ga n de r r o r st h a tm a yp o s s i b l ya f f e c tg p st i d a lo b s e r v a t i o na r ep a r t i c u l a r l y e x p a t i a t e d f i n a l l y , t h ea c c u r a c yo fg p st i d es u r v e y i n gi sa n a l y z e db a s e do ne x a m p l e so f e x p e r i m e n t sa n dp r o j e c t s t h et i d em e a s u r e m e n tf r o mg psr t kt e c h n o l o g yc a nr e a c hag o o da c c u r a c yb u ti s s u b j e c t e dt or a n g el i m i t s oi ti so n l ys u i t a b l ef o ri n s h o r ea r e a s t h er e s u l tf r o mt h i ss t u d y s h o w st h a tg p sp p k ( p o s t p r o c e s s i n gk i n e m a t i c ) a n dp p p ( p r e c i s ep o i n tp o s i t i o n i n g ) t e c h n o l o g ya r eb o t ha p p l i c a b l ef o ro f fs h o r et i d es u r v e y i n ga n da b l et ow e l lm a t c ht h e t i d es t a t i o n sd a t a a f t e rb u i l d i n gt r a n s f e r r i n gm o d e l sb a s e do nt h er e l a t i o n s h i pa m o n g d i f f e r e n td a t u mo ft i d es t a t i o n ，t h eg p sh e i g h tc a nb em a p p e dt ot h a to fa n yn e e d e d d a t u m f i r ( f i n i t e - i m p u l s er e s p o n s ) d i g i t a lf i l t e ra n df f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) l o w p a s sf i l t e rc a nb eu s e dt oe x t r a c tt i d e sd a t af r o mi n s t a n t a n e o u ss e as u r f a c ew a v e s t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t se x h i b i tt h a tt h ea c c u r a c yo fg p st i d e s u r v e y i n g i su n d e r s u b - d e c i m e t e r , w h i c hc a nm e e tt h ed e m a n do fo c e a nd e p t hs u r v e y i n g a d d i t i o n a l l y , t h eg p st i d es u r v e y i n gm o d ef r o mv r st e c h n i q u ei sp r o p o s e da n dt e s t e d i nt h eg u a n g x ii n v e s t i g a t i o no ft h em a j o rh a r b o r s ，b a s e do nt h el o c a lg p sc o r s ( g p s c o n t i n u o u s l yo p e r a t i n gs y s t e m ) i ti s s h o w st h a tt h ed i f f e r e n c eo fg p sh y d r o g r a p h i c s u r v e y i n gm o d ea n dt r a d i t i o n a lm o d ei sl e s st h a t 10 c mi nt h ec o v e r i n ga r e ao ft h el o c a l c o r ss y s t e m t h et w om o d e sh a v ec o n s i d e r a b l ea c c u r a c y k e yw o r d s ：g p s ，t i d a lm e a s u r e m e n t ，p r e c i s ep o i n tp o s i t i o n i n g ，f i l t e r i n g i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声 明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：害生日期：即7 年月舢 学位论文使用授权说明 本人完全了解国家海洋局第一海洋研究所关于收集、保存、使用学 位论文的规定，即： 按照本所要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 研究所有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服 务； 研究所可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 研究所同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国 学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名：考幺铷签名：偶 日期：加甲年月2 , 2 日 g p s 潮汐测量及应用 1 1 引言 第一章绪论 海洋约占地球总面积的7 1 ，蕴藏着丰富的自然资源，其战略意义越来越明显。 随着陆地资源的逐渐匮乏，人类已将资源开发和利用的重点转向了海洋，2 1 世纪是 “海洋的世纪”已成为人类的共识。为了认识、利用和保护海洋，许多国家积极推 动海洋技术的发展，以期提高在海洋技术领域的国际竞争力。 随着世界各国对海洋的日益关注，国际间争夺海洋资源与捍卫海洋国土权益的 斗争日益激烈。我国制定的2 1 世纪海洋强国战略的总目标就是将我国建设成为世 界级的海洋强国。改革开放以来，我国的海洋事业和海洋经济取得了飞速发展，海 洋技术有了长足进步，海洋产业发展前景十分看好。但对于海洋的探测技术和探测 手段的研究则远落后于其它科学领域，海洋科学技术水平亟需提高。 潮汐现象与人类有着密切的联系，对人类从事海上生产和军事活动都有很大的 影响。人类对潮汐的认识已有悠久的历史，有文字记载可以追溯到两千多年以前。 随着人们对自然现象认识的提高，对潮汐现象也由浅入深，由表及里，逐渐对潮汐 规律和成因有了正确的认识，研究潮汐的技术方法有了很大的进展。 潮汐具有重要的研究价值，潮汐测量的应用也十分广泛：在军事上除了完成测 深数据的潮汐改正以外，还担负着实时的战场保证之重任；在国民经济和建设中也 发挥着巨大的作用，无论是水产、捕捞、养殖，还是航道疏浚、潮汐发电、海洋资 源勘探与开发及海洋工程等均离不开潮汐资料；在海洋研究与开发中海图资料是基 础，海图的测绘一般采用理论深度基准面，受到海洋潮汐的影响，实际的海面处于 动态变化之中，为此需要进行潮汐改正；水深地形测量作为海洋测绘的重要工作之 一，借助船只进行水深地形测量时，同步潮汐测量是必不可少的工作环节，因此， 潮汐测量技术一直饱受重视。 测绘是一切开发活动的基础，海洋开发同样离不开海洋测绘技术。海洋测绘是 海洋测量和海洋绘图的总称，其任务是对海洋及其临近陆地和江河湖泊进行测量和 调查，获取海洋基础地理信息，编制各种海图和航海资料，为航海、国防建设、海 洋开发、管理和海洋研究等服务。近2 0 年来，随着科学技术的进步，海洋测绘已 1 第一章绪论 发展成为涵盖海洋学、航海学、地理学、地质学、天文学、大地测量学、工程测量 学、航空遥感测量学、制图学等学科的综合学科，与数学、物理、化学、计算机技 术等学科紧密相连。在理论、仪器及技术方面均取得了飞速的发展，尤其是现代高 精度卫星定位技术和水下g p s 定位技术、船载扫测技术、海洋遥感技术、海洋g i s 技术等现代海洋测控技术的出现，极大地推进了海洋测绘的发展。 海洋测绘对于海洋研究与开发具有重要意义，而潮汐作为重要的海洋物理要素 之一，对于各种海洋测绘技术是不可或缺的，为满足当前各种生产及科研的需求， 我们必须不断提高潮汐测量技术。 目前，潮汐测量( 在水深测量中简称为验潮) 主要采用定点的方式记录潮位变 化，常用的方法和仪器有：水尺验潮( 人工读数、自动读数) 、浮子式验潮仪、引压 钟式验潮仪、声学式验潮仪、压力式验潮仪等设备验潮。此外，利用卫星遥感、差 分g p s 等手段也可以进行潮汐测量，国内外已经做过许多研究和试验，这不仅为 远海潮汐测量提供了新的手段，同时也是目前潮汐测量研究的热点。 1 2g p s 潮汐测量研究现状 传统潮汐测量一般采取定点测量方式。定点潮汐测量一般选在码头或者岸边设 立验潮站或者在测区的某一位置进行临时验潮，对于远离岸边的海域，也会选择临 时海上定点验潮站，但这种验潮方法往往受到岸滩、河流、气候和海底地形等因素 的影响，特别是在地理环境复杂地区，定点观测到的潮位数据不能b 很z 好地代表整个 测区的水位特点，难以真实地反映调查区域的潮汐特性，其差异往往直接影响到水 深测量的最终成果的精度，如果使其应用在航行，甚至会造成安全事故。对于离岸 海域的水深地形测量需要潮汐观测数据进行改正，如果离岸距离超过2 0 k m ，近岸 的定点潮汐观测数据不能再准确反映调查区域的潮汐变化，因此测量规范规定采用 预报潮位，然而预报潮位的精度往往难以满足精细的水深测绘精度要求。 鉴于以上现状，急需探索新的潮汐测量模式。随着g p s 技术的不断发展，特 别是g p s 技术提供的高精度、实时、动态等优良特性，寻求使用g p s 方法进行潮 汐测量成为一种可能。g p s 潮汐测量对传统的验潮方法带来了巨大的冲击，它的优 势体现在：g p s 潮汐测量可以在测船走航的同时进行，不仅能够提供高精度的潮汐 测量数据，也大大节省了人力资源，特别是对于一些自然条件恶劣的地方，可以直 2 g p s 潮汐测量及应用 接在g p s 验潮模式下进行海洋测绘工作，并能保证测量的精度。 应用g p s 技术进行潮汐测量( 或简称为g p s 验潮) ，即通过测得一段时间内水 面载体( 如：测船或浮球) 上的g p s 天线的系列高程值计算得出潮位数据。国外 2 0 世纪9 0 年代初就开始了g p s 定位技术应用于验潮的研究。首次提出g p s 验潮 的概念是在1 9 9 2 年，在u s a c e ( u sa r m yc o r p so f e n g i n e e r s ) 的帮助下，1 9 9 3 年 8 月，b r i n afs h a n n o n ( 2 0 0 0 ) 等进行了第一次船载g p s 验潮的可行性试验，与 水尺验潮结果的对比证明了该方法的可行性。1 9 9 5 年8 月，美国海岸警卫队和 u s a c e 在墨西哥湾使用载有g p s 的浮球计算出潮汐值作为近海水道导航的垂直 参考面。t e n y m o o r e ( 1 9 9 6 ) 等使用了浮球g p s 验潮技术，对河面连续监测了多 年，为了增加结果的准确性，他们在浮球内安装了压力和倾斜传感器来改正浮球姿 态运动带来的误差，通过与水尺验潮的结果进行比较，两者的均方差仅为6 1 2 m m 。 德国汉诺威大学大地研究院与德国联邦海事局合作，于1 9 9 6 年用g p s 水位改正技 术和传统水位改正技术做过测深比测的试验，其结果表明，d g p s o t f 可提供4 - 8 1 8c m 的实时测高精度，从准确性及可靠性的角度看，在水下地形测量领域有广 阔的应用前景。1 9 9 7 年4 月1 9 日，美国t e x a s 大学在g a l v e s t o n 海湾利用浮球进行 了g p s 验潮的试验，认为g p s 验潮可以达到厘米级的精度( m i n g y a n g ，2 0 0 2 ) 。 1 9 9 8 年，美国使用船载g p s 验潮数据在s a i n tm a r y 的河道入口处进行导航，完全 满足项目规定的4 - 7 c m 的精度要求( b r i n afs h a n n o n 2 0 0 0 ) 。2 0 0 4 年5 月1 8 日，o c e a n m a p p i n gg r o u p 在s a i n tj o h n 河段进行了g p s 在航潮位测量试验，试验中采用了 p p k 观测和数据处理模式，试验的最终精度评定结果表明利用p p k 技术进行潮汐 测量精度优于1 0 c m 。 在国内，周兴华等( 1 9 9 3 ) 将实时差分g p s 定位技术引入到我国的海洋测绘 并获得成功应用。到2 0 世纪9 0 年代中期，g p s 载波相位差分( 姗( ) 技术能够提 供厘米级的测高信息，短基线的r t k 技术已较成熟并广泛的应用于测量工程和海 平面测定。为了验证g p s 潮位测量和数据处理方法的准确性，1 9 9 6 年国家海洋局 第二海洋研究所高金耀( 1 9 9 7 ) 等在南海海域进行船载g p s 测高研究，主要应用 在多波束测深系统的潮位改正中，但测高精度未能达到厘米级，且作用距离有限。 在江河水下地形测量中，研究利用d g p s ( 差分g p s ) o t f ( 动态初始化) 技术测 定船只姿态，武汉大学赵建虎( 2 0 0 6 ) 等在长江口区南支河段浏河口附近水域进行 过r t kg p s 测定船只姿态和水平面高度试验。这些研究都是基于g p s 测高原理的 第一章绪论 探讨和试验，大多是利用船只作为g p s 天线的载体来测定船只姿态和水平面高度， 主要应用在江河或近岸几公里到十几公里范围的水下地形测量中。 周丰年等人于2 0 0 0 年9 月在长江口附近水域进行了利用船载g p s 在无验潮模 式下的水下地形测量试验，结果精度完全满足要求。柴洪洲在2 0 0 1 年对利用g p s 实时动态定位方法取代验潮站测量海面高度的功能进行了试验研究，得出利用g p s 动态定位方法进行海平面高度监测可达到厘米级精度的结论。由于g p sr t k 设备 的有效作用距离受到g p s 实时数据处理技术和无线数据传输技术的制约，利用g p s r t k 技术进行高精度海洋工程测量未进入大规模实施阶段。而g p s 精密单点定位 ( p p p ) 技术和p p k 技术突破了传统g p sr t k 设备有效作用距离过短的局限性， 为在沿岸海区较大范围内实施快速、高效、高精度的水深测量作业提供了新的技术 途径。吴炳昭于2 0 0 4 年就作用距离、数据同步、姿态、声速等因素对g p sp p k 无 验潮沿岸水深测量精度的影响进行了相关研究。海军海洋测绘研究所的欧阳永忠于 2 0 0 4 年针对双频g p s 载波相位动态后处理( g p sp p k ) 技术，在沙埕、海尾附近 海域进行了g p s 测高作业模式的一系列试验，并与传统水深测量作业模式进行了 比较分析，确定其有效作用距离可达8 0 k m ，其获得的成果水深与传统作业模式获 得的成果水深存在7 1 6 c m 的系统偏差。 1 3 本文主要研究内容与目的 通过以上分析总结可以看出，现有g p s 潮汐测量多采用r t k 模式，但受到通信 链路的影响，作用的距离有限，通常在1 0 k m 以内，因此远离g p s 参考站的海域无法 采用这种模式。随着p p k 技术矛i p p p 技术日趋成熟，在动态情况下，8 0 k m 范围内， p p k 的平面位置精度可以达n s c m 以内，高程精度也可以达到1 0 c m 以内( 李光辉， 2 0 0 8 ) ；而p p p 技术不受作用距离的限制，可以实现亚分米级的动态定位，能在不需 要地面基准站的条件下达到双差固定解相当的精度水平( 张小红，2 0 0 6 ) 。这些技 术为远距离潮位测量提供了有力的技术保障。本文在介绍了潮汐测量理论的基础 上，总结了传统潮汐测量的各种方法和技术，分析了传统潮汐测量方法中的诸多缺 陷，进而引出了g p s 潮汐测量的方法，并结合g p s 技术的最新进展，为解决长距离 潮位测量的问题，提出了基于p p k 矛n p p p 技术的g p s 潮汐测量模式，通过不同距离 和不同设备试验及实地测量论证了精密单点定位技术在海洋测绘中进行潮汐测量 4 g p s 潮汐测量及应用 工作的可行性。全文重点阐述了g p s 技术在潮汐测量中的应用方法和数据处理过 程，分析了影响g p s 验潮的各种因素及改进方法，并在试验和工程实例的基础上， 对精度指标作了分析，利用数据比较结果验证了数据结果的可靠性。 根据研究内容和思路，本文分为六章： 第一章为绪论。主要阐述海洋测绘的发展以及潮汐测量在海洋测绘中的重要 性，介绍了g p s 潮汐测量技术的发展、现状以及本文的篇章结构。 第二章为潮汐测量概述。概括了潮汐的定义、特点及现有的潮汐测量技术方法， 分析了各种潮汐测量方法的优缺点以及各种潮汐测量技术的滤波方法。 第三章为g p s 潮汐测量技术。介绍了g p s 全球定位系统及三种技术方法和原 理，以及g p s 潮汐测量的原理和波浪影响因素的消除。 第四章研究了g p s 潮汐测量的影响因素。重点分析了高程基准转换、波浪误 差的消除以及采样速率和延迟的消除。 第五章是g p s 潮汐测量的试验和应用分析，通过在青岛附近海域的试验以及 g p s 验潮模式在广西水深测量项目中的应用实例，分析验证了g p s 潮汐测量的可 行性和优势。 第六章是结论部分，对全文内容作了总结，讨论了g p s 潮汐测量的不足与待 完善之处，并对今后的研究工作提出了几点建议。 第二章潮汐测量与滤波 第二章潮汐测量与滤波 潮汐现象与人类有着密切的联系，它对人类从事海上生产和军事活动都有很大 的影响，人类对潮汐的认识已有悠久的历史，有文字记载可以追溯到两千多年以前， 在劳动人民长期实践经验的基础上，通过科学家们不断进行观测和总结提高，对于 潮汐的研究有了很大进展( 陈宗镛，1 9 8 0 ) 。 2 1 潮汐的定义及特点 2 1 1 潮汐的定义 地球上的海水，受到月球和太阳等引潮力的作用，并受到海底地形和海岸形状 影响而产生的一种规律性的海面升降运动叫做潮汐。产生潮汐现象的主要原因是地 球上各点离月球和太阳的相对位置不同导致的各点所受到的引力也有所差异，这个 差异便导致地球上海水的相对运动。潮汐反映的是一种周期性运动，大多数情况下， 潮汐运动的平均周期为半天左右，每昼夜约有两次涨落运动，在我国古代，人们把 白天上涨的称为潮，晚上上涨称为汐，合称潮汐。潮汐是海洋洋面的一种典型变化 现象( 方国洪，1 9 8 6 ) 。 2 1 2 潮汐的特点 图2 1 中曲线我们称为海面潮汐变化曲线，其形态可以用下面一些术语描述。 6 g p s 潮汐测量及应用 e o t - 疑 揎 2 1 某地潮汐变化曲线图 时间 潮高：从某一基准面至海面的高度。 高潮与低潮：海面上涨到一定高度转而下降时，其潮汐形态称为高潮或满潮， 其发生时刻称为高潮时。相反，海面由下降转而上升时的潮汐形态称为低潮或干潮， 相应时刻为低潮时。海面的高潮和低潮状态将持续一段时间，即在这段时间海面相 对稳定，故统称为平潮( 停潮) 。平潮时间长短，一般因地而异，有的地方几分钟 或几十分钟，最长的可达一两个小时以上。故一般是取平潮的中间时刻为高潮时( 低 潮时) 。 涨潮与落潮：海面从低潮上升到高潮的过程中，海面逐渐上升，称为涨潮。自 高潮至低潮的过程中，海面逐渐下落，称为落潮。从低潮时刻至高潮时刻所经过的 时间间隔，称为涨潮时间，从高潮时刻至低潮时刻所经过的时间间隔，称为落潮时 间。 潮差：两个相邻的高潮和低潮的水位高度差称为潮差。潮差的大小因地因时而 异，我国沿岸最大潮差在8 m 以上的地区有四处：苏北小洋口处为9 2 8 m ，杭州湾 澉浦为8 9 3 m ，浙江乐清湾为8 3 0 m ，福建三都澳为8 5 4 m ( 薛鸿超，1 9 9 5 ) 。世界 上最大潮差记录发生在北美的芬地湾，约有1 8 m 之多。通常称一段时间内潮差的平 均值为平均潮差。 潮汐周期：两个相邻高潮或两个相邻低潮之间的时间间隔称为潮汐周期。 7 第二章潮汐测量与滤波 2 1 3 潮汐的类型 不同的地方其潮汐变化曲线是不同的，最为明显的就是其变化周期是不同的， 根据此特点，一般将潮汐类型分为4 类： ( 1 ) 正规半日潮。在一个太阴日( 约2 4 h s o m i n ) 内，有两次高潮和两次低潮， 相邻的高潮低潮之间的潮差几乎相等，此类潮汐称为正规半日潮。 ( 2 ) 不正规半日潮。在一个太阴日内，也有两次高潮和两次低潮，但相邻的 高低潮之间的潮差不等，涨落潮时间也不等，且不等是变化的。 ( 3 ) 不正规日潮。在一个朔望月内大多数天是不正规半日潮，但有几天会出 现一日一次高潮和一次低潮的日潮潮汐类型。 ( 4 ) 正规日潮。在一个朔望月内大多数天是日潮的性质，少数天发生不正规 半日潮。 2 2 现有潮汐测量技术 潮汐测量即所谓验潮，就是测量海水的水位随时间的变化。潮汐测量的手段和 仪器有很多，主要包括：水尺验潮、浮子式验潮仪、引压钟式验潮仪、声学式验潮 仪、压力式验潮仪等( 阮锐，2 0 0 1 ) 。 2 2 1 水尺验潮 利用水尺观测潮汐的变化以获得瞬时海面高程的过程，称为水尺验潮。在码头 可以直接将水尺安装在港池壁上，在野外一般要先树立一木桩，再将水尺固定在桩 上。水尺验潮是最原始又最简易的验潮方法，同时也是短期、临时性验潮中普遍采 用的方法。 g p s 潮汐测量及应用 物 羽 励3 隧 隧 隧 幽 羽 励2 隧 图2 2 验潮水尺图 如图2 2 所示，这是一种类似于水准标尺的水位量测刻度尺，可以根据实际需 要制作，上面所标定的基本刻度( 分划) 一般为c m ，尺长3 - 5 m 。水尺验潮具有工 具简单、机动性较强、易操作、技术含量低、造价低的特点。缺点是需要人工定时 记录读数，无法实现自动化流程，而且受风、浪等因素的影响，水位观测的精度较 低。 2 2 2 井式验潮 浮子式与引压钟式验潮仪均属于有井验潮仪，其中浮子式验潮仪是利用一漂浮 在海面的浮子随海面上下浮动，其随动机构将浮子的上下运动转换为记录纸滚轴的 旋转，从而记录笔在记录纸上留下潮汐变化的曲线；引压钟式验潮仪是将引压钟放 置于水底，将海水压力通过管路引到海面以上，由自动记录器进行记录。 井式潮仪主要由验潮井、浮筒、记录装置组成。该仪器通过在水面上随井内水 面起伏的浮筒带动上面的记录滚筒转动，使得记录针在装有记录纸的滚筒上画线， 来记录水面的变化情况，达到自动记录潮位的目的。其一般结构如图2 3 。 9 第二章潮汐测量与滤波 图2 3 井式验潮 咂 井式验潮仪的优点是坚固耐用，滤波性能良好，精度较高，且维护方便；缺点 是安装复杂，成本较高，连通导管易阻塞，对环境要求较高，机动性差。 井式验潮是利用同海水相连接的浮子随海水面高度的变化进行验潮的。海水面 上升或降低会引起浮子的升降，从而会引起记录滚筒的滚动，并在记录纸上反映出 潮汐的变化，所以井式验潮方法一般适合固定于岸边( 港口、码头等) 的观测站进 行长期潮位观测。 2 2 3 声学式验潮仪 声学验潮仪属于无井验潮仪，根据声探头( 换能器) 安装在空气中或水中可以 分为两类：探头装置安放在空气中的声学式验潮仪是在海面以上固定安置一声学发 射接收探头，探头定时垂直向下发射超声脉冲，声波通过空气到达海面并经海面反 射返回到声学探头，通过检测声波发射与海面回波返回到声探头的历时来计算出探 头至海面的距离，从而得到海面随时间的变化；探头装置在水中的声学式验潮仪是 将一声学探头安放在海底，定时垂直向上发射声波，并接收海面的回波以测量安放 g p s 潮汐测量及应用 点的水深，此种方法由于声探头需有电缆连接，一般不能离岸太远。 最 图2 4 声学水位计验潮 如图2 4 所示，常用的声学水位计主要由探头、声管、计算机等部分组成。其 主要特点是利用声学测距原理进行非接触式测量，它的基本工作原理是：固定在水 位计顶端的声学换能器向下发射声信号，信号遇到声管的校准孔和水面分别产生回 波，同时记录发射接收的时间差，进而求得水面高度。特点：使用方便，工作量小， 滤波性能良好。 2 2 4 水压式验潮仪 按照结构组成可以将水压式验潮仪分为机械式水压验潮仪和电子式水压验潮 仪。 机械式水压验潮仪主要由水压钟、橡皮管和自动记录装置组成。其基本原理是： 通过测量水下或与海水相连通的水面以上的某一界面上由于海面变化引起的压力 变化来测量水位。特点是无需验潮井，坚固耐用，而且调整方便，成本低，滤波性 能良好。见图2 5 。 第二章潮汐测量与滤波 压 图2 5 机械式水压验潮仪 电子式水压验潮仪主要由水下机、水上机、电缆、数据链等部分组成。其测量 水位的原理与机械式水压验潮仪基本相同，即通过测量水下压力变化获得水位变 化。电子式水压验潮仪利用压力传感器代替机械式水压验潮仪的水压钟和u 形管， 又利用数字电子技术将压力变化转换成水位变化，从而达到水位观测的目的。 电子水压验潮仪的特点是：安装方便，精度高，携带方便，从观测数据到数据 处理可由计算机自动化处理，效率高，滤波性能良好。 1 2 g p s 潮汐测量及应用 2 2 5 卫星潮汐遥感 图2 6 卫星遥感潮汐测量原理图 潮汐和波浪引起的海面变化，可由卫星上的雷达测高计测量。通过卫星测高技 术可以得到全球特别是深海和偏远地区所需的海面地形资料，从而获得该地区的潮 汐资料，而且是快速、经济和可靠的手段。这对于模拟全球海洋潮汐，具有更高的 置信度。图2 6 为卫星测定潮汐的基本原理示意图。 2 3 常规潮汐测量的滤波方法 海洋测量是陆地测量向海洋的延伸，和陆地测量类似，它的一个很重要的目的 是确定海底点的三维坐标( x 、y 、h ) ，其中深度h 的确定是海洋测量的一个重要方 面。一般情况下，深度的确定是通过利用测深仪器测定瞬时海面到达海底的垂直高 度，然后剔除潮汐和波浪的影响，其计算模型如下： h ( t ) = d ( f ) 一t ( t ) 一w ( t ) ( 2 1 ) 第二章潮汐测量与滤波 式中d ( ，) 为测深仪测定的海水深度，r ( t ) 和w ( t ) 分别是潮汐和波浪的影响，但 在实际测量过程中，深度办( ，) 测量和潮汐测量是一般式分别进行的，只有最后的数 据处理时才使用上式。潮汐测量时，仪器直接测定的是瞬时海面相对于某一基准面 的变化，从而反映潮汐的变化，由于瞬时海面的变化实际上是瞬时波浪和潮汐共同 作用的结果，瞬时海面高描述模型为： ( f ) = r ( ，) + w ( ，) ( 2 2 ) 其中的潮汐表现为长周期低频变化，波浪表现为短周期高频变化。常规的潮汐 数据一般通过验潮站获得，但验潮站观测的仅仅是瞬时海面相对于某一高程基准的 变化，且这一变化包含了波浪的影响，所以为了得到验潮站控制区的准确潮位，几 乎所有的验潮方法都需要尽可能的消除或削弱波浪的扰动影响。 综上所述，为了获得精确的测点高程，潮位观测方法的科学性和滤波思想的正 确性是海洋科学工作者十分关注的问题。下面介绍潮位观测滤波的一般性原理并总 结现有的常规验潮技术的滤波方法。 2 3 1 潮位观测滤波的一般性原理 海面周期变化的瞬时波形实际上反映的是潮汐和波浪瞬时振幅的叠加。根据前 面的介绍可以看出，潮汐是海面地形变化的长波项，而波浪是扰动项，且它们之间 的周期差异较大，如图2 7 、图2 8 。 下。 图2 7 海面变化示意图图2 8 波浪周期示意图 汐变化 目前常用的滤波方法有人工滤波和数字化滤波两种，它们的基本原理表达如 对式2 2 两边取积分： 古f 日( d = 石1f 丁( d + 石1f w ( ，) 1 4 ( 2 3 ) g p s 潮汐测量及应用 可见，考虑到波浪属于高频、短周期扰动波，只要选择适当的波浪周n a t ，便 可利用下面两式实现波浪的滤除： 石1f w ( f ) = o ( 2 4 ) 上a t 弘( ，) = 石1 胁r ) ( 2 5 ) 2 3 2 常见潮汐测量的滤波方法 1 水尺验潮滤波 水尺验潮的潮位是采用人工观测潮位在水尺上的变化获得的，通过某一瞬间连 续读取2 3 个水位数据，然后简单的取平均获得该时刻的潮位值。 利用这种方法，潮位值的获得是通过简单平均得到的，在一定程度上也起到了 对波浪的过滤作用。但是，由于观测时间间隔短，数据量少，这种滤波显得非常粗 糙，所得潮汐值中渗入了波浪的影响量，同时考虑到人为误差因素的影响，当海面 起伏较剧烈时，潮汐观测精度误差将大于5 c m ，达不到i h o ( i n t e r n a t i o n a l h y d r o g r a p h i co r g a n i z a t i o n ，国际水道测量组织) 验潮精度指标( 2 c m ) 的要求。为 此，需要采用更先进的观测和滤波方法，以提高潮位观测精度。 2 井式验潮的滤波方法 井式验潮方法一般适合固定于岸边( 如港口、码头等) 的观测站进行长期潮位 观测。它的滤波方法属于机械性滤波( 利用硬件设备实现滤波) ，即采用小孔阻尼 滤波或长管阻尼滤波。下面简介d , - 孑l 阻尼法的验潮和滤波思想。 井式验潮的水面状况不同于水尺验潮的水面状况，水尺验潮一般暴露在自然海 况下进行，而井式验潮的浮子浮于壁上有许多小孔的圆桶围起来的海水上。一般小 孔面积s h 同圆桶的截面积s b 成一定的比例( 或孔径d h 的大小同桶径d b 的大小成 一定的比例d h ：d b = s h 沈：s b l 2 ) ，在我国该比例为1 ：5 0 0 。圆桶的这种设计目的 在于，利用小孔减缓海水进入圆桶的速度，产生水位变化时延，以实现对波浪的机 械性滤波。 桶内波浪的衰减性能可表达为： =华6厄鲁2了2,*c 6 ， ， 、 第二章潮汐测量与滤波 式中，p 为衰减系数，c o 为波浪的角频率，t 为波浪的周期，a 为波浪的振幅， k 为验潮井系数，g 为重力加速度，d h 为小孔直径，d b 为圆桶直径。 根据式2 6 可以看出，当a 较大时，p 值增加，但相对a 而言，验潮井内水位 波动还是比较大的。所以原则上可通过减小孔径，提高桶径的方法达到b 值增大的 目的，但这同时会造成水位变化的过分延迟，也易产生小孔的阻塞。因此，利用这 种方法进行滤波，其效果也不是特别理想。 利用该法所得潮位精度，可被认为主要依赖于验潮井的滤波脾it 厶匕b i 二，而记录潮汐 变化的机械部分可认为对潮汐的精度影响甚微，如此以来，波浪振幅的瞬时变化， 会使得验潮的精度也随之发生瞬时变化。 由于桶内水位波动是机械滤波不彻底的结果，同时考虑机械滤波使得波浪发生 延迟，但这种延迟后的波动周期相对潮汐周期是比较小的，若再对观测值进行数字 滤波，比如引进平滑低通滤波思想用于观测值的二次滤波，将会在很大程度上削弱 波浪的影响。 3 压力式验潮的滤波方法 压力式验潮仪利用测压原理测定潮位，其潮位的计算模型为： dd h r = h 。+ 卫 ( 2 7 ) 。 g p 式中为测压器测压界面距离深度基准面( 或其它基准面) 的高度，p 为压力 传感器处的海水静压力，为海面大气压，g 为局部重力，p 为海水密度。 压力式验潮仪采用计算机处理水位信号的滤波方法，通过在仪器内部设计一个 低通滤波器，将4 0 秒内观测所得的原始数据进行信号处理，滤除波浪影响的高频 部分，保留潮汐影响的低频部分，从而获得准确潮汐观测值。理论和实践均证明， 这种方法是一种比较理想的滤波方法，基本可以保证实测潮位精度达到现场水深的 1 。 4 声学验潮的滤波方法 声学验潮仪的换能器一般安装在海面上一定高度的固定框架上，换能器安装时 要尽量保持换能器面同水平面平行，从而保证所发射的波束同垂直方向平行。 假设超声波往返换能器面与瞬时水面的时间为t ( s ) ，声速为c ( m s ) ，h 为换 能器面在深度基准面上的高度，则潮高h t 为： 1 6 g p s 潮汐测量及应用 h r ：h 一兰( 2 8 ) 2 其中，声速c 可以通过下式求得： c = 3 3 1 2 1 1 + 0 9 7 等“9 1 0 刁明 ( 2 9 ) 式中：p 为大气压( h p a ) ；t 为气温( o c ) ，u 为相对湿度。 超声波验潮的滤波仍采用数字滤波，超声波验潮的精度模型可表达为： a h l = a h c 出2 一t a c 2 + 知 ( 2 1 0 ) a c = 3 3 1 2 0 9 7 a u p 一0 9 7 u 尸2 + 1 9 x 1 0 3 a t l ( 2 1 1 ) 式中，舳代表滤波精度。试验表明，超声波验潮的精度a l l t 约为l c m 。 在上述验潮方法中，水尺验潮适合于临时性的潮位测定，采用平均滤波，由于 数据量少，验潮精度较低，一般为5 1 0 c m ；井式验潮、超声波验潮均适合于长期验 潮，其中井式验潮采用机械式滤波，滤波性能较差验潮精度较低，对于超声波验潮， 由于换能器距离海面的高度较小，因而测量精度较高，采用数字滤波，确定潮位的 精度较高一般为1 c m ；对于压力式验潮、船载g p s 验潮和卫星潮汐遥感适合于远岸 验潮，压力式验潮只要能很好地确定压力传感器测压界面的高程，验潮精度可以达 到水深的1 o ；船载g p s 验潮可以通过测定船体姿态来实现对波浪影响的滤除，或 者采用低通滤波器、小波去噪等方法实现对波浪影响的滤除。 综上所述，潮汐测量作为确定平均海面、大地水准面和深度基准面的依据，潮 位的测量精度直接决定着上述基准面的确定精度，而且在实际海洋测绘工程中潮位 的测量精度同样十分关键。因此在实际测量中，需要选择合适的测量和滤波方法， 以提高潮位的测量精度。无论何种验潮方法，观测水位面为瞬时海面，瞬时海面的 起伏主要包含了潮汐和波浪两方面的信息，要想获得瞬时潮汐的变化量，考虑到波 浪和潮汐波长和周期的差异，一般的滤波方法采用低通数字滤波，它可以将高频波 浪信号滤除，保留低频潮汐信息。可见恰当的滤波方法对于削弱或消除波浪对观测 值的影响是十分重要的。 2 4 小结 本章主要内容是潮汐测量的概述，首先概括了潮汐的定义、特点、分类以及目 前潮汐测量所采用的各种方法：其次，详细分析了各种潮汐测量方法的优缺点；最 第二章潮汐测量与滤波 后，介绍了潮汐观测滤波的一般性原理以及常规潮汐测量的滤波方法。 g p s 潮汐测量及应用 3 1g p s 精密定位技术 第三章g p s 潮汐测量 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m g p s ) 是美国国防部主要为满足军事 部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的，近年来，全 球定位系统的迅速发展，引起了各国军事部门和广大民用部门的普遍关注。g p s 的 问世标志着电子导航技术发展到了一个更加辉煌的时代。目前，g p s 定位技术已经 广泛应用在了经济建设和科学技术的许多领域，尤其对测量学的各个方面都产生了 极其深刻的影响。在大地测量学及其相关学科领域，如地球动力学、海洋大地测量 学、天文学、地球物理勘探、航空及卫星遥感、工程测量及变形监测、运动目标测 速以及精密时间传递等方面广泛应用( 刘基余，1 9 9 3 ) 。本章将对g p s 技术的定位 原理和其在海洋测绘潮汐测量中的应用进行介绍。 g p s 系统与其它导航系统相比，主要特点有以下六个方面： ( 1 ) 定位精度高 应用实践已经证明，g p s 相对定位精度在5 0 k m 以内可达1 0 击，1 0 0 ，- - , 5 0 0 k m 可 达1 0 ，1 0 0 0 k m 可达1 0 一。此外，g p s 可为各类用户连续地提供高精度的三维位置、 三维速度和时间信息。 ( 2 ) 观测时间短 随着g p s 系统的不断完善，软件的不断更新，目前2 0 k m 以内相对静态定位， 仅需1 5 - 2 0 分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在1 5 k m 以内时，流动站观测时间只需1 2 分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。 实时定位速度快。目前g p s 接收机的一次定位和测速工作在一秒甚至更小的时间 内便可完成，这对高动态用户来讲尤其重要。 ( 3 ) 执行操作简便 随着g p s 接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已经达到“傻瓜化 的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻了测量工作者的工作 紧张程度和劳动强度，使野外工作变得轻松愉快。 1 9 第三章g p s 潮汐测量 ( 4 ) 全球全天候作业 由于g p s 卫星数目较多且分布合理，所以在地球上任何地点均可连续同时观 测到至少4 颗卫星，从而保障了全球、全天候连续实时导航与定位的需要。目前 g p s 观测可在一天2 4 小时内的任何时间进行，不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下 雪等天气影响。 ( 5 ) 功能多、用途广 g p s 系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0 1 m s ， 测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。 ( 6 ) 抗干扰性能好、保密性强 由于g p s 系统采用了伪码扩频技术，因而g p s 卫星所发送的信号具有良好的 抗干扰性和保密性。 初期g p s 设计的主要目的是用于导航，收集情报等军事应用。但后来人们发 现，g p s 系统不仅能达到上述目的，使用g p s 卫星发来的导航定位信号能够进行 厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，亚米级甚至厘米级精度的动态定位，亚米 级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。g p s 系统的建立给导航和 定位技术带来了巨大的变化，它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题， 可以满足不同用户的需要。用g p s 信号可以进行海、空和陆地的导航，导弹的制 导，大地测量和工程测量的精密定位，时间的传递和速度的测量等。对于测绘领域， g p s 卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球性的 地球动态参数；用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及 海洋测绘：用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量，成为建立城市 与工程控制网的主要手段；用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量 地面控制或无地面控制的航测快速成图，引起地理信息系统、全球环境遥感监测的 技术革命。 g p s 卫星播发的信号包括c a 码( 仅l 1 上调制) 、p 码( l 1 、l 2 上均调制) 、 两种载波( l 1 、l 2 ) 和数据码( 卫星星历) 。c a 码波长约为2 9 3 m ，p 码波长约为 2 9 3 m 。载波的波长远小于码的波长，l 1 波长约为1 9 c m ，l 2 波长约为2 5 c m 。出于 军事目的，美国军方对p 码进行7 a n 密处理，除军方特许用户外，普通民用用户无 法利用p 码进行定位，只能利用c a 码和载波相位观测值进行定位( 周忠谟，1 9 9 7 ) 。 在利用码定位方面，最常见的是单点定位。理论上，只利用三颗卫星的观测值 2 0 g p s 潮汐测量及应用 就可以进行定位求得测站三维坐标。但由于接收机钟差的影响，结果存在