一、概述

GPS連續(xù)運(yùn)行觀測站，簡稱CORS－Continuous Operation Reference Station, 是國際上正在采用的重要對地觀測手段，主要用于地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測、地球動(dòng)力學(xué)研究、空間基準(zhǔn)維持、大氣和海面變化監(jiān)測等方面。在國家海洋局所屬的長期海洋站增設(shè)GPS連續(xù)運(yùn)行觀測站，實(shí)現(xiàn)GPS觀測業(yè)務(wù)化運(yùn)行，將為海洋服務(wù)、海洋管理和海洋科研提供新的數(shù)據(jù)來源，特別是在海面變化監(jiān)測、海氣相互、災(zāi)害海洋天氣監(jiān)測和預(yù)報(bào)、海底地震監(jiān)測等方面將發(fā)揮重要作用。

二、項(xiàng)目系統(tǒng)介紹

通過在沿海和主要島嶼建立全國統(tǒng)一的、高精度的GPS業(yè)務(wù)觀測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對海面變化、水汽含量、沿海地殼運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，獲取中國沿海海面變化與地殼運(yùn)動(dòng)特征以及水汽含量動(dòng)態(tài)變化曲線，其主要服務(wù)于海平面變化、海洋氣象預(yù)報(bào)和災(zāi)害天氣監(jiān)測，同時(shí)兼顧各種海洋調(diào)查和軍事應(yīng)用。

GPS業(yè)務(wù)觀測網(wǎng)絡(luò)在完成上述基本目標(biāo)的基礎(chǔ)上，最終建成我國近海衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)將以GPS為主，輔以GALILEO、GLONASS和我國“北斗”定位系統(tǒng)，通過增加信號發(fā)播功能，實(shí)現(xiàn)第二島鏈以內(nèi)區(qū)域的實(shí)時(shí)精密定位服務(wù)。

三、主要應(yīng)用方向

1.  定 位

GPS業(yè)務(wù)化觀測，將為近海用戶及時(shí)提供觀測站GPS數(shù)據(jù)和觀測站精準(zhǔn)坐標(biāo)，若增加數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)，將提供實(shí)時(shí)精密定位服務(wù)。在海洋站上增設(shè)的GPS連續(xù)運(yùn)行觀測站，構(gòu)成了海洋的空間基準(zhǔn)，能夠?yàn)榻Ｕ{(diào)查提供優(yōu)于分米級的精密定位服務(wù)，為海島調(diào)查提供統(tǒng)一基準(zhǔn)，同時(shí)也為國內(nèi)外海洋劃界等勘測提供全球統(tǒng)一的參考框架。

2.  驗(yàn) 潮

傳統(tǒng)驗(yàn)潮站觀測屬于局部地區(qū)的相對海面觀測，其參考點(diǎn)為驗(yàn)潮站附近的水準(zhǔn)點(diǎn)。局部相對海平面變化固然重要，但在研究大區(qū)域甚至全球海平面變化時(shí)，應(yīng)考慮大陸本身的垂直運(yùn)動(dòng)，并將高程統(tǒng)一到一個(gè)絕對的參考框架之中。在大尺度范圍內(nèi)，GPS高程測量精度能夠達(dá)到甚至超過水準(zhǔn)測量精度，高精度 GPS 高程測量已成為我國陸海垂直運(yùn)動(dòng)監(jiān)測的新手段。

3.  海平面變化

利用GPS輔助監(jiān)測海平面的變化主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：①在沿岸和近海提供厘米級的定位服務(wù)，提供高精度的數(shù)據(jù)基準(zhǔn)；②在長期海洋觀測站附近提供毫米級的定位服務(wù)，并結(jié)合驗(yàn)潮站潮汐和水文氣象資料，準(zhǔn)確反映海平面的變化。

4.  海汽交換（水汽含量監(jiān)測）

增加GPS觀測業(yè)務(wù)，還可以服務(wù)于海洋天氣預(yù)報(bào)和增加物理海洋信息。大氣中水汽含量的變化是天氣變化的前兆，利用連續(xù)跟蹤的GPS信號能夠監(jiān)測水汽含量的大小及變化，能用于監(jiān)測風(fēng)暴潮的前鋒、強(qiáng)度、變化等，也能提高短期天氣預(yù)報(bào)的精度；另外，根據(jù)海面反射的GPS信號，可以準(zhǔn)確地提取海面高程信息，為洋流、潮汐的研究提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

5.  沿海及海底地殼形變監(jiān)測

在沿海地區(qū)增設(shè)GPS連續(xù)運(yùn)行觀測站，能夠高精度、實(shí)時(shí)、連續(xù)地獲取板塊間相互作用引起的地殼運(yùn)動(dòng)，為研究地震活動(dòng)的時(shí)空遷移規(guī)律、預(yù)測未來地震的地點(diǎn)和強(qiáng)度等科學(xué)問題提供定量的依據(jù)，對于防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

四、應(yīng)用案例

1．項(xiàng)目概況

2008開始，國家海洋局領(lǐng)導(dǎo)與組織籌建GPS業(yè)務(wù)化觀測系統(tǒng)，覆蓋區(qū)域北起鴨綠江口，南至南沙群島，涉及沿海的遼寧、河北、天津、山東、江蘇、上海、浙江、福建、廣東、廣西和海南共11個(gè)省、市、自治區(qū)，涵蓋渤海、黃海、東海、南海等我國全部領(lǐng)海與大陸交接的瀕海地區(qū)，海岸線總長約32000 km，其中大陸岸線長約18000 km，島嶼岸線約14000 km。北京拓普康商貿(mào)有限公司成功中標(biāo)國家海洋局海洋臺(tái)站儀器采購項(xiàng)目，在國家海洋局下屬的57個(gè)長期海洋站安裝部署GPS觀測系統(tǒng)，其中，北海分局17個(gè)、東海分局20個(gè)、南海分局14個(gè)、海南中心站6個(gè)。57個(gè)長期驗(yàn)潮站的概略位置如圖1所示。

圖1  驗(yàn)潮站的位置

2. 方案實(shí)施

GPS觀測系統(tǒng)需要建設(shè)57個(gè)GPS觀測站、1數(shù)據(jù)分析處理中心，GPS站和數(shù)據(jù)分析中心之間依靠有線或無線通信網(wǎng)絡(luò)鏈接。

GPS觀測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

GPS觀測站示例如圖3所示

圖2  GPS觀測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖3  GPS數(shù)據(jù)的基本流程

圖4   

（1）通訊系統(tǒng)

根據(jù)GPS業(yè)務(wù)觀測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，各GPS站采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過各海洋站的有線或無線通信鏈路，傳輸?shù)礁骱^(qū)海洋中心站，且海洋中心站至局預(yù)報(bào)中心之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信鏈路已經(jīng)建成，完全有能力傳輸GPS數(shù)據(jù)。GPS數(shù)據(jù)的基本流程如圖4所示。

（2）數(shù)據(jù)分析中心建設(shè)

數(shù)據(jù)分析中心是整個(gè)GPS業(yè)務(wù)觀測系統(tǒng)的核心單元，由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等組成。作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)分析中心具備具有系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、信息服務(wù)、用戶管理等功能。

（3）成果顯示

GPS業(yè)務(wù)觀測的任務(wù)是提供高程變化信息（與海平面變化相關(guān)）和水汽含量信息（與海氣相互作用相關(guān)）。根據(jù)每天的GPS數(shù)據(jù)處理結(jié)果，自動(dòng)提取位置信息和水汽信息。通過圖像顯示軟件，自動(dòng)生成各GPS站位置變化曲線、水汽含量變化曲線及區(qū)域水汽含量變化圖5~圖7所示。

圖5  北方向變化曲線

圖6  水汽含量變化曲線

圖7  區(qū)域水汽變化圖

（4）項(xiàng)目系統(tǒng)優(yōu)勢

國家海洋局在沿海長期海洋站增添GPS業(yè)務(wù)化觀測，將增加如下服務(wù)：

1)   提供潮汐觀測站站址的周、月、年變化率，監(jiān)測海平面實(shí)際變化；

2)   及時(shí)提供沿海大氣水汽含量變化信息，為海洋氣象預(yù)報(bào)服務(wù)；

3)   在線提供空間位置基準(zhǔn)，為海岸帶和近海海洋調(diào)查服務(wù)；

4)   為海底和近岸地震等災(zāi)害的監(jiān)測和預(yù)報(bào)提供定量依據(jù)。

五、結(jié)論

GPS作為一種成熟的對地觀測手段，在海洋中將發(fā)揮更加重要的作用。建立GPS業(yè)務(wù)化觀測，可以提供沿海海洋站站址水平和垂直方向的周、月、年變化率，結(jié)合潮汐觀測數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確地揭示沿海海平面的真實(shí)變化。GPS業(yè)務(wù)化觀測，將及時(shí)提供沿海各海洋站/GPS站上空水汽含量，GPS觀測數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)傳回GPS處理中心，GPS數(shù)據(jù)處理中心最快每15分鐘能夠提供一次水汽變化信息，從而加強(qiáng)海洋天氣的預(yù)測預(yù)報(bào)，減小臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮等災(zāi)害損失。