郭海林，姜英明

利用RTKLIB提取對(duì)流層延遲方法與精度評(píng)估

郭海林1，姜英明2

（1 千尋位置網(wǎng)絡(luò)有限公司，上海 200438；2 山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，濟(jì)南 250100）

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以進(jìn)行精確的水汽估算，能夠成功地應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)中，比如數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型。利用精密單點(diǎn)定位技術(shù)提取天頂對(duì)流層延遲，采用RTKLIB開(kāi)源軟件進(jìn)行靜態(tài)精密單點(diǎn)定位解算并提取天頂對(duì)流層延遲估值，并與國(guó)際GNSS服務(wù)IGS提供的參考值進(jìn)行比較，評(píng)估其對(duì)流層解算精度。選取中國(guó)3個(gè)IGS觀測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明RTKLIB可以獲得厘米級(jí)的對(duì)流層解算精度。

RTKLIB；精密單點(diǎn)定位；天頂對(duì)流層延遲

0 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）越來(lái)越多地應(yīng)用于全球用戶的位置估計(jì)，然而人們對(duì)它們?cè)趯?duì)流層中用于水汽的感知能力知之甚少，Bevis等人成功地引入了一種被稱為GPS氣象學(xué)方法的概念[1]，從那時(shí)起學(xué)者們?cè)谶@一領(lǐng)域進(jìn)行了許多研究，但多年來(lái)僅將GPS系統(tǒng)用于GPS氣象研究。在最近的時(shí)間里，這個(gè)術(shù)語(yǔ)從GPS氣象學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)镚NSS氣象學(xué)，開(kāi)始使用其他GNSS系統(tǒng)（例如GLONASS、BDS和Gallieo）來(lái)研究GNSS氣象學(xué)[2-4]。但是在本研究中，除非另有說(shuō)明，否則僅處理來(lái)自GPS衛(wèi)星的信號(hào)，因此GNSS僅指GPS。

從GNSS衛(wèi)星傳播到地面接收器的信號(hào)會(huì)進(jìn)入地球大氣的2個(gè)部分，即電離層和對(duì)流層。由于電離層是1～2 GHz GNSS信號(hào)頻率的分散介質(zhì)，因此可以通過(guò)適當(dāng)組合2個(gè)不同頻率的信號(hào)來(lái)消除其影響。相反，對(duì)流層是描述信號(hào)的非分散介質(zhì)，因此其影響不能直接從觀測(cè)中消除，但是可以通過(guò)參數(shù)進(jìn)行精確估計(jì)。對(duì)于放置在平均海面上的接收器而言，其對(duì)流層延遲在天頂方向上大約為2.3 m，此參數(shù)稱為天頂對(duì)流層延遲（Zenith Tropospheric Delay，ZTD），是GNSS氣象處理的主要結(jié)果。總延遲可以分為干延遲部分（Zenith Hydrostatic Delay，ZHD）和濕延遲部分（Zenith Wet Delay，ZWD）。干延遲部分占總延遲的80～90％，并且在空間和時(shí)間上的變化遠(yuǎn)小于濕延遲部分，可以使用Saastamoinen模型（Saastamoinen 1972）精確地計(jì)算[5]。量化并分離后，可以將轉(zhuǎn)換為水汽含量，此參數(shù)表示GNSS接收器上方天頂方向的水汽總量，以毫米為單位。

Zumberge等人在20世紀(jì)90年代后期提出了精密單點(diǎn)定位（Precise Point Positioning，PPP）技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)使用精密軌道時(shí)鐘產(chǎn)品和高精度載波相位觀測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度厘米級(jí)定位[6]。在實(shí)際應(yīng)用中，PPP技術(shù)只需要在單個(gè)接收器上就可以獲得厘米級(jí)的地理坐標(biāo)，這使得獲取定點(diǎn)信息更加方便，并且在實(shí)際操作中相對(duì)簡(jiǎn)單，能更好地滿足航空等領(lǐng)域的定位需求，為各項(xiàng)事業(yè)的發(fā)展奠定重要的技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)PPP技術(shù)中的估計(jì)參數(shù)含有對(duì)流層信息，可以用于估計(jì)對(duì)流層延遲。本文的研究目的是評(píng)估RTKLIB軟件庫(kù)的PPP解算提取對(duì)流層延遲的精度，并評(píng)估其對(duì)GNSS氣象學(xué)的應(yīng)用潛力。

1 利用RTKLIB提取對(duì)流層延遲方法

RTKLIB是一個(gè)開(kāi)源程序包，可以利用GNSS觀測(cè)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)和精密定位。其提供了許多功能，包括各種定位（偽距單點(diǎn)定位、精密單點(diǎn)定位和差分定位）、各種格式的數(shù)據(jù)和協(xié)議、GNSS數(shù)據(jù)編輯和可視化工具等。它包含可執(zhí)行應(yīng)用程序，可用在圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）和命令行用戶界面（Command-line User Interface，CUI）版本中使用。本文利用的RTKLIB版本為2.4.3，利用RTKPOST執(zhí)行程序進(jìn)行PPP解算并提取對(duì)流層信息。

RTKLIB中的PPP支持以下3種模式：動(dòng)態(tài)PPP（測(cè)量過(guò)程中接收器處于移動(dòng)狀態(tài)）、靜態(tài)PPP（測(cè)量過(guò)程中接收器位置處于靜態(tài)）和固定PPP（接收器的坐標(biāo)固定在已知位置，坐標(biāo)參數(shù)不用估計(jì)）。本文在提取對(duì)流層參數(shù)時(shí)，使用靜態(tài)PPP模式，原始輸入觀測(cè)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)格式的RINEX觀測(cè)文件，精密軌道鐘差產(chǎn)品使用IGS事后精密產(chǎn)品。本文研究?jī)H使用GPS星座。PPP整個(gè)估算過(guò)程都基于擴(kuò)展的卡爾曼濾波器，在進(jìn)行PPP解算時(shí)RTKLIB提供了各種模型改正，包括衛(wèi)星、接收機(jī)天線相位中心偏差、變化改正，固體潮、海洋潮汐改正、相對(duì)論效應(yīng)和相位纏繞改正等。

利用PPP技術(shù)提取對(duì)流層時(shí)，通常采用無(wú)電離層組合觀測(cè)值消除電離層一階項(xiàng)的影響，無(wú)電離層組合PPP觀測(cè)方程如式（1）～式（2）所示[7-8]：

PPP解算時(shí)各誤差改正如表1所示。

表1 PPP解算各項(xiàng)誤差改正

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了評(píng)估利用RTKLIB提取對(duì)流層的精度，實(shí)驗(yàn)選取2020年年積日為294天采樣間隔為30 s的 3個(gè)IGS中國(guó)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)（BJFS站、JFNG站和LHAZ站），截止高度角設(shè)置為10°，利用RTKLIB的PPP解算出，然后分別將處理得到的結(jié)果與IGS提供的對(duì)應(yīng)站的結(jié)果進(jìn)行比較，由于IGS提供的的間隔為300 s，因此將RTKLIB得到的的間隔重采樣為300 s后再進(jìn)行比較。在分析精度時(shí)，同時(shí)也對(duì)3個(gè)測(cè)站的衛(wèi)星數(shù)、三維位置精度因子（Position Dilution of Precision，PDOP）以及多徑組合觀測(cè)值（Multipath Observation，MP）進(jìn)行了分析。

3個(gè)IGS站的衛(wèi)星數(shù)和值時(shí)間序列圖如圖1所示，圖中橫坐標(biāo)為GPS時(shí)間，縱坐標(biāo)為衛(wèi)星數(shù)或者值，圖中上半部分為衛(wèi)星數(shù)，下半部分代表。由圖1可知，3個(gè)IGS測(cè)站的GPS可用衛(wèi)星數(shù)在6～12顆，大部分時(shí)間段均能保持在 7顆以上；3個(gè)測(cè)站的PDOP值大部分時(shí)間小于4，這能夠保障PPP解算獲得較好的對(duì)流層精度。對(duì)比衛(wèi)星數(shù)和P值可以發(fā)現(xiàn)，值與衛(wèi)星數(shù)有強(qiáng)相關(guān)性，通常情況下衛(wèi)星數(shù)越多，值越??；衛(wèi)星數(shù)越少，值越大。

圖2 3個(gè)IGS站SNR、MP和高度角時(shí)間序列圖

3個(gè)IGS站的信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）、多路徑誤差（Multipath Error，ME）和高度角時(shí)間序列圖如圖2所示。由圖2可知，3個(gè)測(cè)站的信噪比、多路徑誤差和衛(wèi)星分布均比較正常，但是JFNG測(cè)站的信噪比要略差于其他2個(gè)測(cè)站，LHAZ站的信噪比和多徑誤差指標(biāo)均優(yōu)于其他2個(gè)測(cè)站。

圖3 3個(gè)IGS站對(duì)流層誤差時(shí)間序列圖

利用RTKLIB提取的3個(gè)IGS站的誤差時(shí)間序列圖如圖3所示。由圖3可知其精度在厘米級(jí)，BJFS站和JFNG站后面時(shí)間段的對(duì)流層誤差時(shí)序有一個(gè)凸起，主要受該時(shí)間段衛(wèi)星數(shù)較少和值偏大影響，LHAZ站對(duì)流層誤差在該時(shí)間段沒(méi)有太明顯凸起，與該時(shí)間段的值相對(duì)較好，且該測(cè)站數(shù)據(jù)質(zhì)量也較好（信噪比和多徑誤差指標(biāo)均很好）有關(guān)。分別統(tǒng)計(jì)3個(gè)站的精度的值，結(jié)果分別為0.026 m、0.033 m和0.038 m。

3 結(jié)語(yǔ)

利用PPP技術(shù)可以對(duì)天頂對(duì)流層延遲進(jìn)行精確估計(jì)，從而進(jìn)行精確水汽估算，并成功地應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)中。本文研究利用PPP技術(shù)提取ZTD，并采用RTKLIB開(kāi)源軟件進(jìn)行靜態(tài)PPP解算并提取ZTD估值，將處理的ZTD結(jié)果與IGS提供的參考值進(jìn)行比較，評(píng)估其對(duì)流層的解算精度。選取中國(guó)3個(gè)IGS觀測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明利用RTKLIB可以獲得厘米級(jí)的對(duì)流層解算精度，3個(gè)站的ZTD解算精度分別為0.026 m、0.033 m、0.038 m。

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Retrieving of Tropospheric Delays from RTKLIB and Accuracy Evaluation

GUO Hailin, JIANG Yingming

The accurate water vapor can be estimated by Global Navigation Satellite System, it also can be successfully applied to weather forecasts, such as numerical weather prediction models. The paper uses precise point positioning technology to retrieve the zenith tropospheric delay, retrieving the zenith tropospheric delay from the precise point positioning module in RTKLIB. Compares with the reference value provided by IGS to evaluate its accuracy of tropospheric resolution. The observation data of three IGS stations in China are selected for experiment, and the results show that RTKLIB can obtain the cm-level accuracy of the zenith tropospheric delay.

RTKLIB; Precise Point Positioning; Zenith Tropospheric Delay

P228.4

A

1674-7976-(2021)-03-188-04

2021-03-04。郭海林（1992.09-），湖北利川人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)镻PP定位及完好性監(jiān)測(cè)。