章 迪

武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079

對(duì)流層延遲是指電磁波信號(hào)穿透中性大氣層時(shí)速度和路徑均發(fā)生改變的效應(yīng)，具有非色散性，無(wú)法通過(guò)多頻組合方式消除；由于水汽具有典型的時(shí)空非平穩(wěn)特征，難以對(duì)非流體靜力學(xué)分量進(jìn)行精確建模。如何妥善處理對(duì)流層延遲，是提高GNSS定位精度的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。

通常將任意高度角方向的對(duì)流層斜延遲表達(dá)為天頂延遲與映射函數(shù)的乘積。鑒于GNSS參數(shù)估計(jì)過(guò)程中通過(guò)給定精確的天頂流體靜力學(xué)延遲(ZHD)，繼而對(duì)天頂非流體靜力學(xué)延遲(ZWD)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，論文重點(diǎn)針對(duì)ZHD模型和映射函數(shù)模型展開(kāi)研究，對(duì)二者的發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題進(jìn)行了剖析；系統(tǒng)論述了在大氣折射率域進(jìn)行射線(xiàn)追蹤的原理和方法，研究了重要參數(shù)和關(guān)鍵算法；利用fortran語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了射線(xiàn)追蹤軟件WHURT。論文的主要研究工作和結(jié)論如下。

(1) 歸納總結(jié)了射線(xiàn)追蹤的基本原理，重點(diǎn)對(duì)大氣折射率計(jì)算、氣象元素內(nèi)插與外推、水汽壓轉(zhuǎn)換、高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換及地球曲率半徑等關(guān)鍵算法進(jìn)行了分析討論。開(kāi)發(fā)了射線(xiàn)追蹤軟件WHURT，能基于探空氣球觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)或數(shù)值天氣模型精確計(jì)算任意高度角和方位角上的對(duì)流層延遲。

(2) 基于全球分布的91個(gè)探空站4年的氣象數(shù)據(jù)，對(duì)兩個(gè)ZHD模型(Saastamoinen和Hopfield模型)及多個(gè)氣象元素經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?STP、UNB3m、GPT、GPT2、GPT2w)的精度進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明各模型誤差均具有一定的緯度相關(guān)性。在氣象元素模型中，GPT2和GPT2w的精度最高。ZHD模型中Saastamoinen模型優(yōu)于Hopfield模型，但存在約-3 mm的系統(tǒng)偏差；擬合了改進(jìn)的Saastamoinen模型，與射線(xiàn)追蹤結(jié)果的吻合程度達(dá)到亞毫米級(jí)。

(3) 分析了目前GNSS數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用最為廣泛的3種映射函數(shù)(NMF、VMF1和GMF)在我國(guó)境內(nèi)的適用性。選取了我國(guó)境內(nèi)8個(gè)代表性探空氣球站點(diǎn)2012年全年的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，與WHURT計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)各映射函數(shù)計(jì)算的流體靜力學(xué)延遲偏差多表現(xiàn)為系統(tǒng)性，而非流體靜力學(xué)延遲偏差多呈現(xiàn)隨機(jī)性；NMF在中國(guó)站點(diǎn)普遍呈現(xiàn)季節(jié)性偏差，且誤差存在較強(qiáng)的緯度相關(guān)性，其中hNMF是緯度越高、誤差越大，wNMF是緯度越低、誤差越大；VMF1在絕大部分站點(diǎn)的精度最高，但在部分站點(diǎn)如ZHHH(武漢)、ZGCS(長(zhǎng)沙)等也存在較大的季節(jié)性偏差；GMF的精度介于NMF與VMF1之間。

(4) 論述了映射函數(shù)擬合的基本原理和方法，研究了三階連分式系數(shù)的取位精度?；跉W洲中尺度氣象預(yù)報(bào)中心提供的高時(shí)空分辨率產(chǎn)品Era-Interiam，利用WHURT進(jìn)行射線(xiàn)追蹤得到了對(duì)流層斜延遲，結(jié)果表明：在不同方位角上，不論是流體靜力學(xué)還是非流體靜力學(xué)分量，對(duì)流層延遲的差異是普遍存在的，其中后者的各向異性明顯高于前者，在低高度角處可以達(dá)到分米級(jí)；通過(guò)對(duì)同一高度角不同方位斜延遲序列取均值后計(jì)算映射因子，擬合了新的映射函數(shù)WHMF，在衛(wèi)星殘差、基線(xiàn)內(nèi)符合性和ZTD估計(jì)精度幾個(gè)方面都要優(yōu)于VMF1。

(5) 通過(guò)零基線(xiàn)試驗(yàn)證明：如果在基線(xiàn)解算過(guò)程中進(jìn)行對(duì)流層天頂延遲和梯度估計(jì)，對(duì)基線(xiàn)的N和E分量的影響在亞毫米級(jí)；對(duì)于U分量的影響不到2 mm，且通過(guò)多時(shí)段平均后能有效地減弱此影響。通過(guò)對(duì)一條高差約為156 m、長(zhǎng)度約為1.2 km的短基線(xiàn)進(jìn)行解算發(fā)現(xiàn)：不估計(jì)對(duì)流層延遲造成了測(cè)站間8 mm的大地高差偏差；表明當(dāng)兩測(cè)站的高差較大時(shí)，即使基線(xiàn)長(zhǎng)度較短，模型改正和雙差也不能完全消除對(duì)流層延遲的影響。因此，不論基線(xiàn)長(zhǎng)短，在基線(xiàn)解算時(shí)都應(yīng)盡量對(duì)天頂延遲和梯度進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，以削弱對(duì)流層延遲誤差對(duì)于定位的影響。