远距离GPS潮位测量

随时间的海面变化过程与深度基准连续化
平均海面 海图深度基准面
时差法：
∫ J[hB (t + Δt) − hA (t)] = [hB (t + Δt) − hA (t)]2 dt = min t
用相关分析法求时差
RAB (τ ) =
∑ hAnhB,n−τ
∑ ∑ h h 2hP (t)
2、传统潮位测量的缺陷及 GPS潮位的优点
基准传递 潮位模型 传统方法的缺陷及GPS潮位的优点
基准传递
只有在长期验潮站才能获得稳定的平均海面，长期验 潮站不可能以足够高的密度布设，而通常在测量期间 布设短期或临时验潮站，在这些验潮站上只能获得短 期平均海面，而水位控制所需的稳定海面基准必须通 过传递方法推估得到。
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的。 只不过其利用压力传感器代替水 压钟和U型管，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。
特点是安装方便，精度高， 携带方便，从观测数据到数据处 理可以自动化计算机处理，高效 率，滤波性能良好，还可以做近 距离遥控。
假定两验潮站的长期平均海面位于同一等位面上，
则有：
HOB = HOA
于是，短期验潮站B的长期平均海面在水尺零点上的 高度为：
MSLB = hOB − (H B − HOB ) = hOB − hAB − hOA + MSLA
其距中离：(高h度0B为，短记期为验正潮值站)。水尺零点在水准点下的垂直
该方法的适用条件是两站水准点之间的高差必须可 以以较高精度计算或直接观测，因此，验潮站必须 在陆地沿岸。另外，两验潮站的平均海面处于同一 等位面上，这就忽略了海面地形的影响，但在近距 离范围内，其影响可以不考虑。
超声波潮汐计验潮
z 超声波潮汐计主要由探头、声管、计 算机等部分组成。
z 基本工作原理是通过固定在水位计顶 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。
z 特点是利用声学测距原理进行非接触 式潮位测量。特点是使用方便，工作 量小，滤波性能良好，适用测量。
= xAPhA (t + yAP ) + zAP
曲线比较
hB = xhA(t + y) + z
hB(i) = xhA(i + y) + z
⎛ Δx ⎞
⎜ ⎜
Δy
⎟ ⎟
=
(FT
F)−1
F
T
L
⎜⎝Δz ⎟⎠
(hA
(i
+
y),
x
∂hA
(i + ∂y
y)
,1)
Li = hB (i) − (xhA (i + y) + z)
压力式验潮仪按照结构可以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、U型 水银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联系的水 面以上某一界面上由于海面变化引起的压力变化来测 量水位。
特点是无验潮井，坚固耐用，调整方便，成本 低，滤波性能良好。
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。
按照传递对象的不同，基准传递可分为： z 短期验潮站平均海面的确定 z 深度基准面传递与推估
z短期验潮站平均海面的确定
推求短期验潮站稳定(长期)平均海面的方法有三种： 水准联测法、同步改正法、线性关系最小二乘拟合法 (回归分析法)。不论采用哪种方法，其传递精度应满足 对平均海面的要求，传递误差应小于水深测量误差。
=
PB AB
hA (t
+τ AP ) +
AP AB
hB (t
−τ PB )
最小二乘曲线比较法：
以平均海面为准的水位：
hP (t)
hA (t +τ AP )
=
γ
AP
hP (t) = γ APhA (t +τ AP )
γ AP
=1+
AP AB
(γ
AB
− 1)
以任意基准的水位： hP (t) = γ APhA (t +τ AP ) + ε AP
传统潮位测量及 GPS在航潮位测量
赵建虎 jhzhao@
内容
¾ 传统潮位测量方法 ¾ 传统潮位测量的缺陷及GPS潮位的优点 ¾ GPS潮位测量 ¾ GPS潮位解算 ¾ GPS潮位试验及精度分析 ¾ GPS潮位测量中需要注意的事项
1、传统潮位测量
潮汐测量按照验潮站布设位置的不同可分为近岸 验潮和远岸验潮。 近岸验潮按照潮位测量方式的不同分为：
9水准联测法 若长期验潮站和短期验潮站的水准点均连接在国家 水准网中，或两站水准点间可直接进行水准观测， 则两站主要水准点的高差为：
hAB = H B − H A
长期验潮站长期平均海面的高程H0A可由水尺零点在 点水上准的点高下度的M高S度LhA获0A(得正：值表示)和平均海面在水尺零
HOA = H A − hOA + MSLA
动态GPS作业模式：
z GPS RTK z GPS PPK z GPS PPP
GPS 潮位测量
Simrad EM3000 (Reference Point)
PPK Antenna
Reference Point
RTK Antenna
4、 GPS潮位解算
GPS 潮位测量数据处理流程包括：
GPS高程数据滤波 姿态改正 吃水改正 高程转换 潮位获取
ΔMSLA = MSLAS − MSLAL
在短期验潮站可写出相同的距平公式：
ΔMSLB = MSLBS − MSLBL
在两站短期距平相等的假设下，求得短期站的长期平均海面(相对与本 验潮站水尺零点)的高度为：
MSLBL = MSLBS − MSLAS + MSLAL
用这种方法实施平均海面传递的可靠性取决于其假设条件的可靠性和 同步时间长度。 该法在对两站距离不太远的条件下，对验潮站的种类 没有特殊要求，可以传递沿岸和岛屿验潮站的稳定平均海面。
水尺验潮
一种类似于用水准尺量测水 位的一种验潮方式。水尺一 般固定在码头壁、岩壁、海 滩上。
水尺上面标有一定的刻度，一 般最小刻度为厘米，长度大 约3 ~ 5米，利用人工方法读 取水位。
水尺验潮具有工作简单，机 动性较强、易操作、技术含 量低、造价低的特点，常用 于临时验潮的情况。该方法 的观测精度受涌浪、观测误 差等多种因素的影响，一般 约为10-15厘米。
MSLBS = kMSLAS + MSLBL − kMSLAL
令：
MSLBL = kMSLAL + C
则短期平均海面有如下关系：
（2） （3）
MSLBS = kMSLAS + C
（4）
即两站的长期平均海面与短期平均海面有相同的线性关系，常数C的意义 是两站水尺零点偏差。剩下的问题则是对参数k和C的估计。取两站同步期 间的日平均海面序列，获得一系列形如式(4)的观测方程，在这些方程中， 因为两站的日平均海面均是具有一定误差的观测量，故可以将(4)式的关系
∑ ∑ n
L=
Li / n
1
S S i=1 i i=1 i
或在长期站和短期站调和常数已知时，以略最低潮面值为中介，即按如 下方法推估：
∑ L
=
⎡1 ⎢ ⎢⎣ n
n i =1
(HM2
+
H S2
Li + H K1
+
HO1 )i
⎤
⎥ ⎥⎦
(
H
M
2
+
H S2
+ H K1
+
HO1 )
潮位模型
建立在潮位有效作用范围内和潮位站间线形变化 前提假设基础上，根据验潮站的数据，获得测量（工 作）水域潮位实时变化的一种数学处理方法。
9 GPS潮位测量在近几年已经陆续的投入实际应用。
9 潮位站处的GPS潮位测量虽然增强了潮位观测的连续 性和可靠性，但在内插测船处潮位时，仍没有摆脱潮 位模型误差的影响；
9 虽然有少量文献阐述了在航GPS潮位测量的思想，但 数据处理不甚严密，在GPS观测时序跳变时，观测潮 位同实际潮位还存在着比较大的出入。
z 测潮杆验潮 z 水尺验潮 z 验潮井验潮 z 超声波验潮 z 压力式验潮
远岸验潮通常采用：
z 压力式验潮 z卫星测高
测潮杆 (tide pole)
最简单的临时性潮位观 测工具，又称为水尺， 由坚实的木杆做成，杆 上固定刻度尺，以人工 目测每小时的潮位高 度，观测资料较可靠， 适合短期的观测。
水位改正：单站
水位改正数/m
1.0
0.8
0.6
0.4 0.3
0.2
0.2 0.1
0.0
08:00
09:00
图.
深度基准面 10:00
时间 11:00
水位改正：分带与分区（常规）
Tide level
1.5 1
0.5 0
-0.5 -1
-1.5 0
tA1
tB1
Q2 Q1
tB2 tA2
1
2
3
4
5
6
7
Ti
RB = LB = r RA LA
因此，由同步观测时间的潮差比r可以获得短期站深度基准值：
LB = rLA
由短期站的平均海面高度获得深度基准面在水尺零点上的高度：
H LB = MSLB − LB
实践证明，深度基准面的这种传递方法精度较差，这可能是因为式的假 设与实际情况有一定偏差及理论深度基准面本身的极值意义在不同点有 所不同。因此，在有多个已知长期验潮站时通常采用深度基准值的直接 内插推估方法，如采用距离倒数加权内插法：