海域垂线偏差测量试验及精度分析范文

摘要:为深入研究垂线偏差在海域的精度水平，在我国渤海近海区域利用数字天顶仪及精密单点定位技术测量获得了若干高精度垂线偏差测量值，利用测量值对EGM2008模型、Jason－1卫星数据、DTU10海面高模型及点质量模型计算得到的垂线偏差进行了比对分析。以测量结果为基准，比较结果表明，EGM2008模型的计算结果相对较好，Jason－1卫星数据和点质量模型次之，DTU10海面高计算结果较差。以长岛观测点为代表，EGM2008模型、Jason－1卫星数据、点质量模型计算的垂线偏差与数字天顶仪测量获得的垂线偏差的差异(子午和卯酉两个方向)在1.5″以内。

关键词:卫星测高;垂线偏差;数字天顶仪;精密单点定位;EGM2008模型;DTU10海面高模型

1引言

垂线偏差的精密测量和确定是测绘学科中非常重要的一项研究内容。对于海洋重力场、海底地形反演而言，由卫星测高技术获得的垂线偏差是一个非常重要的输入量，但是长期以来，由于海域缺乏高精度的垂线偏差测量值，使得卫星测高数据及其它手段获得的垂线偏差难以进行外部检核和评估。随着数字天顶摄影技术的成熟，高效的、自动化的天文测量成为可能［1－2］。2013年，西安航光仪器厂研制并定型生产了数字天顶摄影定位系统，该系统测量精度不仅达到一等天文测量精度，而且观测时间短，特别是该系统克服了传统大地天文测量中必须进行人仪差测定的限制，可快速提供大地天文定位测量结果，具有较高的作业效率［3］。同时，随着GNSS精密单点定位技术的发展成熟［4－6］，快速精确测量一点的大地坐标进而获取垂线偏差成为可能。2015年11月，西安测绘研究所联合西安航光仪器厂在近海海域利用上述技术开展了垂线偏差的精密测量试验。本文结合此次测量试验对垂线偏差测量结果与其它技术手段的计算结果进行了比较分析。

2垂线偏差计算的基本模型垂线偏差的定义

依据边界面的不同而各异，在海域，考虑到大地水准面与海水面差异较小，因此忽略这种差异后，各种垂线偏差本质上都是一样的，此时，确定一点的垂线偏差可以有下几种方法［7－12］。一是天文大地测量法，一点垂线偏差的测量(包括卯酉分量η和子午分量ξ)可由天文经纬度和大地经纬度测量获得，具体模型如下。ξ=(φ－B)(1)η=(λ－L)cosφ(2)式中，λ、φ为测量点的天文经纬度;L、B为测量点的大地经纬度。其中，λ、φ由数字天顶仪测量获得，L、B由GNSS精密单点定位得到。二是利用大地水准面求解，对于海洋区域而言，扣除海面地形影响后的平均海水面可等同于大地水准面，此时垂线偏差的卯酉分量ξ和子午分量η定义如下。式中，dsφ、dsλ分别为纬度和经度方向上的变化。三是利用重力数据求解，具体分为两种，一是利用重力数据按照VeningMeinesz公式计算垂线偏差，二是先构建点质量模型，而后利用点质量模型计算一点的扰动重力的两个水平分量δgn、δge，根据扰动重力水平分量与垂线偏差卯酉分量η和子午分量ξ的对应关系求解，见下式。

3测量试验概况及精度分析

2015年10月31日～11月12日，西安测绘研究所联合西安航光仪器厂在我国渤海区域开展高精度垂线偏差测量试验。此次试验集中在山东东营、长岛两个区域，共设观测点5个，完成GNSS测量和天文测量各5个点，其中有两个点受天气因素影响没有获得有效天文数据，因此垂线偏差的有效观测数量为3个。其中东营地区有效点2个，DY01点位于距海域距离约20m的堤坝上，DY02点位于广利港码头的平台上(距大陆岸堤距离约6km)，两点间隔直线距离约10km。长岛地区有效观测点(CD02点)位于长岛东部海岸区域，距大陆海岸线距离约20km。观测点具体分布见图1、图2。天文测量采用西安航光仪器厂生产的数字天顶仪，仪器精度达到一等天文测量要求(0.3″)。其中GNSS测量采用Trimble测量型接收机，天线采用扼流圈天线，数据处理采用精密静态单点定位方法，每个点观测时间不少于3h。天文数据由数字天顶仪自带软件处理，对于GNSS数据，采用RTKLIB软件(版本2.4.3)中的精密单点定位模式进行处理，星历采用IGS精密星历，3个点在东西方向(E－W)、南北方向(N－S)、上下方向(U－D)的处理结果见图3～5。从图3～5可以看出，GNSS精密单点定位在3个方向的内符合精度均在10cm以内，完全满足高精度垂线偏差测量要求。天文大地垂线偏差按照公式(1)和(2)计算获得，并以此为基准对其他4种方式获得的垂线偏差进行比对。这4种方式分别是DTU10海面高模型(丹麦科技大学)计算的垂线偏差，EGM2008模型计算的垂线偏差，Jason1海面高观测数据(减去DNSC08海面地形模型)计算的垂线偏差，点质量模型计算的垂线偏差(重力数据采用927工程的1'格网重力异常以及在此基础上形成的5'格网重力异常、20'格网重力异常、1°格网重力异常)。比对结果见表1～4。从上述4个表的结果可以看出，东营地区的DY01点由于位于靠近大陆的堤坝上，严格意义上属于海陆交界区，相比较于DY02点缺乏“海洋区域”的物理特征，因此重力场模型计算的垂线偏差与天文观测手段获得的值相比差异较大。对于Jason－1卫星而言，其实测数据在陆海交界区域质量下降甚至不可用，因此，其差异更大，而CD02点离大陆的距离约20km，具备较好的海域特征，因此基于Jason－1卫星数据的垂线偏差结果较好，两个方向的差异均在0.7″。以CD02点的测量结果来衡量，EGM2008模型和Jason－1卫星数据的结果相对较好，点质量模型次之，DTU10海面高计算结果较差。出现这个结果也在情理之中，EGM2008模型的构建使用了多代测高卫星反演的重力数据，用其计算的大地水准面在海域与真实大地水准面具有较高的一致性，本文使用的Jason－1卫星数据来自大地测量阶段的轨道漂移数据(第500周期以后的数据)，如果联合重复轨道数据以及Jason－2卫星数据则效果会进一步提高。DTU10海面高数据在使用中没有去除海面地形，因此其计算精度偏低。

4结束语

利用高精度数字天顶仪和精密单点定位技术获得一点的垂线偏差已成为一种精确、快速的方法。本文利用4种方法获得的海域垂线偏差对采用天文观测手段的垂线偏差进行了比较分析。在远离大陆的海域，EGM2008模型大地水准面计算的垂线偏差和点质量模型计算的垂线偏差与天文观测获得的垂线偏差的差异(两个方向)在1.5″以内，且比DTU10海面高数据的计算结果要好。对于传统卫星测高数据而言，在靠近大陆的海域(10km以内)其数据质量下降，无法用于精确计算该区域内的垂线偏差值。由于受到天气因素影响，实验观测到的垂线偏差数据较少，因此为了进一步验证论文结论还需利用更多的实测数据进行计算分析。致谢:感谢西安航光仪器厂王伟锋主任、雷鸣工程师在天文测量方面给予的帮助和支持。

参考文献:

［1］翟广卿，艾贵斌．数字天顶摄影天文定位测量的工程实现［J］．测绘科学技术学报，2014，31(3):232-236．

［2］郭金运，宋来勇，常晓涛，等．数字天顶摄影仪确定垂线偏差及其精度分析［J］．武汉大学学报:信息科学版，2011，36(9):1085-1089．

［3］艾贵斌，龚建，张华伟，等．数字天顶摄影定位原理与方法［M］．北京:解放军出版社，2013．

［4］张小红，左翔，李盼，等．BDS/GPS精密单点定位收敛时间与定位精度的比较［J］．测绘学报，2015，44(3):250-255．

［5］潘宗鹏，柴洪洲，刘军，等．基于部分整周模糊度固定的非差GPS精密单点定位方法［J］．测绘学报，2015，44(11):1210-1215．

［6］郑艳丽．GPS非差精密单点定位模糊度固定理论与方法研究［D］．武汉:武汉大学，2013．

［7］宁津生，郭春喜，王斌，等．我国陆地垂线偏差精化计算［J］．武汉大学学报:信息科学版，2006，31(12):1035-1038．

［8］许厚泽，陆仲连．中国地球重力场与大地水准面［M］．北京:解放军出版社，1997．

［9］孙凤华，吴晓平，张传定．中国陆海任意点垂线偏差的快速确定及精度分析［J］．武汉大学学报:信息科学版2005，30(1):42-46．

［10］王虎彪，王勇，陆洋．联合多种测高数据确定中国边缘海及全球海域的垂线偏差［J］．武汉大学学报:信息科学版，2007，32(9):770-773．

［11］翟国君，黄漠涛，等．卫星测高数据处理的理论与方法［M］．北京:测绘出版社，2000．

［12］姜卫平．卫星测高技术在大地测量学中的应用［D］．武汉:武汉大学，2001．

作者：翟振和 管斌 冯来平 明锋 单位：地理信息工程国家重点实验室