劉邢巍，許超鈐，吳寒，蒲德祥，高翔

(1.重慶市地理信息中心,重慶 401127;2.武漢大學(xué) 測繪學(xué)院,湖北 武漢 430079)

0 引 言

對流層和電離層是地球近地空間環(huán)境中兩個重要的組成部分,是靠近地球表面且與人類生活聯(lián)系最密切的大氣圈層[1].研究掌握水汽變化的時空特性有助于了解水汽循環(huán)路徑,可為暴雨、寒流、臺風(fēng)等災(zāi)害天氣災(zāi)前信息的獲取與預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持和依據(jù),對于研究氣候環(huán)境變化和改善氣象預(yù)報水平具有重要科學(xué)和現(xiàn)實意義[2-3].研究電離層總電子密度(TEC)的時空變化可以探測和研究電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu),地磁暴對電離層的影響,電離層對太陽耀斑的響應(yīng),電離層三維結(jié)構(gòu)的層析反演和監(jiān)測地震電離層異常[1].

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)技術(shù)不僅能提供時空基準位置服務(wù),還能利用其信號在經(jīng)過電離層、對流層時受到的延遲影響反演時空環(huán)境的變化.隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位連續(xù)運行基準站系統(tǒng)(CORS)的大規(guī)模建設(shè)與應(yīng)用,利用密集的CORS網(wǎng)可以獲取實時的多維水汽、電離層分布信息,相對于傳統(tǒng)的大氣探測手段,具有連續(xù)運行、成本低、精度高、不受天氣影響等諸多優(yōu)點.重慶市建立了覆蓋全市的衛(wèi)星導(dǎo)航定位CORS[4-5],本文基于重慶CORS研究了對流層水汽含量及三維電離層層析方法,并基于web搭建了相關(guān)產(chǎn)品發(fā)布平臺,對于監(jiān)測短時突發(fā)的天氣現(xiàn)象、研究電離層精細形態(tài)變化具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實意義.

1 算法設(shè)計

1.1 基于PPP的對流層水汽含量反演方法

基于GNSS估算站點上空PWV的方法包括非差和雙差,其中,雙差只能計算得到測站之間的相對對流層延遲,非差可以獲得測站上空絕對對流層延遲.本文基于非差精密單點定位(PPP)技術(shù)研究大氣可降水量(PWV)的估算方法.PPP 技術(shù)利用IGS 發(fā)布的精密軌道和鐘差改正數(shù),基于無電離層組合方程,利用地表實測氣壓及對流層延遲模型消除對流層天頂流體靜力學(xué)延遲(ZHD)誤差,利用經(jīng)驗?zāi)Ｐ拖渌`差項,經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理:粗差探測及剔除、周跳探測,并將天頂濕延遲隨同其他未知參數(shù)利用卡爾曼濾波一起估計.PPP完整的觀測方程為

=ρ+c(dt-dT)+dorb+dtrop+dmult/PIF+

ε(P1+P2)，

(1)

=ρ+c(dt-dT)+dorb+dtrop+

(2)

將IGS精密衛(wèi)星星歷和鐘差引入,可以得到最終的定位誤差方程:

(3)

(4)

式中：PIF、ΦIF分別為偽距和相位觀測值；上標′ 表示經(jīng)過精密衛(wèi)星星歷和鐘差改正的相應(yīng)的觀測值;ρ為衛(wèi)星到測站的幾何距離;dt為衛(wèi)星鐘差,dT為接收機鐘差;dtrop為對流層參數(shù)(由投影函數(shù)和天頂對流層參數(shù)構(gòu)成);dmult為多路徑影響;N為無電離層組合的整周模糊度參數(shù);ε為觀測值的隨機誤差.

天頂總延遲(ZTD)、天頂濕延遲(ZWD)與水汽含量(PWV)的關(guān)系可以表達為

ZWD=ZTD-ZHD，

PWV=Π×ZWD，

(5)

1.2 三維電離層電子密度反演方法

本文采用基于像素基的電離層層析方法求解其電子密度,利用經(jīng)驗電離層模型計算值作為初值進行迭代解算,得到反演區(qū)域的電子密度值[6-8].

圖1 電離層層析幾何分布示意圖

基于像素基的電離層層析算法中電子密度重構(gòu)是典型的求反問題,即基于觀測到的STEC來重構(gòu)待反演區(qū)域的電子密度三維分布信息.

將待反演的觀測區(qū)域進行三維格網(wǎng)化,如圖1所示,GNSS衛(wèi)星信號的傳播路徑可以近似地看成直線.事先選取一組合適的基函數(shù)b(r)模型化待反演的電離層電子密度

(6)

式中:J為所選基函數(shù)的個數(shù)；xj(j=1,2, …,J)表示基函數(shù)的系數(shù).對每條射線路徑上電離層總電子密度(STEC)值:

(i=1,2,…,M).

(7)

(8)

將式(8)用向量的形式表示,得:

(9)

1.3 實時衛(wèi)星軌道鐘差產(chǎn)品獲取方法

IGS 實時服務(wù)產(chǎn)品(RTS)于2013年4月1日正式上線運行,實時發(fā)布精密軌道和鐘差改正產(chǎn)品,以及部分IGS GNSS跟蹤站的觀測數(shù)據(jù),實時數(shù)據(jù)流編碼格式為國際海運事業(yè)無線電技術(shù)委員會(RTCM)標準類型的編碼格式.在獲取到授權(quán)后利用Ntrip協(xié)議即可從IGS提供的網(wǎng)絡(luò)地址獲取實時數(shù)據(jù)流.

在獲取到實時數(shù)據(jù)流產(chǎn)品后,需要在廣播星歷軌道和鐘差計算值的基礎(chǔ)上進行改正,軌道和鐘差的改正公式分別為

rP=r-

(10)

(11)

在普通衛(wèi)星導(dǎo)航電文的基礎(chǔ)上得到的實時精密衛(wèi)星星歷和鐘差產(chǎn)品,需要將其寫入標準的SP3文件和CLK文件中,以便于程序調(diào)用.

2 平臺構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

采用B/S架構(gòu)構(gòu)建了基于重慶CORS的水汽電離層實時監(jiān)測平臺，如圖2所示,主要包括對流層水汽含量監(jiān)測模塊和電離層電子密度含量監(jiān)測模塊,各模塊具體流程如下:

1)對流層水汽含量監(jiān)測.平臺接入重慶CORS站實時觀測數(shù)據(jù)流,并實時接收IGS精密軌道和精密鐘差RTS,采用PPP技術(shù)估計各CORS站上空的大氣總延遲,利用全球加權(quán)平均溫度模型將大氣總延遲中的濕延遲轉(zhuǎn)換為大氣水汽含量,得到所有CORS站天頂上空的大氣水汽含量,采用克里金插值法將所述大氣水汽含量進行插值處理,獲得特定時間分辨率與特定空間分辨率的區(qū)域大氣水汽含量.

圖2 平臺主界面

2)電離層電子密度含量監(jiān)測.平臺接入重慶CORS站實時觀測數(shù)據(jù)流,并利用IGS精密軌道和精密鐘差RTS進行STEC估計,生成各CORS站與衛(wèi)星之間的斜路徑電子總含量,然后利用電離層三維層析技術(shù)實時計算區(qū)域上空電離層電子密度,實現(xiàn)電離層電子密度的三維實時監(jiān)測.平臺總體架構(gòu)如圖3所示.

圖3 平臺總架構(gòu)示意圖

2.2 平臺示例

平臺發(fā)布的產(chǎn)品包括重慶CORS基準站(站點分布如圖4所示)覆蓋范圍內(nèi)的水汽含量及電離層電子密度含量產(chǎn)品.以北京時間2018年9月23日-9月24日為例,這段時間天氣情況如表1和圖5所示.雖然PWV并不等同于實際降水量,但可以反映出強對流天氣前的PWV變化趨勢.圖6是9月23日-9月24日期間基準站上空PWV變化圖,從整體趨勢可以看出,9月23日白天PWV整體較低(30 mm以下),從9月23日夜間開始PWV逐漸上升,水汽的輸送路徑可能是由西向東方向,9月24日12:00左右達到暴雨級別.可以看出,反演出的PWV與氣象臺發(fā)布的天氣信息吻合度高.反演得到的實時二維、三維電離層電子密度含量產(chǎn)品(如圖7所示),不僅可用于對電離層與雷電等災(zāi)害的關(guān)聯(lián)性進行研究改善預(yù)警,還可利用電離層變化提高短時間尺度的精確預(yù)報,此外,重慶位于中低緯度地區(qū),中午時段電離層較為活躍,精確估算電離層對于消除定位誤差具有重要意義.

表1 天氣情況

圖4 平臺總架構(gòu)示意圖

圖5 2018年9月23日20時-26日8:00降水預(yù)報圖

圖7 電離層層析成像分布圖

3 結(jié)束語

本文基于重慶CORS搭建了重慶市水汽電離層監(jiān)測平臺,能實時穩(wěn)定地提供基于GPS、GLONASS和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)的高時空分辨率區(qū)域?qū)α鲗友舆t產(chǎn)品,以及毫米級精度的PWV產(chǎn)品,為改善短期臨近的精細化氣象預(yù)報提供高精度可靠的數(shù)據(jù)依據(jù);實時提供高時空分辨率的電離層二維、三維產(chǎn)品,為研究電離層精細形態(tài)變化提供科學(xué)數(shù)據(jù).此外,對流層、電離層產(chǎn)品,是定位服務(wù)中最主要的兩個誤差源,對兩者進行高精度建模對于提高并管理定位精度,依據(jù)用戶等級分級提供不同精度位置服務(wù)都具有重要的意義.作為測繪創(chuàng)新技術(shù)成果的推廣平臺,能監(jiān)測時空環(huán)境變化并為相關(guān)科學(xué)研究工作提供數(shù)據(jù)支撐和實時產(chǎn)品服務(wù),有效地拓寬了測繪科學(xué)技術(shù)的服務(wù)領(lǐng)域,為其他省市開展基于CORS的增值服務(wù)提供了一定的參考.