張宇,郝金明

(信息工程大學(xué)導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院,鄭州 450001)

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區(qū)域?qū)α鲗友舆t解算優(yōu)化方案選擇

張宇,郝金明

(信息工程大學(xué)導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院,鄭州 450001)

摘要：對流層延遲反演出的可降水量序列是短臨天氣預(yù)報(bào)尤其是災(zāi)害性天氣監(jiān)測的前提,選擇合適的乃至最優(yōu)的計(jì)算方式是高精度解算結(jié)果和氣象產(chǎn)品的關(guān)鍵。本文就深入研究對流層延遲數(shù)據(jù)處理精度的角度上,總結(jié)歸納了影響數(shù)據(jù)成果質(zhì)量的若干方案,比較和驗(yàn)證了不同方案(截止高度角、觀測時(shí)段長的選擇;衛(wèi)星星歷和計(jì)算方式(非差PPP和雙差基線解)的抉擇;有無網(wǎng)外輔助站及其最佳數(shù)量的確定;端部效應(yīng)的影響)的綜合敏感性和有效性,提出了較為完整的、可靠性高的優(yōu)化處理策略。

關(guān)鍵詞：對流層延遲;數(shù)據(jù)處理;輔助站;敏感性

0引言

隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS建設(shè)的大力推進(jìn),高精度空間導(dǎo)航定位技術(shù)方法的不斷完善,對流層折射延遲逐漸成為當(dāng)前導(dǎo)航定位中重要的誤差源,近些年來提出了在導(dǎo)航應(yīng)用中建立適當(dāng)?shù)膮^(qū)域改正模型的方法用以削弱對流層折射影響[1]。而利用解算出的對流層延遲產(chǎn)品進(jìn)行遙感可降水量技術(shù)日益成熟,導(dǎo)致區(qū)域大氣和氣候研究及預(yù)報(bào)的精度要求初始對流層延遲計(jì)算具有高可靠性和綜合完備性[2-5]。針對區(qū)域網(wǎng)在確定優(yōu)化方案的選擇原則上,目前并沒有太多系統(tǒng)性的研究結(jié)論,而且單純某一方面的結(jié)論也不是很全,故就針對性和迫切性而言,現(xiàn)階段很有必要進(jìn)行設(shè)計(jì)、歸納、優(yōu)化整體方案的戰(zhàn)略性篩選。

Bernese軟件[6]利用局部觀測網(wǎng)的基線觀測數(shù)據(jù)能獲取到比較精確的對流層延遲,在解算時(shí),預(yù)估模型和映射函數(shù)均采用Niell模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)而探討不同方案造成的差異,選取優(yōu)質(zhì)的解算策略。本文研究了中國香港GPS區(qū)域12個(gè)連續(xù)參考站觀測網(wǎng)2012年1月1日到1月5日的觀測數(shù)據(jù),聯(lián)立其周邊的IGS站觀測數(shù)據(jù),通過Bernese軟件解求、比對分析多元化條件單一因子不同而致的精度影響,得出一些有益的可行性和適用性結(jié)論。

1影響解算區(qū)域?qū)α鲗友舆t的方案

在軌道誤差可忽略的情況下,不論是精密單點(diǎn)定位還是雙差相對定位,影響定位解算精度的一個(gè)重要因素就是對流層延遲。Bernese軟件處理數(shù)據(jù)時(shí)[7-9],對于雙差殘余對流層延遲誤差的處理,采用消電離層組合觀測量,一般首先使用模型作為先驗(yàn)值進(jìn)行改正,剩余的殘差作為隨機(jī)過程來處理,然后使用映射函數(shù)映射到不同高度角的衛(wèi)星幾何距離上以解求斜路徑延遲;而PPP方式處理則較為簡單,將原始觀測的雙頻載波相位數(shù)據(jù)設(shè)為觀測量,一般使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透恼蛥?shù)估計(jì)求解。

就區(qū)域準(zhǔn)實(shí)時(shí)對流層延遲而言,高精度的解算結(jié)果是區(qū)域氣象學(xué)反演研究的保障,是短臨天氣預(yù)報(bào)的可靠指標(biāo)。從計(jì)算模式、處理方案的層面出發(fā),影響計(jì)算結(jié)果精度的因素主要有以下幾點(diǎn)。

1.1衛(wèi)星星歷和計(jì)算方式

星歷與計(jì)算方式的選擇影響整個(gè)解算的框架,相當(dāng)于從外層循環(huán)給定了基準(zhǔn)精度的層次和需求效率,選擇合適的方案有助于區(qū)域網(wǎng)準(zhǔn)實(shí)時(shí)解算的可靠性提高,尤對于分辨率要求比較高的氣象研究。國際GNSS服務(wù)提供的星歷主要有4種,如表1所示,為實(shí)現(xiàn)對流層延遲反演可降水量的準(zhǔn)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào),必須采用快速預(yù)報(bào)星歷計(jì)算。GPS解算軟件Bernese中主要有兩種數(shù)據(jù)處理方式,分別為PPP模式和基線解模式,采用衛(wèi)星星歷與處理模式相結(jié)合的方式來確定Bernese的最佳計(jì)算方式,有精密星歷的PPP解、精密星歷的基線解、快速預(yù)報(bào)星歷的PPP解、快速預(yù)報(bào)星歷的基線解。不同方案的解算精度和處理速度均有差異,選擇適宜實(shí)際需求的才是最佳。

表1　不同衛(wèi)星星歷比照

1.2網(wǎng)外輔助站最佳數(shù)目

確切的說,最優(yōu)化的輔助站是最小系統(tǒng)誤差的風(fēng)向標(biāo)。在利用雙差技術(shù)求解對流層延遲時(shí),距離相近的測站與相同衛(wèi)星衛(wèi)地距相近,其傳播路徑也大致相同,造成衛(wèi)星高度角接近,大氣延遲幾乎無差異,致使站間對流層延遲(特別是天頂方向)具有很強(qiáng)的相關(guān)性,從而影響區(qū)域網(wǎng)內(nèi)各個(gè)測站對流層延遲絕對量的獲取,而在測站間作差又很容易使求得的天頂延遲出現(xiàn)系統(tǒng)性偏差。消除或者大幅度減弱測站間相對大氣延遲,準(zhǔn)確計(jì)算出其絕對值的方法一般為網(wǎng)內(nèi)加入距離大于500 km的長基線減少延遲相關(guān)性。

測站數(shù)量和數(shù)據(jù)量大小涉及數(shù)據(jù)處理工作的效率和網(wǎng)絡(luò)維持的費(fèi)用,選擇網(wǎng)外輔助站數(shù)量時(shí)既要保證測站對流層延遲的絕對性和可靠性,又要盡量降低測站的數(shù)目和數(shù)據(jù)量的大小,一般選取測站位置準(zhǔn)確的IGS基準(zhǔn)站[10-12]。同時(shí)由于解算區(qū)域網(wǎng)數(shù)據(jù), IGS基準(zhǔn)站可以為其提供參考框架,但不同區(qū)域由于受環(huán)境、氣候、地形等諸多因素的影響,不同基準(zhǔn)站數(shù)目的選擇對解算結(jié)果的影響產(chǎn)生不一致的影響。故找到較為理想的、乃至幾何分布均勻的基準(zhǔn)站選取方案,充分考慮節(jié)約現(xiàn)有資源的基礎(chǔ)上,以得到較高的解算精度是關(guān)鍵之處。

1.3觀測時(shí)間長度和截止高度角

客觀說,數(shù)據(jù)處理的時(shí)間長度需要因地制宜,針對于不同環(huán)境需求,是效能的綜合體現(xiàn)。一般而言,觀測站以30 s采樣率接收衛(wèi)星信號(hào),以RINEX格式存儲(chǔ),數(shù)據(jù)量較大。若采用長時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算,可以很好的滿足對流層大氣延遲精度從而提高氣象學(xué)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度,但比較耗時(shí),效率不高;相反采用短時(shí)間的數(shù)據(jù)易造成解算時(shí)間短,解算精度低的問題。

截止高度角是對參與解算觀測值的一種篩選,關(guān)系到GPS信號(hào)選取問題,確定合適的高度角是GPS解算對流層延遲需要考慮的一個(gè)因素。在數(shù)據(jù)分析過程中,截止高度角設(shè)置得較低,則觀測值信息往往會(huì)更多,幾何構(gòu)型也會(huì)更好,有助于解算精度的提高;但如果設(shè)置得過低,模型中微小的水汽則容易使對流層水平和高程方向產(chǎn)生較大的誤差,反演過程敏感性增加,同時(shí)映射函數(shù)的不確定性也增加。反過來若截止高度角設(shè)置得過高,則基線兩端的共視衛(wèi)星數(shù)目過少,從而影響雙差解算結(jié)果。Beutler等人通過實(shí)驗(yàn)研究出了衛(wèi)星截止高度角與基線分量精度間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,其中經(jīng)驗(yàn)系數(shù)如表2所示。

表2　不同截止高度角對基線垂向的影響系數(shù)

1.4實(shí)際資料的端部效應(yīng)

Bernese處理對流層采用的是分段線性擬合的隨機(jī)參數(shù)估計(jì)方法,即兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的對流層延遲是隨著時(shí)間線性變化的,而節(jié)點(diǎn)處的對流層延遲服從隨機(jī)過程。因任何平滑擬合方法對實(shí)際資料

處理時(shí)均會(huì)產(chǎn)生端部效應(yīng),即處理結(jié)果在資料(弧)段的端點(diǎn)處精度較差,而消除端部效應(yīng)可以確保數(shù)據(jù)精度的流暢連續(xù)性,減弱節(jié)點(diǎn)處的噪聲誤差,故該部分因素對于高精度的對流層延遲解算影響也是比較關(guān)鍵的一環(huán)。

2方案分析

2.1衛(wèi)星星歷和計(jì)算方式

此處選取CORS網(wǎng)測站的HKKT錦田站為研究對象,對于星歷和計(jì)算模式相結(jié)合的4種方式來說,采用2012年年積日為001到005的五天GPS觀測數(shù)據(jù),設(shè)定對流層天頂延遲的時(shí)間分辨率為30 min,高度截止角設(shè)置為5°,解算結(jié)果如表3所示。

表3　衛(wèi)星星歷、處理策略相結(jié)合的結(jié)果

由表可見,錦田站上精密星歷和快速預(yù)報(bào)星歷得到的結(jié)果不僅數(shù)值相近,且趨勢一致,相關(guān)性較高,這從精度上、時(shí)效上說明了利用快速預(yù)報(bào)星歷可以實(shí)現(xiàn)GPS對流層延遲乃至其反演可降水量的準(zhǔn)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。相比較采用雙差處理策略估計(jì)得到的對流層延遲精度較高(與IGS站提供的高精度ZTD較差),其平均中誤差優(yōu)于PPP處理精度,而兩種處理模式所耗費(fèi)的時(shí)間并無太大差異,效率上接近。對于解算測站較多的CORS網(wǎng),PPP解算具有無需聯(lián)立其他測站同步觀測便可直接獲取絕對延遲值,但相較于數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)中心給出的精密

對流層產(chǎn)品值而言其精度較差。由于精密星歷的精度略高于快速預(yù)報(bào)星歷,基線解考慮的因素比PPP考慮的因素多一些,因此可認(rèn)為精密星歷基線解的結(jié)果最佳,但時(shí)效性略差,故在實(shí)際應(yīng)用中需按側(cè)重點(diǎn)綜合考慮選擇解算模式。

2.2網(wǎng)外輔助站最佳數(shù)目的確定

方案:在區(qū)域網(wǎng)解算中,只加入中國大陸本土IGS站點(diǎn),又聯(lián)合加入其周邊國家均勻分布的基準(zhǔn)站點(diǎn)。試驗(yàn)一:只加入中國大陸本土站點(diǎn),方案如表4所示。

表4中國香港地區(qū)GPS氣象網(wǎng)加入長距離基準(zhǔn)站測試方案

方案加入的長距離IGS測站引入的測站數(shù)目/個(gè)方案一0方案二房山1方案三房山拉薩2方案四房山拉薩上海3方案五房山拉薩上海烏魯木齊4方案六房山拉薩上海烏魯木齊昆明5方案七房山拉薩上海烏魯木齊昆明長春6

分別從兩個(gè)角度去考慮驗(yàn)證,驗(yàn)證包括CORS網(wǎng)中的HKFN測站解算情況和加入的IGS站的求解結(jié)果精度。一般而言,加入IGS站不宜過多,否則影響數(shù)據(jù)解算效率,最多不超過所解網(wǎng)站址數(shù)目的一半(此例為6個(gè))。以HKFN粉嶺參考站為例,為驗(yàn)證合理數(shù)目的IGS站的選擇,分別將6個(gè)IGS輔助站聯(lián)立計(jì)算的對流層天頂延遲與無網(wǎng)外IGS輔助站、1個(gè)輔助站、2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)、5個(gè)計(jì)算的ZTD差值的均方根誤差和其均值誤差作比較,如表5所示。

表5　HKFN站ZTD解算精度比較

以加入的輔助站北京房山BJFS為例,比較方式類似于HKFN參考站,由于BJFS為IGS站,其官方給出了每天的高精度ZTD解算產(chǎn)品,可將此結(jié)果作為真值。分別把加入不同數(shù)目的參考站解算結(jié)果(BJFS站)與IGS服務(wù)公布的產(chǎn)品作對比,如表6所示。

表6　BJFS站ZTD解算精度比較

由表可見,當(dāng)不加入長距離輔助站時(shí),雙差解算結(jié)果為測站間的相對時(shí)延,并不能獲得各測站的ZTD絕對值;而加入一個(gè)長距離IGS站時(shí),CORS參考站的ZTD結(jié)果得到明顯改善(就HKFN來說),其較差均值和STD值迅速下降,直到加入4個(gè)輔助站時(shí)較差誤差為最優(yōu),可得出對于距離在100 km左右的小區(qū)域GPS監(jiān)測網(wǎng),IGS站選取4個(gè),并與CORS網(wǎng)站組成長基線,就可以減少站間相關(guān)性,達(dá)到天頂延遲解算的精度要求。而選取太多的基準(zhǔn)站對改善精度的效果已不是很明顯,在考慮解算效率和成本的基礎(chǔ)上,不宜使用過多IGS站,也避免了帶入測站誤差影響整體結(jié)果。同樣,對涉入的IGS站解算結(jié)果進(jìn)行分析(BJFS),與網(wǎng)內(nèi)參考站誤差結(jié)論的特性一致,也是取4個(gè)站為宜。

試驗(yàn)二:既加入中國大陸本土站點(diǎn),又聯(lián)合加入其周邊國家均勻分布的基準(zhǔn)站點(diǎn)。方案如表7所示。方案說明，所引入的4個(gè)站均位于中國香港區(qū)域網(wǎng)地理位置的東西南北,且較好地成均勻分布,而區(qū)域網(wǎng)近似在4個(gè)站連線交點(diǎn)處,大致而言只有基準(zhǔn)站距離區(qū)域網(wǎng)遠(yuǎn)近的不同。

表7　中國香港地區(qū)GPS氣象網(wǎng)加入長

結(jié)論:限于篇幅,略去此處圖形表格,研究分析誤差,當(dāng)加入的IGS站與CORS網(wǎng)所成幾何圖形越穩(wěn)定,也就是對稱性越好,并且當(dāng)CORS網(wǎng)處于東西南北IGS站連線的交匯點(diǎn)處,以構(gòu)成菱形網(wǎng)結(jié)果為最佳,本例以方案二圖形分布最好,所求ZTD精度最高。

2.3觀測時(shí)間長度和截止高度角的優(yōu)化

截取不同時(shí)間長度的GPS觀測數(shù)據(jù)解算對對流層延遲和基線向量的影響,從而確定最佳觀測時(shí)間。為便于驗(yàn)證和從結(jié)論的可靠性出發(fā),確保測站時(shí)間12點(diǎn)鐘的時(shí)間節(jié)點(diǎn)處于所選時(shí)間段的中間位置,實(shí)驗(yàn)方案如表8所示(對流層參數(shù)解算的時(shí)間分辨率為30 min),為了更好地進(jìn)行結(jié)果比對，以下方案均系用加入該CORS網(wǎng)形中的IGS站結(jié)果作分析驗(yàn)證，其實(shí)質(zhì)不變。

表8　不同觀測時(shí)間長度對GPS對流層延遲影響的方案

為比較不同時(shí)間長度對解算結(jié)果的影響,以上小節(jié)方案二加入的SHAO站為例,選取不同時(shí)段長的ZTD解算結(jié)果作為衡量指標(biāo),如表9所示。

表9　測站SHAO不同時(shí)間長度對對流層延遲的影響

由表可得,不同時(shí)段長度對解算結(jié)果(ZTD均值)的影響隨著觀測時(shí)間的延長有些許變化,其精度略微升高,在15 h處精度為最優(yōu),而15 h時(shí)長以后的精度不升反降,但卻只是毫米級(jí)別以下的偏差。然處理時(shí)間越長,時(shí)效性越差,綜合考慮解算時(shí)間和解算精度,該CORS網(wǎng)可取解算ZTD的最合適時(shí)段長度為15 h(當(dāng)然針對反演區(qū)域大氣可降水量,12 h時(shí)間長度比較更為適宜[4])。

就合適截止高度角的選取作分析,分別從5°、10°、15°、20°、25°這幾種方案來探索中國香港CORS網(wǎng)聯(lián)立的方案二中的PIMO站ZTD解算結(jié)果精度,認(rèn)為對比過程中IGS公布的ZTD產(chǎn)品為真值,利用12年年積日為001、002、003的三天數(shù)據(jù)解求可得,如圖1所示。

圖1　PIMO站不同截止角下的三天ZTD解精度比較

由圖可見,高度角越大,均方根誤差也會(huì)緩慢增大,當(dāng)高度角較小時(shí),能有效增加觀測數(shù)據(jù)數(shù)目和可見衛(wèi)星數(shù)目,建立更多有效觀測改良觀測結(jié)果。但截止高度角太低會(huì)造成噪聲誤差的干擾,綜合考慮此環(huán)境下合適的高度角應(yīng)設(shè)置為5°為宜。

2.4實(shí)際資料的端部效應(yīng)因素

研究方案:為研究區(qū)域網(wǎng)準(zhǔn)實(shí)時(shí)可降水量或者有關(guān)氣象的要素,平滑穩(wěn)定可靠的對流層解算是先驅(qū)保證。探索端部效應(yīng),將處理數(shù)據(jù)時(shí)段長設(shè)置為12 h,經(jīng)筆者研究,選擇截止高度角為5°,0.5 h時(shí)間分辨率條件時(shí)的端部效應(yīng)較低。以2012年第001日CORS網(wǎng)聯(lián)立的PIMO測站數(shù)據(jù)為例,分段解算九組數(shù)據(jù)(即為0～12,0.5～12.5,1～13一直到4～16 h一共九組數(shù)據(jù)),每組數(shù)據(jù)時(shí)間長度相同,但時(shí)間初節(jié)點(diǎn)和末節(jié)點(diǎn)不同,均延遲了半小時(shí),這樣形成相鄰數(shù)據(jù)時(shí)段重疊覆蓋的端口。比較上一組數(shù)據(jù)最后兩個(gè)值(也就是最后一小時(shí))和其相鄰下組數(shù)據(jù)對應(yīng)時(shí)間的倒數(shù)第三、倒數(shù)第二個(gè)值,作對應(yīng)時(shí)刻的對流層延遲較差(后組數(shù)據(jù)減去前組數(shù)據(jù),以前組數(shù)據(jù)的時(shí)段為基準(zhǔn)),求其平滑窗中尾部數(shù)據(jù)及其前一個(gè)時(shí)刻數(shù)值的受影響程度,如圖2所示,對端部效應(yīng)產(chǎn)生的對流層ZTD誤差進(jìn)行分析和研究,作出適當(dāng)結(jié)論,以期適當(dāng)取舍。

圖2　WUHN站ZTD端部效應(yīng)比較

由圖可見,平滑窗中倒數(shù)第二個(gè)較差的絕對值平均值均小于最后一個(gè),其算數(shù)平均值也基本滿足這一結(jié)論,即每段數(shù)據(jù)最后銜接點(diǎn)處的對流層延遲解算誤差比較大,最大可達(dá)分米級(jí),對于精密定位造成嚴(yán)重的誤差影響。高度截止角為3°和5°時(shí),端部效應(yīng)的影響比較接近,差別在毫米以下級(jí),而當(dāng)高度角為10°時(shí),端部效應(yīng)明顯增加,可達(dá)厘米級(jí)。就文中算例而言,選擇5°截止高度角下的30 min時(shí)間分辨率為最優(yōu),為解決端部效應(yīng)問題,需將最后一個(gè)結(jié)果刪除,其余數(shù)據(jù)資料保存應(yīng)用。

3結(jié)束語

本文就影響區(qū)域?qū)α鲗友舆t解算的幾種主要因素,提出并分析了不同方案,精確縝密、較為科學(xué)地優(yōu)化得出處理該類問題的數(shù)據(jù)處理方針。綜合來看,選取合適的處理方式會(huì)對處理效率和精度指標(biāo)有大幅度改進(jìn),可為該類問題解算研究提供一套完善的技術(shù)理論依據(jù)和實(shí)施策略。綜合考慮各種因素的影響,可適當(dāng)?shù)南鳒p或者規(guī)避對流層延遲的多方噪聲干擾,而精確的對流層時(shí)延用于水汽反演、大氣探測、數(shù)值預(yù)報(bào)等領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)的指導(dǎo)意義,可開辟新的商機(jī)和應(yīng)用,文中還有些細(xì)節(jié)欠缺考慮,而且環(huán)境因素,地理位置因素、不同季節(jié)因素、時(shí)空因素對區(qū)域的影響,將在下一步研究中繼續(xù)改進(jìn)完善。

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張宇(1992-),男,碩士生,主要從事精密定位,大氣影響等方面的研究工作。

赫金明(1962-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航與精密定位等方面的方向的研究。

Selection of Optimal Scheme in Resolving of Regional Tropospheric Delay

ZHANG Yu, HAO Jinming

(InstituteofNavigationandAerospaceTarget,UniversityofInformationEngineering,Zhengzhou450001,China)

Abstract:The sequence of precipitablewater,retrieved by tropospheric delay at quasi real-time,is the premise of weather forecasting in short time,especially the severe weather monitoring,thus the key of calculating results in high precision and meteorological products is which proper and even optimal computing method to be selected.From perspective of researching precision in data processing over tropospheric delay thoroughly,this paper summarizes several plans influencing quality of data results,as well as optimal strategies in data processing regarded as integrative and high reliability relatively are put forward by comparing and verifying synthetical susceptibility and effectiveness of various approaches composed by selection of elevation cutoff angle and observation time,choice of satellite ephemerides and computing methods,also decision of whether auxiliary stations should be add in or not and determination of its best number and impaction of end effect as well,it provides a reference and help for GPS data processors and related professional students having a better understanding and mastery for this content.

Keywords:Tropospheric delay; data processing; auxiliary station; susceptibility

作者簡介

中圖分類號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-9268(2016)01-0049-06

收稿日期：2015-11-12

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.01.009

資助項(xiàng)目: 裝備預(yù)研基金項(xiàng)目(編號(hào)：9140A24011314JB52001)

聯(lián)系人： 張宇 E-mail: 1043299398@qq.com