張　偉，李星光

(1.合肥市測繪設(shè)計研究院，合肥　230071；2.上海司南衛(wèi)星導(dǎo)航股份有限公司，上?！?01103)

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相對濕度對天頂總延遲量的影響

張偉1，李星光2*

(1.合肥市測繪設(shè)計研究院，合肥230071；2.上海司南衛(wèi)星導(dǎo)航股份有限公司，上海201103)

摘要：針對相對濕度參數(shù)對GPS水汽反演精度的影響的存在性，以香港衛(wèi)星參考站網(wǎng)數(shù)據(jù)為例，提出了利用GAMIT軟件實驗分析相對濕度對天頂總延遲量的方法。采用單一控制變量法，分別分析了相對濕度參數(shù)設(shè)置及其本身對天頂總延遲量解算的影響。結(jié)果表明：在相對濕度存在且無誤差時，相對濕度參數(shù)設(shè)置對ZTD解算影響很小。同時，20%的相對濕度誤差對ZTD解算影響也不大。而當(dāng)相對濕度量不存在時，默認的相對濕度設(shè)置(50%)引起的ZTD誤差較大，在一定程度上會影響GPS水汽反演精度。因此，在有相對濕度量數(shù)據(jù)時，都應(yīng)該被使用。

關(guān)鍵詞：GAMIT軟件；相對濕度；天頂總延遲；GPS水汽

0引言

美國的全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)作為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)最先建成的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，已經(jīng)在各行各業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用，其中地基GPS氣象學(xué)是近些年研究的熱點問題，利用GPS反演大氣可降水量來分析天氣特征變化的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，尤其在是暴雨(雪)、冰雹、臺風(fēng)等惡劣天氣狀況下。GPS水汽探測手段主要是在利用高精度GPS處理軟件實現(xiàn)GPS原始數(shù)據(jù)的處理并在提取高精度的對流層天頂總延遲量(zenith total delay，ZTD)的基礎(chǔ)之上，通過剝離ZTD中的干延遲分量獲取精確可用的濕延遲分量，最終通過轉(zhuǎn)化關(guān)系實現(xiàn)空間水汽含量的提取[1]。因此，解算并提取高精度的ZTD成為首要解決的問題。

研究表明實測的地面氣象數(shù)據(jù)作為建立對流層延遲模型的主要物理量參與解算能夠有效的提高解算的精度[2]。同時，國內(nèi)外大量學(xué)者研究證實，天頂干延遲(zenith hydrostatic delay，ZHD)是與露點溫度、水汽壓密切相關(guān)[3-4]，且地面溫度露點差和水汽壓等反映近地層空氣濕度量被證實與降水(雪)出現(xiàn)的時間和強度存在一定關(guān)系[5]。文獻[6]利用最小二乘曲線擬合GPS觀測結(jié)果、大氣可降水量(precipitable water vapor,PWV)與相對濕度時間序列能幫助短期暴雨監(jiān)測預(yù)報。而對于相對濕度在ZTD解算中的影響分析還很少見，基于此，本文利用GAMIT軟件解算GPS原始數(shù)據(jù)處理研究分析相對濕度量對ZTD解算的影響程度，以圖得到一些有益結(jié)論。

1數(shù)據(jù)來源

香港地區(qū)衛(wèi)星參考站網(wǎng)(SatRef)數(shù)據(jù)只需要注冊申請并通過香港大地測量組許可便能免費下載使用。SatRef由12個連續(xù)運行的參考站組成，分布相對較密集(圖1)，且每個GPS站點都配置了Meteo Met*/Met*氣象儀對測站表面的氣象數(shù)據(jù)(氣壓、溫度、相對濕度)進行采集，有利于進行GPS遙感水汽計算分析。同時，考慮到相對濕度易受天氣變化的影響，選取了2013年第264～266天遭遇臺風(fēng)“天兔”影響時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)進行分析。

圖1　香港衛(wèi)星參考站網(wǎng)分布

2GAMIT軟件參數(shù)設(shè)置及約束條件

利用GAMIT軟件對香港衛(wèi)星定位參考站網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)進行處理，其具體固定設(shè)置參見表1。同時為了消除區(qū)域GPS網(wǎng)ZTD解算的相關(guān)性[7]，獲得更精確的PWV估值，同時顧及國際GNSS服務(wù)(international GNSS service，IGS)站數(shù)量及空間分布對GPS網(wǎng)解算精度的影響[8]，引入LHAZ、SHAO、TWTF、WUHN 4個IGS國際跟蹤站點組成長基線參與解算。

GPS/PWV精度與定位精度密切相關(guān)，適合的參數(shù)設(shè)置能在保證基線解算精度的同時獲取高精度的氣象參數(shù)，具體設(shè)置綜合參考文獻[8-13]。

GAMIT軟件中相對濕度控制項在tables文件夾下的sestbl.表文件中，采用GPS測站接收機自主交換格式(receiver independent exchange format，RINEX)氣象文件時，其具體設(shè)置如下[12]：

Met obs source=RNX UFL GPT 50

表1　GAMIT主要固定解算設(shè)置及約束方案

表示為先檢查RINEX氣象文件，然后檢查u文件中的測站，最后返回GPT模型值，最后一個數(shù)值為假設(shè)的相對濕度值，50為默認設(shè)置(%)。當(dāng)最后一個數(shù)值設(shè)置為-1(負值)時，表示僅使用RINEX氣象文件中的相對濕度值。若RINEX氣象文件中的相對濕度量不符合GAMIT軟件解算時規(guī)范要求(HR∈(0，100))或部分缺失，軟件會自動將相對濕度值更新成設(shè)置的值或離該濕度量最近的上一個相對濕度量。通常對于沿海地區(qū)相對濕度值較大，且出現(xiàn)100概率很高，為了排除這種情況可能產(chǎn)生的影響，可先對相對濕度量進行檢查并將值為100的更改為99.99。

3實驗分析

以下進行兩組實驗分別驗證相對濕度參數(shù)設(shè)置和相對濕度本身對天頂總延遲量解算的影響。限于圖幅要求，在同一解算后只選取了HKSC站點用于分析。

3.1相對濕度參數(shù)設(shè)置對ZTD解算的影響

無GPS站點RINEX氣象數(shù)據(jù)參與解算，只能比較不同假定相對濕度值設(shè)置對ZTD解算的影響。表2列出了不同相對濕度參數(shù)設(shè)置中的歸一化均方根(normalized root mean square，NRMS)可以看出都滿足基線解算的精度評定指標(biāo)(<0.3[13])，且不同相對濕度值設(shè)定對基線解算精度影響很小。圖2中rhX分別為對應(yīng)的相對濕度量為X的ZTD值(下同)?？梢钥闯鯶TD互差很小，在mm級范圍內(nèi)，故而對PWV反演精度影響更小，幾乎可以忽略不計。

表2　不同相對濕度參數(shù)設(shè)置中的NRMS

圖2　ZTD差值時序分布

有GPS站點RINEX氣象文件參與解算時，不同相對濕度值設(shè)定對基線解算精度影響很小(表3)。這里假定相對濕度值設(shè)置為-1時解算得到的ZTD值為真值，記為rhz。圖3為ZTD解算誤差分布，可以看出兩種相對濕度參數(shù)設(shè)置引起的ZTD誤差不大，總體在2 mm以內(nèi)，且誤差曲線除個別時刻外幾乎一致，表明在RINEX氣象文件符合規(guī)范時，相對濕度參數(shù)設(shè)置不能引起ZTD的較大偏差。同時也能明顯看出第266天(48～72 h)ZTD誤差遠小于前2 d，究其原因可能是，第264天、265天前后臺風(fēng)“天兔”襲擾香港帶來的天氣變化引起的濕度變化對ZTD解算的影響。由此可以推斷ZTD與天氣變化引起的濕度變化是存在某種聯(lián)系的。

表3　不同相對濕度參數(shù)設(shè)置中的NRMS

圖3　ZTD差值時序分布

3.2相對濕度對ZTD解算的影響

在實際解算過程中往往會出現(xiàn)相對濕度量缺失或存在誤差的情況，為了比較這兩種情況下相對濕度對ZTD解算的影響，這里假定原RINEX氣象為真值，同時采用單一控制變量法，人為將HKSC站點的相對濕度量引入20%的誤差，并將獲取的ZTD值記為rh20；將相對濕度量缺失并在解算中采用默認的假設(shè)相對濕度值(50%)的情況下得到的ZTD值記為rh50。圖4給出了假定情況下的ZTD誤差分布，可以看出，當(dāng)相對濕度值全部采用默認值時，ZTD誤差相對較大，必然會對PWV解算精度產(chǎn)生影響。而相對濕度量存在20%的誤差時引起的ZTD誤差總體偏小(ZTD誤差均值0.065 mm，均方根偏差1.07 mm)，因此對PWV精度產(chǎn)生的影響不大，這對于獲取高精度PWV來說是有利的。圖5給出了相對濕度誤差與ZTD誤差的分析，不難發(fā)現(xiàn)，相對濕度采用默認值時，ZTD誤差與相對濕度誤差間的對應(yīng)關(guān)系并不明顯，即伴隨著相對濕度增加并未出現(xiàn)ZTD誤差的增大或減小。

圖4　ZTD誤差時序分布

圖5　ZTD誤差與相對濕度誤差對應(yīng)關(guān)系

盡管在多數(shù)情況下，相對濕度量設(shè)置并不會對ZTD解算精度產(chǎn)生大的影響，但在無RINEX氣象數(shù)據(jù)參與解算時，氣壓、溫度、相對濕度對ZTD產(chǎn)生的綜合誤差影響是一直存在的，如圖6給出的有實測氣象文件參與解算與無實測氣象文件參與解算的差值分布。因此，在有實測RINEX氣象數(shù)據(jù)時，是應(yīng)該被使用的。當(dāng)無RINEX氣象數(shù)據(jù)時，可采用氣溫、氣壓插值手段進行獲取，并按照RINEX氣象文件的格式進行編寫后使用。

圖6　HKSC站ZTD誤差分布

4結(jié)束語

利用GAMIT軟件解算香港衛(wèi)星參考站網(wǎng)數(shù)據(jù)，分析相對濕度設(shè)置與相對濕度對天頂總延遲量解算的影響，得到的結(jié)論為

(1)在正常天氣狀況下，有無實測RINEX氣象文件參與解算時，相對濕度設(shè)置對ZTD解算產(chǎn)生的影響很小，在天氣狀況發(fā)生變化時(臺風(fēng)、降水等)，相對濕度設(shè)置對ZTD解算的影響稍大，但總體上并不影響GPS水汽反演的精度。

(2)當(dāng)相對濕度存在20%的誤差時，由此引起的ZTD誤差總體較小，而相對濕度缺失時采用默認相對濕度(50%)引起的ZTD誤差總體較大且不容忽視，可見相對濕度對ZTD解算的是存在一定影響的。因此，當(dāng)RINEX文件中相對濕度值缺失時，合理的選擇相對濕度參數(shù)設(shè)置能在一定程度上提高ZTD解算精度。

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Influence of Relative Humidity on Zenith Total Delay Solution

ZHANGWei1，LIXingguang2

(1.Hefei Surveying and Mapping Institute，Hefei 230061，China；2.ComNav Technology Ltd.，Shanghai 201103，China)

Abstract：For analysing the influence of relative humidity on the retrieval of precipitable water from GPS solution，GAMIT software was used for solving the Hong Kong satellite reference station network data，and analysing the influence of relative humidity and its different settings on zenith total delay solution.The results show that：Relative humidity parameter setting have little effect on ZTD solver as the relative humidity was present and no error.Also 20% relative humidity error have little effect on ZTD solution.When the relative humidity was not existed，the default setting of relative humidity (50%) would cause a large ZTD error，and affect the accuracy of GPS Water Vapor retrieval to a certain extent.So，if we have the relative humidity data，they should be used.

Key words：GAMIT；relative humidity；zenith total delay；GPS water vapor

中圖分類號：P228

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-4999(2016)-01-0113-04

通訊作者簡介：李星光(1988—)，安徽淮南人，碩士，目前主要研究GNSS遙感應(yīng)用。

作者簡介：第一張偉(1990—)，安徽合肥人，碩士，主要從事GNSS數(shù)據(jù)處理研究。

收稿日期：2015-05-18

引文格式：張偉，李星光.相對濕度對天頂總延遲量的影響[J].導(dǎo)航定位學(xué)報，2016，4 (1)：113-116.(ZHANG Wei，LI Xingguang.Influence of Relative Humidity on Zenith Total Delay Solution[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(1)：113-116.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160122.