王郁茗,邵利民,張尚悅

(1.海軍大連艦艇學(xué)院 軍事海洋系,遼寧 大連 116018;

基于BDS反演海上氣象要素的研究

王郁茗1,邵利民1,張尚悅2

(1.海軍大連艦艇學(xué)院 軍事海洋系,遼寧 大連 116018;

2.海軍大連艦艇學(xué)院 航海系,遼寧 大連 116018)

海洋大氣環(huán)境對(duì)艦船航行及作戰(zhàn)有至關(guān)重要的影響,海上空中氣象信息的獲取依賴于探空手段的發(fā)展,然而艦船海上探空技術(shù)受制于常規(guī)方法和儀器設(shè)備的局限性而存在諸多現(xiàn)實(shí)問(wèn)題,大大降低了艦船遠(yuǎn)海航行安全性及艦載武備的使用效能。本文針對(duì)該問(wèn)題提出艦基BDS反演海上氣象要素技術(shù),研究基于地基BDS氣象要素反演理論實(shí)現(xiàn)海上艦基反演技術(shù)的可行性,分析了海上反演氣象要素存在的主要問(wèn)題,并對(duì)解決相關(guān)問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)提出了研究設(shè)想。

艦船;北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);氣象要素;反演

0 引 言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的衛(wèi)星信號(hào)穿過(guò)大氣層時(shí),會(huì)受其折射影響引起傳輸路徑的偏折和時(shí)延效應(yīng)的發(fā)生,而信號(hào)的延遲與大氣參數(shù)之間具有很好的相關(guān)性,可通過(guò)反演技術(shù)得到整層大氣的溫度、壓力、濕度、水汽等氣象要素信息,這種技術(shù)稱為GNSS氣象學(xué),目前該技術(shù)應(yīng)用于大氣探測(cè)基本上基于美國(guó)全球定位系統(tǒng)(GPS),且利用GPS開(kāi)展氣象應(yīng)用已取得一定的成果,一般稱為GPS氣象學(xué)[1-2]。北斗系統(tǒng)(BDS)是我國(guó)出于國(guó)防與國(guó)家安全、國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全等因素而自主研制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),隨著其技術(shù)日臻成熟,近幾年,基于BDS的氣象要素探測(cè)技術(shù)逐步發(fā)展起來(lái)。高為廣、張清華和張強(qiáng)等[3-5]對(duì)北斗系統(tǒng)的系統(tǒng)性能、觀測(cè)質(zhì)量、模型精度等進(jìn)行了評(píng)估,證明BDS具備大氣探測(cè)的基本條件。潘文超[6]利用PANDA軟件對(duì)2013年多個(gè)北斗數(shù)據(jù)接收站點(diǎn)的BDS原始接收數(shù)據(jù)進(jìn)行解算,將解算數(shù)據(jù)與GPS解算結(jié)果進(jìn)行比對(duì),結(jié)果表明BDS解算精度與GPS相當(dāng)。田耀佳[7]利用靜態(tài)精密單點(diǎn)定位軟件,基于國(guó)際GNSS服務(wù)中心(IGS)發(fā)布的BDS精密星歷和精密鐘差,給出了BDS估算天頂延遲結(jié)果,并與GPS估算結(jié)果比較,結(jié)果表明,利用BDS估計(jì)的對(duì)流層天頂延遲精度與GPS相當(dāng)。施闖[8]對(duì)恩施、宜昌、荊州、咸寧和孝感等5個(gè)GNSS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)分別進(jìn)行基于BDS與GPS的數(shù)據(jù)處理分析,結(jié)果表明,BDS水汽處理結(jié)果與GPS較一致,BDS水汽探測(cè)較好地反映了實(shí)際大氣可降水量的變化情況,可應(yīng)用于大氣水汽含量等氣象要素的探測(cè)。

海上氣象條件對(duì)海軍活動(dòng)有至關(guān)重要的影響,包括艦船的安全航行,艦載武備使用等。然而,海上大氣探測(cè)受制于常規(guī)方法和儀器設(shè)備的局限性,尤其在深遠(yuǎn)海的大氣環(huán)境信息的獲取上存在諸多現(xiàn)實(shí)問(wèn)題,若能利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)探測(cè)海上氣象要素,可彌補(bǔ)目前探測(cè)手段的不足。目前,地基BDS氣象要素探測(cè)已取得初步進(jìn)展,而以艦船等海上平臺(tái)為載體的BDS氣象要素探測(cè)研究成果尚不多見(jiàn),本文探討了基于BDS反演海上氣象要素技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可行性,分析了該技術(shù)應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題,并對(duì)相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)提出了前景展望。

1 BDS反演氣象要素基本原理及反演精度比較

當(dāng)BDS信號(hào)穿過(guò)50 km以下的中性大氣層(包括對(duì)流層和平流層)時(shí),會(huì)受到其折射影響,如圖1所示,G為衛(wèi)星到接收機(jī)的幾何直線路徑,S為實(shí)際傳播路徑,大氣以兩種方式影響電磁波的傳播路徑,一是傳播路徑由直線變成彎曲的路徑,二是與在真空相比,電磁波的傳播速度減慢效應(yīng)。這兩種影響都是沿射線傳播路徑上大氣折射指數(shù)的變化造成的。在大地測(cè)量學(xué)的精密定位測(cè)量中,大氣折射的影響被當(dāng)作主要誤差源而要設(shè)法消除掉,而在GNSS氣象學(xué)中卻被加以利用。通過(guò)構(gòu)造BDS信號(hào)延遲量于氣象要素的函數(shù)關(guān)系,即可得到相應(yīng)的氣象產(chǎn)品。

圖1 BDS信號(hào)通過(guò)大氣層的傳播路徑S和幾何直線路徑G

1.1基于BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)反演氣溫和氣壓

信號(hào)傳播在時(shí)間上的延遲等效于傳播路徑長(zhǎng)度的增加,增加的路徑表示為

(1)

式中:c0為真空中的光速;Δt為信號(hào)實(shí)際傳播的時(shí)間;c為信號(hào)在大氣中傳播速度;n(s)是大氣折射指數(shù),S是沿L的路徑長(zhǎng)度。上式第二行第一項(xiàng)積分項(xiàng)是減慢項(xiàng),第二項(xiàng)是彎曲項(xiàng),為彎曲路徑與幾何直線路徑之差。其中信號(hào)的彎曲量很小,當(dāng)信號(hào)接收仰角超過(guò)15°時(shí),彎曲路徑與幾何直線路徑的差小于1 cm,一般忽略不計(jì),而信號(hào)的減慢項(xiàng)造成的延遲量很大。大氣的折射特性是BDS反演氣象要素的基礎(chǔ),大氣折射指數(shù)n(s)和大氣折射率N(s)是兩個(gè)重要的概念,且兩者關(guān)系為N(s)=106(n(s)-1). 大氣折射參數(shù)與大氣天頂總延遲量ΔL存在函數(shù)關(guān)系,具體為

(2)

式中,ΔL為由BDS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)解算得到的高精度延遲信息。通過(guò)式(2)可得大氣折射參數(shù),再根據(jù)大氣折射參數(shù)與氣溫和氣壓的關(guān)系,通過(guò)構(gòu)造相應(yīng)函數(shù),可反演出氣溫和氣壓的數(shù)值。例如,0.5%精度的對(duì)流層大氣折射率可表述為溫度和氣壓的函數(shù),函數(shù)關(guān)系可表示為

N(s)=77.6(P/T)+3.73×105(e/T2) ，

(3)

式中:P為大氣壓強(qiáng)(hpa);e為水汽分壓(hpa);T為大氣溫度(K)。

1.2基于BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)反演水汽含量

大氣天頂總延遲與天頂靜力延遲ΔLh,天頂濕延遲ΔLw和電離層延遲ΔLe有關(guān)。即ΔL可寫(xiě)成:

ΔL=ΔLh+ΔLw+ΔLe.

(4)

通過(guò)構(gòu)造天頂濕延遲與水汽含量的函數(shù)關(guān)系可求解出大氣水汽含量。ΔLe可通過(guò)雙頻北斗接收機(jī)消除掉,ΔLh可應(yīng)用Saastamoinen、Hopfield或Black等模型精確計(jì)算出。從BDS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)解算得到的大氣天頂總延遲量ΔL中扣除用上述方法求得的天頂電離層延遲和天頂靜力延遲,即可獲得天頂濕延遲,其值約為0～50 cm.再根據(jù)式(5),式(6)和式(7)反演氣象要素中的水汽信息[9]。

W=Π×ΔLw,

(5)

(6)

(7)

1.3BDS反演對(duì)流層濕延遲精度與GPS結(jié)果對(duì)比分析

選取三個(gè)GNSS測(cè)站分別利用BDS與GPS反演對(duì)流層濕延遲,將反演結(jié)果精度進(jìn)行對(duì)比分析,如圖2所示。

圖2 BDS與GPS對(duì)流層濕延遲反演精度比較(a)CUT0 測(cè)站6月份;(b)DAE2測(cè)站11月份;(c)DAE2測(cè)站11月份

如圖2所示,圖2(a)示出了CUT0測(cè)站6月份的反演結(jié)果,BDS與GPS反演結(jié)果平均偏差為1.5 mm;圖2(b)示出了DAE2測(cè)站11月份的反演結(jié)果,BDS與GPS反演結(jié)果平均偏差為1.2 mm;圖2(c)示出了DAE2測(cè)站11月份的反演結(jié)果,BDS與GPS反演結(jié)果平均偏差為1.4 mm.由此可證BDS反演結(jié)果與GPS相當(dāng),精度較高,可用于氣象要素的獲取。

2 BDS反演海上氣象要素研究意義

海上BDS氣象要素反演是地基BDS反演由陸地向海洋的延伸,也是BDS應(yīng)用的拓展。連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度地獲取海上氣象信息,可提高艦船的海上大氣信息獲取和氣象保障能力,使艦船逐步減小對(duì)近岸保障的依賴性。

2.1海上大氣環(huán)境信息的獲取

海洋由于缺少測(cè)站,只能獲取沿岸海域的大氣環(huán)境信息,深遠(yuǎn)海域則無(wú)法獲取。將此技術(shù)應(yīng)用于艦船上可實(shí)現(xiàn)無(wú)須添加任何大型設(shè)備、僅需要將現(xiàn)有艦載北斗接收機(jī)添加軟件處理模塊和體積較小的天線設(shè)備,并且無(wú)需占用太多艦船空間和消耗探空氣球和探空儀等裝備,就可以通過(guò)接收的BDS原始觀測(cè)數(shù)據(jù),處理反演得到艦船所在海域的氣象要素信息,填補(bǔ)艦船航行時(shí)無(wú)法全面實(shí)時(shí)獲取海上大氣環(huán)境信息的空白。利用北斗反演氣象要素技術(shù),所測(cè)氣象要素信息可為訓(xùn)練和作戰(zhàn)的戰(zhàn)場(chǎng)指揮決策提供參考依據(jù),既有軍事效益又有經(jīng)濟(jì)效益。

2.2海上氣象保障業(yè)務(wù)應(yīng)用

目前的相關(guān)研究大多是依賴岸基,如實(shí)現(xiàn)艦基的北斗反演,就可以利用獲取的資料,結(jié)合接收到的岸基常規(guī)氣象探測(cè)資料,一起嵌入氣象保障部門的氣象信息分析處理系統(tǒng)并同化到相關(guān)的數(shù)值預(yù)報(bào)模式中,提高數(shù)值預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率,同時(shí)利用獲取的海上空中氣象數(shù)據(jù),可開(kāi)展艦船自主式氣象保障研究。這在一定程度上可彌補(bǔ)海上資料稀少的缺陷,從而得到更詳細(xì)、準(zhǔn)確的保障產(chǎn)品,提高氣象保障的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。進(jìn)一步講,所獲取的氣象資料經(jīng)過(guò)分析積累和實(shí)際保障研究,可以建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù),優(yōu)化預(yù)報(bào)模型,最終形成適用于艦船海上訓(xùn)練和作戰(zhàn)的氣象保障模型,從而減少艦船對(duì)岸基氣象保障的依賴性,實(shí)現(xiàn)艦船的海上完全自主氣象保障,可大大提高艦船深遠(yuǎn)海訓(xùn)練、作戰(zhàn)和保障能力。

3 基于BDS反演海上氣象要素關(guān)鍵技術(shù)展望

目前,地基BDS氣象要素探測(cè)已取得初步進(jìn)展,而以海上平臺(tái)為載體的BDS氣象要素探測(cè)還是該領(lǐng)域的空白,海上環(huán)境復(fù)雜多變和艦船的動(dòng)態(tài)特征增加了該技術(shù)的復(fù)雜性、多變性和研究難度,需進(jìn)一步深入探討和研究。

3.1BDS海上氣象要素反演須深入研究的問(wèn)題

1) 遠(yuǎn)海動(dòng)態(tài)氣象要素提取。國(guó)外研究GNSS氣象學(xué)的學(xué)者研究分析,當(dāng)海上移動(dòng)平臺(tái)至地基GNSS參考站的距離較近(如54 km以內(nèi))時(shí),采用GNSS雙差相對(duì)定位技術(shù)進(jìn)行海洋動(dòng)態(tài)氣象信息提取,能夠較好地利用差分信號(hào)削弱電離層的影響,從而取得較好的對(duì)流層延遲估算結(jié)果。RTK技術(shù)就是將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)給艦載接收機(jī),進(jìn)行差分解算坐標(biāo),當(dāng)艦載BDS接收機(jī)至地基參考站的距離為幾百海里甚至上千海里時(shí),此種雙差相對(duì)定位方法常常是不可行的,參數(shù)估計(jì)的精度也會(huì)隨著基線長(zhǎng)度的增加而降低[10-11],制約了遠(yuǎn)海氣象要素的獲取。

2) 海上BDS信號(hào)斜路徑濕延遲估算。BDS信號(hào)的斜路徑濕延遲包括各向同性部分、各向異性部分以及未模型化部分。 其中各向同性部分與方位角無(wú)關(guān),可由天頂對(duì)流層濕延遲分量(ΔLw)和濕延遲映射函數(shù)相乘得到;各向異性部分則是考慮水汽分布的不對(duì)稱性影響,隨方位角的不同而有所變化,可由大氣水平梯度改正模型得到;未模型化的延遲部分主要來(lái)自于映射函數(shù)、水平梯度改正等的模型誤差、多路徑效應(yīng)、接收機(jī)鐘差的殘余影響等。在反演計(jì)算中,未模型化的延遲部分是影響B(tài)DS信號(hào)斜路徑濕延遲估算的主要因素之一。

3.2關(guān)鍵技術(shù)研究展望

1) 當(dāng)艦船于遠(yuǎn)海航行時(shí),傳統(tǒng)雙差相對(duì)定位精度會(huì)隨著基線長(zhǎng)度的增加而降低,因此不宜采用。精密單點(diǎn)定位法(PPP)指利用一個(gè)測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行天頂對(duì)流層延遲估計(jì),沒(méi)有作用距離的限制,無(wú)需引入遠(yuǎn)距離參考站即可得到天頂對(duì)流層絕對(duì)延遲估計(jì)[12-13]。因此PPP法更加適用于遠(yuǎn)海動(dòng)態(tài)氣象要素提取。但由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變、艦船的動(dòng)態(tài)特征及海面多路徑效應(yīng)等因素的存在,PPP的估算精度會(huì)受到影響。在接下來(lái)的研究中可通過(guò)增加修正的水平梯度模型、艦船動(dòng)態(tài)特征估計(jì)等方法提高PPP法測(cè)算精度。

2) BDS斜路徑延遲中未模型化的部分一般被吸收到驗(yàn)后殘差中,各種誤差模型的參數(shù)化、精確化,及非差模糊度固定等均會(huì)影響PPP法解算精度,如何盡可能減小非大氣部分的影響,從驗(yàn)后殘差中提取非模型化的延遲部分,也是在應(yīng)用PPP法解算對(duì)流層延遲時(shí)需要對(duì)其改進(jìn)之處。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于陸基BDS反演氣象要素基本原理,研究艦船海上BDS氣象要素反演技術(shù),在海上大氣環(huán)境信息獲取和海上氣象保障業(yè)務(wù)應(yīng)用中都具有重要的研究意義,能夠填補(bǔ)艦船航行時(shí)無(wú)法全面實(shí)時(shí)獲取海上大氣環(huán)境信息的技術(shù)空白,彌補(bǔ)目前探測(cè)手段的不足。BDS海上反演氣象信息技術(shù)需解決兩個(gè)問(wèn)題:

1) 遠(yuǎn)海動(dòng)態(tài)氣象要素的提取;

2) 海上BDS信號(hào)斜路徑濕延遲估算。

針對(duì)以上問(wèn)題,展望研究通過(guò)增加修正的水平梯度模型、艦船動(dòng)態(tài)特征估計(jì)等方法改進(jìn)精密單點(diǎn)定位(PPP)技術(shù),提高PPP法用于海上北斗反演的精度。

[1] BOERS R, TREGONING P, O′BRIEN D. Accuracy of absolute precipitable water vapor estimates from GPS observ-ations[J].Journal of Geophysical Research,1998,103(D22): 28701-28710.

[2] 李國(guó)平.地基GPS水汽監(jiān)測(cè)技術(shù)及氣象業(yè)務(wù)化應(yīng)用系統(tǒng)的研究[J]. 大氣科學(xué)學(xué)報(bào),2011,34(4):385-392.

[3] 高為廣,蘇牡丹.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)試運(yùn)行服務(wù)性能評(píng)估[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2012,37(11):1352-1355.

[4] 張清華,隋立芬.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號(hào)誤差統(tǒng)計(jì)分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2014,39 (3):271-274.

[5] 張強(qiáng),趙齊樂(lè),等.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)Klobuchar模型精度評(píng)估[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2014, 39(2):142-146.

[6] 潘文超,郝金明,劉偉平,等. 北斗區(qū)域系統(tǒng)解算對(duì)流層天頂延遲比對(duì)分析[J]. 全球定位系統(tǒng),2014,39(4):12-15.

[7] 田耀佳,趙振維,朱慶林，等. 基于北斗的精密單點(diǎn)定位估計(jì)對(duì)流層天頂延遲精度分析[J]. 全球定位系統(tǒng),2014,39(6):11-14.

[8] 施闖,王海深,曹云昌,等.基于北斗衛(wèi)星的水汽探測(cè)性能分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2016,41(3):285-289.

[9] 郭巍,尹球,杜明斌，等. 利用地基北斗站反演大氣水汽總量的精度檢驗(yàn)[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2015，26(3):346-353.

[10] CHADWELL C D, BOCK Y. Direct estimation of absolute precipitable water in oceanic regions by GPS tracking of a coastal buoy [J].Geophysical Research Letters,2001,28(19): 3701-3704.

[11] SCHULER T. GNSS meteorology on moving platforms-advances and limitation in kinematic water vapor estimation[J].Inside GNSS,2006(4):56-60.

[12] BISNATH S, GAO Y. Precise point positioning[J]. GPS World, 2009, 20(4350): 4.

[13] 范士杰,劉焱雄,張健. PPP與GAMIT/TRACK在地震監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 測(cè)繪科學(xué),2013(2):184-186.

ResearchforMaritimeMeteorologicalElementsInversionUsingShip-BasedBDS

WANGYuming1,SHAOLimin1,ZHANGShangyue2

(1.Dept.ofMilitaryOceanography,DalianNavalAcademy,Dalian116018,China;2.Dept.ofNavigation,DalianNavalAcademy,Dalian116018,China)

The marine atmospheric environment has important influence on navigating and fighting. The acquisition of meteorological information in the sea depends on the development of sounding means. However, the marine sounding technology is limited by conventional methods and instruments. Greatly reducing the safety of ships navigational and naval combat effectiveness of the use of weapons. In this paper,propose maritime battlefield meteorological elements inversion using ship-based BDS to solve the problem. Study feasibility of this technology based on ground-based BDS Meteorological Elements inversion theory. Analyze the main problems of maritime battlefield meteorological elements inversion. And prospect the key techniques about solving the related issues.

Warship; BeiDou Navigation Satellite System;meteorological elements; inversion

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.04.010

P228.4

A

1008-9268(2017)04-0055-05

2017-03-06

聯(lián)系人: 王郁茗 E-mail: dlwangyuming@163.com

王郁茗(1990-),男,博士研究生,研究方向?yàn)檐娛潞胶０踩Ｕ吓c防護(hù)技術(shù)。

邵利民(1963-),男,教授,博導(dǎo),研究方向?yàn)檐娛潞胶０踩Ｕ吓c防護(hù)技術(shù)。

張尚悅(1970-),男,教授,研究方向?yàn)檐娛潞胶５睦碚撆c方法。