劉立龍 黃良珂 姚朝龍 顏 偉 劉貴云

(1)桂林理工大學測繪地理信息學院，桂林 541004 2)廣西空間信息與測繪重點實驗室，桂林 541004 3)湖南省地質(zhì)測繪院，衡陽421001)

基于區(qū)域CORS網(wǎng)天頂對流層延遲4D建模研究*

劉立龍1，2)黃良珂1，2)姚朝龍1，2)顏 偉3)劉貴云3)

(1)桂林理工大學測繪地理信息學院，桂林 541004 2)廣西空間信息與測繪重點實驗室，桂林 541004 3)湖南省地質(zhì)測繪院，衡陽421001)

利用區(qū)域CORS網(wǎng)參考站的天頂對流層信息建立了一種不需要氣象數(shù)據(jù)，只與時間和位置有關(guān)的天頂對流層延遲新模型。通過廣西CORS網(wǎng)實測數(shù)據(jù)，與反距離加權(quán)法和移去恢復法進行了對比分析，結(jié)果表明，新模型計算的天頂對流層值平均精度為8.5 mm，尤其在下雨天，新模型計算的天頂對流層延遲精度比其他兩種方法有顯著提高。將新模型法應(yīng)用于測站PWV值估計，其平均精度為1.5 mm。

區(qū)域CORS;天頂對流層延遲;4D建模;反距離加權(quán)法;移去恢復法

1 前言

對流層延遲是影響GPS定位精度的主要因素，常用的削弱對流層延遲的模型是建立在全球性的經(jīng)驗對流層改正模型上的，如Hopfield模型和Saanstamonien模型［1］。由于在不同地區(qū)和季節(jié)對流層變化較大［2］，若將經(jīng)驗模型應(yīng)用于區(qū)域精密單點定位［3］、InSAR大氣改正［4，5］等高精度GPS測量時，經(jīng)驗模型難以滿足要求。

近年來，隨著CORS網(wǎng)的建立，許多學者利用已知參考站的精密對流層延遲信息來建立區(qū)域的對流層延遲模型。目前，對于區(qū)域?qū)α鲗友舆t改正模型主要有反距離加權(quán)法、Kriging法［6，7］、移去恢復法［8］與投影延拓法［9］等。反距離加權(quán)法和Kriging法計算簡單，但只適用于區(qū)域較小、地勢平坦的地區(qū)，其中Kriging法需要依賴更多的已知參考站個數(shù)，文獻［8］的模型精度依賴于經(jīng)驗對流層模型的精度和氣象元素的精度，而文獻［9］的模型具有較高的對流層改正精度，在高海拔地區(qū)，也能保證較高的精度，但其模型需要較精確的氣象元素。針對上述問題，本文利用參考站的已知天頂對流層信息建立了一種不需要任何氣象元素，只與時間和測站位置有關(guān)的天頂對流層延遲新模型，該模型充分考慮了對流層在高程方向和水平方向上的影響。本文使用廣西CORS網(wǎng)實測數(shù)據(jù)，運用GAMIT軟件解算CORS網(wǎng)中參考站的天頂對流層延遲，將新模型法與反距離加權(quán)法和移去恢復法進行對比，并將新模型法應(yīng)用于參考站大氣水汽估計，與GAMIT估算結(jié)果進行對比。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 數(shù)據(jù)來源

選取廣西CORS網(wǎng)10個CORS站2010年4月22日，5月30日，2011年6月8日，6月30日和8月4日共5天的實測數(shù)據(jù)及相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，每個測站每天一個觀測文件，采樣間隔為15秒，并且選取廣西CORS網(wǎng)周圍的3個國際IGS跟蹤站(西安、北京、武漢)的數(shù)據(jù)進行聯(lián)合解算，其中廣西CORS站和氣象站的點位分布如圖1所示。

圖1 廣西CORS站和氣象站點位分布Fig.1 Distribution of CORS and meteorological stations in Guangxi

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

采用GAMIT軟件對廣西CORS站進行天頂對流層(Zenith Tropspheric Delay，ZTD)估計。估計時先驗天頂對流層ZTD采用Saastamonien模型計算，解算時，每兩小時選取一個待估參數(shù)，氣象條件選取標準大氣壓。由于GAMIT估算的天頂對流層延遲精度優(yōu)于1 cm［10］，因此本文算例分析以GAMIT軟件解算的天頂對流層延遲作為真值。

3 新模型的建立

圖2(a)為JZ01CORS站5天的天頂對流層時間序列，圖2(b)為2011年8月4日不同參考站的對流層時間序列。由圖2(a)看出，同一測站在不同季節(jié)，其對流層是變化的，而且沒有規(guī)律;由圖2(b)看出，在同一時間不同測站，對流層亦是變化的，但是各個測站的對流層變化趨勢基本相同，因此，可以通過各參考站對應(yīng)時刻的已知天頂對流層延遲建立與時間和位置有關(guān)的區(qū)域?qū)α鲗友舆t模型。相關(guān)研究表明，對流層延遲在水平方向上存在線性變化關(guān)系［11，12］，為此，在高程方向上，筆者還通過多時段和不同測站的天頂對流層統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)天頂對流層與高程存在著近似負指數(shù)關(guān)系，因此，提出新模型的表達式為:

4 實驗結(jié)果分析

4.1 新模型的精度檢驗

為了驗證新模型的精度，選取廣西CORS網(wǎng)中JZ01、JZ09、JZ17、JZ19、JZ22和JZ25為已知參考站，JZ05、JZ18、JZ26測站作檢核使用，實驗區(qū)域為北緯21°～25°，東經(jīng)107.5°～110.5°。利用2011年8月4日6個參考站GAMIT解算的已知天頂對流層延遲數(shù)據(jù)，對比分析反距離加權(quán)法和移去恢復法的精度。對于移去恢復法，其經(jīng)驗模型采用Saastamonien模型，由于無法獲取參考站實測氣象數(shù)據(jù)，采用參考站周邊的氣象站實測氣象數(shù)據(jù)計算獲得［14］，通過以上數(shù)據(jù)求解出三種模型的參數(shù)，利用三種模型分別計算對應(yīng)時刻的JZ05、JZ18、JZ26測站的天頂對流層值，并將模型計算的天頂對流層值與GAMIT估計值作比較，結(jié)果如表1和圖3所示。

圖2 天頂對流層延遲的時間序列Fig.2 Time series of the zenith tropospheric delay

從表1和圖3可知，在該實驗條件下，移去恢復法精度最差，其平均中誤差為34.5 mm，反距離加權(quán)法次之，平均中誤差為16.9 mm，顯然新模型法計算的天頂對流層延遲精度優(yōu)于其他兩種方法，達到了mm級的精度。

圖3 不同模型天頂對流層延遲精度比較Fig.3 Comparison between zenith tropospheric delay accuracy with different models

為了進一步驗證新模型法在惡劣天氣的適用情況，選取JZ12測站作為檢核驗證。由于JZ12測站靠近廣西北部灣海域，且在2011年8月4日為降雨。將三種模型計算的天頂對流層延遲與GAMIT估計值作比較，結(jié)果如圖4。

由圖4可知，新模型法計算天頂對流層延遲的最大誤差為18.1 mm，最小為0.4 mm，中誤差為12 mm;反距離加權(quán)法的最大誤差為50.7 mm，最小為14.3 mm，中誤差為34.1 mm;移去恢復法的最大誤差是74.2 mm，最小為4.0 mm，中誤差為41.9 mm，故新模型法明顯優(yōu)于其他兩種方法，因此在下雨天新模型法也能保證其較高的精度。由于JZ12測站下雨，而且會引起相關(guān)氣象條件的急劇變化，而且JZ12靠近海域，則與已知參考站的高差較大，因此會使反距離加權(quán)法和移去恢復法造成精度損失。而新模型法考慮了對流層延遲在高程方向和水平方向上的影響，故能有效地減少其精度損失。

圖4 不同模型在JZ12CORS站的精度對比Fig.4 Comparison of the accuracies at JZ12CORS station with different models

利用新模型法建立的2011年8月4日不同時刻的實驗區(qū)域的天頂對流層延遲分布如圖5所示。

4.2 新模型法用于大氣水汽總量(PWV)估計

用新模型法估計大氣水汽時，選用Saastamonien模型計算天頂對流層干延遲(ZHD)，對于大氣加權(quán)平均溫度(Tm)與測站地面溫度(Ts)的方程，選用適合我國東部地區(qū)(東經(jīng)100°～130°，北緯20°～50°)全年的回歸方程為［16］

將新模型法估計的大氣水汽含量與GAMIT估計對比分析結(jié)果如圖6所示。

表1 不同模型天頂對流層延遲殘差統(tǒng)計(單位：m)Tab.1 Statistics of the residuals of zenith tropospheric delay with different models(unit：m)

圖5 新模型法建立的天頂對流層延遲分布Fig.5 Distribution of the zenith tropospheric delay with new model

圖6 新模型法估計的PWV時間序列Fig.6 Time series of the estimated PWV values with new model

由圖6看出，新模型法估計的大氣水汽總量與GAMIT估算的比較吻合。若以GAMIT估算的PWV值作為參考值，那么用新模型估計的 JZ05、JZ12、JZ18、JZ26測站的 PWV的誤差分別為1.5、1.9、1.2、1.5 mm，由此看出，用新模型法估計的PWV值具有較高的精度，本算例中其精度接近1～2 mm。由于新模型只與時間和測站位置有關(guān)，故在一定程度上能提高PWV分布的時空分辨率。

5 結(jié)論

本文提出的天頂對流層延遲新模型不需要任何氣象元素，只需要根據(jù)CORS網(wǎng)參考站的天頂對流層信息進行建模，新模型只與時間和測站位置有關(guān)，且計算簡單。通過廣西CORS網(wǎng)實測數(shù)據(jù)，對比分析了反距離加權(quán)法和移去恢復法的精度，結(jié)果表明，新模型法計算天頂對流層延遲的平均精度為8.5 mm，尤其在下雨天，新模型法的精度明顯優(yōu)于上述兩種方法，且能保證12 mm的精度;同時，將新模型法應(yīng)用于測站PWV值估計，其估計的PWV值的平均精度為1.5mm，且能提高PWV分布的時空分辨率。由于新模型不需要氣象參數(shù)，只與時間和位置有關(guān)，因此，在InSAR大氣改正等高精度導航定位中具有一定的應(yīng)用價值。

致謝 衷心感謝廣西省測繪局為實驗提供CORS網(wǎng)實測數(shù)據(jù)!

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3 聶建亮，等.基于CORS網(wǎng)對流層信息的精密單點定位［J］.大地測量與地球動力學，2010，(2):91-93.(Nie Jianliang，et al.Precise point positioning based on tropospheric refraction CORS［J］.Journal of Geodesy and Geodynamoc，2010，(2):91-93)

4 Liang Chang and Xiufeng He.InSAR atmospheric distortions mitigation:GPS observations and NCEP FNL data［J］.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics，2011，(73):464-471.

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11 陳招華，戴吾蛟.區(qū)域?qū)α鲗友舆t水平變化對GPS測量精度的影響［J］.大地測量與地球動力學，2010，(3):83 -87.(Chen Zhaohua and Dai Wujiao.Effects of horizontal variation of tropospheric delay on GPS surveying［J］.Journal of Geodesy and Geodynamoc，2010，(3):83-87)

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13 徐天河，楊元喜.坐標轉(zhuǎn)換模型尺度參數(shù)的假設(shè)檢驗［J］.武漢大學學報(信息科學版)，2001，26(1):70-72.(Xu Tianhe and Yang Yuanxi.The hypothesis testing of scale parameter in coordinate transformation model［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2001，26(1):70-72)

14 Musa T A，et al.GPS meteorology in a low-latitude region: Remote sensing of atmospheric water vapor over the Malaysian Peninsula［J］.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics，2011，73:2 410-2 422.

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RESEARCH ON 4D MODELING FOR ZENITH TROPOSHPERIC DELAYS BASED ON REGIONAL CORS NETWORK

Liu Lilong1，2)，Huang Liangke1，2)，Yao Chaolong1，2)，Yan Wei3)and Liu Guiyun3)

(1)College of Geomatic Engineering and Geoinformatics，GUT，Guilin 541004 2)Guangxi Key Laboratory of Spatial Information and Geomatics，Guilin 541004 3)Institute of Geological Surveying and Mapping of Hunan Province，Hengyang421001)

A new model is established for estimation of zenith tropospheric delays from regional CORS data which does not require any meteorological data and only related to the time and position of the station.By compared with the inverse distance weighting method and the remove and recovery method using measured data from Guangxi CORS，the results show a significant improvement on the calculated accuracy with new model，that the average accuracy is about 8.5mm，especially in the rainy day.Besides，the average accuracy of the new model used to estimate the surface PWV values of CORS station is about 1.5 mm.

regional CORS;zenith tropospheric delay;4D modeling;inverse distance weighting method;remove and recovery method

1671-5942(2012)03-0045-05

2012-03-25

國家自然科學基金(41064001);廣西空間信息與測繪重點實驗室課題(1103108-06);廣西研究生教育創(chuàng)新劃項目(2010105960816M29)

劉立龍，男，1974年生，博士，教授，研究方向:GPS技術(shù)及應(yīng)用.E-mail:hn_liulilong@163.com

P207

A