丁文玉

(武漢大學(xué)，湖北 武漢 430000)

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地基GPS探測對流層斜路徑濕延遲

丁文玉

(武漢大學(xué)，湖北 武漢 430000)

Analysis of the Slant Wet Delay Measurements of GPS Using Precise Point Positioning Method

DING Wenyu

摘要：GPS斜路徑濕延遲SWD包含大氣水汽三維分布信息，在使用SWD時(shí)，其精度非常重要。本文使用精密單點(diǎn)定位(PPP)計(jì)算SWD，并將其與精度較高的水汽輻射計(jì)WVR的觀測結(jié)果進(jìn)行對比，用PPP解算的SWD的精度進(jìn)行分析。通過比較分析發(fā)現(xiàn)，PPP計(jì)算的SWD與WVR計(jì)算的SWD存在1.5 cm左右的系統(tǒng)偏差。PPP計(jì)算的SWD的精度隨著高度角的增大而提高，籠統(tǒng)用一個(gè)精度參數(shù)描述PPP計(jì)算的SWD的精度并不合理，在高度角10°～35°之間，兩者差值的標(biāo)準(zhǔn)差隨著高度角的增加而減小。在35°～90° 之間兩者差值的標(biāo)準(zhǔn)差呈穩(wěn)定趨勢，為2.9 cm。

關(guān)鍵詞：精密單點(diǎn)定位；斜路徑濕延遲；水汽輻射計(jì)；精度比較

GPS斜路徑濕延遲SWD(slant wet delay)的精度問題是在研究大氣水汽空間分布的過程中產(chǎn)生的[1]。大氣水汽的時(shí)空分布可用于天氣預(yù)報(bào)和氣候研究[2]。天頂濕延遲ZWD與大氣可降水量PW成比例關(guān)系。大量試驗(yàn)證明，由GPS數(shù)據(jù)解算的大氣可降水量PW精度優(yōu)于2 mm[3-4]。GPS估計(jì)得到的天頂濕延遲ZWD應(yīng)用于建立數(shù)字天氣預(yù)報(bào)模型時(shí)，可以大幅度改進(jìn)模型的初始狀態(tài)[5]。但ZWD本質(zhì)上是一段時(shí)間內(nèi)所有衛(wèi)星的SWD投影到天頂方向上的濕延遲的平均值，SWD中所包含的水汽分布各向異性信息被消去。ZWD無法真實(shí)表征水汽的三維分布特征。SWD是一次觀測的估計(jì)值，盡管其估計(jì)精度不如ZWD，但SWD包含水汽三維分布信息，可以用來層析大氣水汽的三維分布。

在使用SWD層析水汽三維分布時(shí)，其精度直接影響層析結(jié)果。水汽輻射計(jì)WVR能夠觀測并獲得斜路徑濕延遲SWD，而且測量精度較高，可以用來比較分析由PPP計(jì)算的SWD的精度。王勇等[6]使用GPS相對定位的方法計(jì)算出SWD，并與WVR觀測結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)其相互之間的RMS值為1.51 cm。GPS精密單點(diǎn)定位具有觀測成本低、作業(yè)機(jī)動(dòng)靈活、可全天候觀測、可多系統(tǒng)集成的優(yōu)勢。本文采用精密單點(diǎn)定位PPP解算SWD，并將計(jì)算結(jié)果與WVR的觀測結(jié)果進(jìn)行比較，分析由PPP解算的SWD的精度特點(diǎn)。

一、數(shù)據(jù)與方法

1． 數(shù)據(jù)

本文使用的數(shù)據(jù)為2002年5月25日—5月26日加拿大卡爾加里大學(xué)UOFC測站的GPS觀測數(shù)據(jù)和與UOFC測站并址的水汽輻射計(jì)WVR的觀測數(shù)據(jù)。GPS觀測數(shù)據(jù)每隔30 s記錄一次。試驗(yàn)中，WVR依次指向空中可視的GPS衛(wèi)星。WVR每隔1 min左右獲得一組數(shù)據(jù)，完成1次對所有可視衛(wèi)星觀測的時(shí)間為7～8 min。

2． SWD的計(jì)算方法

本文采用精密單點(diǎn)定位PPP計(jì)算SWD。在解算中，使用IGS精密星歷和精密鐘差，設(shè)置截止高度角為10°。靜力學(xué)延遲采用Saastamoinen模型改正。投影函數(shù)選取GMF投影函數(shù)。地表氣壓由測站的海拔高度估計(jì)。PPP的觀測方程[7-8]為

lφLC=ρ+c(dt-dT)+NφLC+dtrop+R

(1)

(2)

本文中，GPS斜路徑濕延遲SWD由PPP待估參數(shù)中的對流層參數(shù)計(jì)算得出。采用PPP技術(shù)估計(jì)SWD具有估計(jì)模型簡單，站站之間不相關(guān)，無需引入遠(yuǎn)距離測站即可估計(jì)絕對時(shí)延，處理大規(guī)模數(shù)據(jù)速度快等優(yōu)點(diǎn)。計(jì)算公式為[9]

(3)

3． 水汽輻射計(jì)觀測數(shù)據(jù)的處理

水汽輻射計(jì)WVR通過測量大氣亮溫實(shí)時(shí)測定大氣層中的水汽含量和電磁波傳播延遲[10]。試驗(yàn)中，WVR與GPS測站并址，設(shè)置WVR依次指向高度角為10°以上的GPS衛(wèi)星。WVR每隔1 min左右獲得一組數(shù)據(jù)，完成1次對所有可視衛(wèi)星的觀測需要7～8 min，因此對同一顆衛(wèi)星，在可視時(shí)間范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)記錄間隔為7～8 min。

WVR測量數(shù)據(jù)易受儀器鏡面液態(tài)水聚集和水汽散射效應(yīng)的影響。這些影響會(huì)造成大氣亮溫測量錯(cuò)誤。WVR可以估計(jì)液態(tài)水的數(shù)量，但依據(jù)這些估值不足以消去因?yàn)殓R面液態(tài)水凝聚而造成的測量錯(cuò)誤。本文處理WVR數(shù)據(jù)時(shí)，既利用液態(tài)水估值，又探測亮溫突變。這樣保證用于比較的數(shù)據(jù)中沒有因液態(tài)水聚集而造成錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理步驟如下[10]：

1) 剔除液態(tài)水估計(jì)量大于0.3 cm的觀測數(shù)據(jù)。

2) 將WVR的SWD投影到天頂方向得到ZWD，計(jì)算公式為

ZWD=SWD·sinε

(4)

求出兩天內(nèi)所有ZWD的RMS值，再將觀測記錄劃分為間隔為30 min的時(shí)間段，求出每個(gè)時(shí)間段內(nèi)ZWD的RMS值，比較單個(gè)時(shí)間段內(nèi)的RMS值與兩天內(nèi)所有數(shù)據(jù)的RMS值的大小[8]。如果單個(gè)時(shí)間段內(nèi)的RMS值大于所有數(shù)據(jù)的RMS值，則剔除相應(yīng)30 min時(shí)間段內(nèi)的所有記錄。這樣操作雖然限制了WVR觀測結(jié)果的變化幅度，但是可以剔除可能被液態(tài)水聚集損壞的數(shù)據(jù)。

二、比較結(jié)果及分析

處理完兩組數(shù)據(jù)后，比較兩種方法對應(yīng)同一顆衛(wèi)星的觀測時(shí)間相差15 s以內(nèi)的SWD值。在兩天(48 h)的觀測時(shí)段中，一共有2491組對比數(shù)據(jù)。

由WVR觀測結(jié)果計(jì)算出的ZWD的平均值為6 cm，這說明試驗(yàn)地區(qū)在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，天氣較干，空氣中水汽很少。圖1、圖2分別為由WVR和PPP計(jì)算出的從測站到2、3、4、7號(hào)衛(wèi)星的SWD值隨時(shí)間的變化。

圖1　PRN=2

圖2

從圖1、圖2可以看出，本文使用PPP計(jì)算的SWD和WVR觀測得到的SWD的趨勢基本一致，說明由PPP計(jì)算SWD的方法是可行的。圖3為WVR觀測得到的SWD隨高度角的變化，圖4為PPP解算的SWD隨高度角的變化。

圖3

圖4

由圖3、圖4可以看出，SWD隨高度角的增加而減小，這是因?yàn)楦叨冉禽^小的SWD經(jīng)過對流層的路徑較長，包含的水汽較多。高度角較大的SWD經(jīng)過對流層的路徑較短，包含的水汽較少。當(dāng)高度角為90°時(shí)，SWD即為ZWD。圖5為由上述兩種方法計(jì)算出的SWD的差值隨高度角的變化。

圖5

從圖5可以看出差值正負(fù)分布均勻，沒有明顯的系統(tǒng)誤差。差值的絕對值隨高度角的增加而減小。這說明高度角越大，誤差越小。由PPP計(jì)算的SWD在高度角較小時(shí)精度較低，在高度角較大時(shí)精度較高。

PPP計(jì)算的SWD的精度隨高度角的變化而變化，本文計(jì)算出高度角每5°一個(gè)區(qū)間，兩種方法差值(PPP-WVR)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果如圖6所示。

圖6

從圖6可以看出，由PPP計(jì)算的SWD與WVR的觀測結(jié)果之間差值的平均值在1.5 cm左右，說明兩者存在一定的系統(tǒng)誤差，這與兩種方法截然不同的測量原理有關(guān)。兩者差值的標(biāo)準(zhǔn)差在10°～35°范圍內(nèi)，逐漸減?。辉?5°～90°范圍內(nèi)，呈穩(wěn)定趨勢，為2.9 cm。造成誤差有如下原因：①WVR觀測結(jié)果本身含有一定誤差；②從精密單點(diǎn)定位PPP的計(jì)算方法看，造成SWD誤差的包括多路徑誤差和觀測噪聲等隨機(jī)因素，以及天頂干延遲估計(jì)模型不準(zhǔn)確，對流層投影函數(shù)模型不準(zhǔn)確及其他誤差校正模型不準(zhǔn)確等系統(tǒng)因素。

三、結(jié)束語

通過以上比較分析發(fā)現(xiàn)，由PPP計(jì)算SWD的方法是可行的。SWD隨高度角的增加而減小。PPP計(jì)算的SWD與WVR觀測的SWD存在1.5 cm左右的系統(tǒng)誤差。在高度角10°～35°范圍內(nèi)，兩者差值的標(biāo)準(zhǔn)差隨著高度角的增加而減?。辉?5°～90°之間兩者差值的標(biāo)準(zhǔn)差呈穩(wěn)定趨勢，為2.9 cm。在利用SWD層析大氣水汽的三維分布時(shí)，需要考慮到SWD的精度隨高度角的變化。由PPP解算的SWD在高度角較高時(shí)具有更高的利用價(jià)值。

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中圖分類號(hào)：P228

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)02-0075-04

作者簡介：丁文玉(1990—)，女，碩士，主要研究方向?yàn)镚NSS反演對流層水汽信息。E-mail： 544362219@qq.com

收稿日期：2015-11-14

引文格式： 丁文玉. 地基GPS探測對流層斜路徑濕延遲[J].測繪通報(bào)，2016(2)：75-78.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0053.