基于區(qū)域CORS網(wǎng)天頂對(duì)流層延遲4D建模研究*

劉立龍 黃良珂 姚朝龍 顏 偉 劉貴云

(1)桂林理工大學(xué)測(cè)繪地理信息學(xué)院，桂林 541004 2)廣西空間信息與測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，桂林 541004 3)湖南省地質(zhì)測(cè)繪院，衡陽421001)

基于區(qū)域CORS網(wǎng)天頂對(duì)流層延遲4D建模研究*

劉立龍1，2)黃良珂1，2)姚朝龍1，2)顏 偉3)劉貴云3)

(1)桂林理工大學(xué)測(cè)繪地理信息學(xué)院，桂林 541004 2)廣西空間信息與測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，桂林 541004 3)湖南省地質(zhì)測(cè)繪院，衡陽421001)

利用區(qū)域CORS網(wǎng)參考站的天頂對(duì)流層信息建立了一種不需要?dú)庀髷?shù)據(jù)，只與時(shí)間和位置有關(guān)的天頂對(duì)流層延遲新模型。通過廣西CORS網(wǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，與反距離加權(quán)法和移去恢復(fù)法進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，新模型計(jì)算的天頂對(duì)流層值平均精度為8.5 mm，尤其在下雨天，新模型計(jì)算的天頂對(duì)流層延遲精度比其他兩種方法有顯著提高。將新模型法應(yīng)用于測(cè)站PWV值估計(jì)，其平均精度為1.5 mm。

區(qū)域CORS;天頂對(duì)流層延遲;4D建模;反距離加權(quán)法;移去恢復(fù)法

1 前言

對(duì)流層延遲是影響GPS定位精度的主要因素，常用的削弱對(duì)流層延遲的模型是建立在全球性的經(jīng)驗(yàn)對(duì)流層改正模型上的，如Hopfield模型和Saanstamonien模型［1］。由于在不同地區(qū)和季節(jié)對(duì)流層變化較大［2］，若將經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)用于區(qū)域精密單點(diǎn)定位［3］、InSAR大氣改正［4，5］等高精度GPS測(cè)量時(shí)，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ碗y以滿足要求。

近年來，隨著CORS網(wǎng)的建立，許多學(xué)者利用已知參考站的精密對(duì)流層延遲信息來建立區(qū)域的對(duì)流層延遲模型。目前，對(duì)于區(qū)域?qū)α鲗友舆t改正模型主要有反距離加權(quán)法、Kriging法［6，7］、移去恢復(fù)法［8］與投影延拓法［9］等。反距離加權(quán)法和Kriging法計(jì)算簡(jiǎn)單，但只適用于區(qū)域較小、地勢(shì)平坦的地區(qū)，其中Kriging法需要依賴更多的已知參考站個(gè)數(shù)，文獻(xiàn)［8］的模型精度依賴于經(jīng)驗(yàn)對(duì)流層模型的精度和氣象元素的精度，而文獻(xiàn)［9］的模型具有較高的對(duì)流層改正精度，在高海拔地區(qū)，也能保證較高的精度，但其模型需要較精確的氣象元素。針對(duì)上述問題，本文利用參考站的已知天頂對(duì)流層信息建立了一種不需要任何氣象元素，只與時(shí)間和測(cè)站位置有關(guān)的天頂對(duì)流層延遲新模型，該模型充分考慮了對(duì)流層在高程方向和水平方向上的影響。本文使用廣西CORS網(wǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用GAMIT軟件解算CORS網(wǎng)中參考站的天頂對(duì)流層延遲，將新模型法與反距離加權(quán)法和移去恢復(fù)法進(jìn)行對(duì)比，并將新模型法應(yīng)用于參考站大氣水汽估計(jì)，與GAMIT估算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 數(shù)據(jù)來源

選取廣西CORS網(wǎng)10個(gè)CORS站2010年4月22日，5月30日，2011年6月8日，6月30日和8月4日共5天的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，每個(gè)測(cè)站每天一個(gè)觀測(cè)文件，采樣間隔為15秒，并且選取廣西CORS網(wǎng)周圍的3個(gè)國(guó)際IGS跟蹤站(西安、北京、武漢)的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，其中廣西CORS站和氣象站的點(diǎn)位分布如圖1所示。

圖1 廣西CORS站和氣象站點(diǎn)位分布Fig.1 Distribution of CORS and meteorological stations in Guangxi

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

采用GAMIT軟件對(duì)廣西CORS站進(jìn)行天頂對(duì)流層(Zenith Tropspheric Delay，ZTD)估計(jì)。估計(jì)時(shí)先驗(yàn)天頂對(duì)流層ZTD采用Saastamonien模型計(jì)算，解算時(shí)，每?jī)尚r(shí)選取一個(gè)待估參數(shù)，氣象條件選取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。由于GAMIT估算的天頂對(duì)流層延遲精度優(yōu)于1 cm［10］，因此本文算例分析以GAMIT軟件解算的天頂對(duì)流層延遲作為真值。

3 新模型的建立

圖2(a)為JZ01CORS站5天的天頂對(duì)流層時(shí)間序列，圖2(b)為2011年8月4日不同參考站的對(duì)流層時(shí)間序列。由圖2(a)看出，同一測(cè)站在不同季節(jié)，其對(duì)流層是變化的，而且沒有規(guī)律;由圖2(b)看出，在同一時(shí)間不同測(cè)站，對(duì)流層亦是變化的，但是各個(gè)測(cè)站的對(duì)流層變化趨勢(shì)基本相同，因此，可以通過各參考站對(duì)應(yīng)時(shí)刻的已知天頂對(duì)流層延遲建立與時(shí)間和位置有關(guān)的區(qū)域?qū)α鲗友舆t模型。相關(guān)研究表明，對(duì)流層延遲在水平方向上存在線性變化關(guān)系［11，12］，為此，在高程方向上，筆者還通過多時(shí)段和不同測(cè)站的天頂對(duì)流層統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)天頂對(duì)流層與高程存在著近似負(fù)指數(shù)關(guān)系，因此，提出新模型的表達(dá)式為:

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 新模型的精度檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證新模型的精度，選取廣西CORS網(wǎng)中JZ01、JZ09、JZ17、JZ19、JZ22和JZ25為已知參考站，JZ05、JZ18、JZ26測(cè)站作檢核使用，實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)楸本?1°～25°，東經(jīng)107.5°～110.5°。利用2011年8月4日6個(gè)參考站GAMIT解算的已知天頂對(duì)流層延遲數(shù)據(jù)，對(duì)比分析反距離加權(quán)法和移去恢復(fù)法的精度。對(duì)于移去恢復(fù)法，其經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎肧aastamonien模型，由于無法獲取參考站實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)，采用參考站周邊的氣象站實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)計(jì)算獲得［14］，通過以上數(shù)據(jù)求解出三種模型的參數(shù)，利用三種模型分別計(jì)算對(duì)應(yīng)時(shí)刻的JZ05、JZ18、JZ26測(cè)站的天頂對(duì)流層值，并將模型計(jì)算的天頂對(duì)流層值與GAMIT估計(jì)值作比較，結(jié)果如表1和圖3所示。

圖2 天頂對(duì)流層延遲的時(shí)間序列Fig.2 Time series of the zenith tropospheric delay

從表1和圖3可知，在該實(shí)驗(yàn)條件下，移去恢復(fù)法精度最差，其平均中誤差為34.5 mm，反距離加權(quán)法次之，平均中誤差為16.9 mm，顯然新模型法計(jì)算的天頂對(duì)流層延遲精度優(yōu)于其他兩種方法，達(dá)到了mm級(jí)的精度。

圖3 不同模型天頂對(duì)流層延遲精度比較Fig.3 Comparison between zenith tropospheric delay accuracy with different models

為了進(jìn)一步驗(yàn)證新模型法在惡劣天氣的適用情況，選取JZ12測(cè)站作為檢核驗(yàn)證。由于JZ12測(cè)站靠近廣西北部灣海域，且在2011年8月4日為降雨。將三種模型計(jì)算的天頂對(duì)流層延遲與GAMIT估計(jì)值作比較，結(jié)果如圖4。

由圖4可知，新模型法計(jì)算天頂對(duì)流層延遲的最大誤差為18.1 mm，最小為0.4 mm，中誤差為12 mm;反距離加權(quán)法的最大誤差為50.7 mm，最小為14.3 mm，中誤差為34.1 mm;移去恢復(fù)法的最大誤差是74.2 mm，最小為4.0 mm，中誤差為41.9 mm，故新模型法明顯優(yōu)于其他兩種方法，因此在下雨天新模型法也能保證其較高的精度。由于JZ12測(cè)站下雨，而且會(huì)引起相關(guān)氣象條件的急劇變化，而且JZ12靠近海域，則與已知參考站的高差較大，因此會(huì)使反距離加權(quán)法和移去恢復(fù)法造成精度損失。而新模型法考慮了對(duì)流層延遲在高程方向和水平方向上的影響，故能有效地減少其精度損失。

圖4 不同模型在JZ12CORS站的精度對(duì)比Fig.4 Comparison of the accuracies at JZ12CORS station with different models

利用新模型法建立的2011年8月4日不同時(shí)刻的實(shí)驗(yàn)區(qū)域的天頂對(duì)流層延遲分布如圖5所示。

4.2 新模型法用于大氣水汽總量(PWV)估計(jì)

用新模型法估計(jì)大氣水汽時(shí)，選用Saastamonien模型計(jì)算天頂對(duì)流層干延遲(ZHD)，對(duì)于大氣加權(quán)平均溫度(Tm)與測(cè)站地面溫度(Ts)的方程，選用適合我國(guó)東部地區(qū)(東經(jīng)100°～130°，北緯20°～50°)全年的回歸方程為［16］

將新模型法估計(jì)的大氣水汽含量與GAMIT估計(jì)對(duì)比分析結(jié)果如圖6所示。

表1 不同模型天頂對(duì)流層延遲殘差統(tǒng)計(jì)(單位：m)Tab.1 Statistics of the residuals of zenith tropospheric delay with different models(unit：m)

圖5 新模型法建立的天頂對(duì)流層延遲分布Fig.5 Distribution of the zenith tropospheric delay with new model

圖6 新模型法估計(jì)的PWV時(shí)間序列Fig.6 Time series of the estimated PWV values with new model

由圖6看出，新模型法估計(jì)的大氣水汽總量與GAMIT估算的比較吻合。若以GAMIT估算的PWV值作為參考值，那么用新模型估計(jì)的 JZ05、JZ12、JZ18、JZ26測(cè)站的 PWV的誤差分別為1.5、1.9、1.2、1.5 mm，由此看出，用新模型法估計(jì)的PWV值具有較高的精度，本算例中其精度接近1～2 mm。由于新模型只與時(shí)間和測(cè)站位置有關(guān)，故在一定程度上能提高PWV分布的時(shí)空分辨率。

5 結(jié)論

本文提出的天頂對(duì)流層延遲新模型不需要任何氣象元素，只需要根據(jù)CORS網(wǎng)參考站的天頂對(duì)流層信息進(jìn)行建模，新模型只與時(shí)間和測(cè)站位置有關(guān)，且計(jì)算簡(jiǎn)單。通過廣西CORS網(wǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了反距離加權(quán)法和移去恢復(fù)法的精度，結(jié)果表明，新模型法計(jì)算天頂對(duì)流層延遲的平均精度為8.5 mm，尤其在下雨天，新模型法的精度明顯優(yōu)于上述兩種方法，且能保證12 mm的精度;同時(shí)，將新模型法應(yīng)用于測(cè)站PWV值估計(jì)，其估計(jì)的PWV值的平均精度為1.5mm，且能提高PWV分布的時(shí)空分辨率。由于新模型不需要?dú)庀髤?shù)，只與時(shí)間和位置有關(guān)，因此，在InSAR大氣改正等高精度導(dǎo)航定位中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

致謝 衷心感謝廣西省測(cè)繪局為實(shí)驗(yàn)提供CORS網(wǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)!

1 劉基余.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.(Liu Jiyu.Theory and method of GPS satellite Navigation/Positioning［M］.Beijing:Science Press，2003)

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RESEARCH ON 4D MODELING FOR ZENITH TROPOSHPERIC DELAYS BASED ON REGIONAL CORS NETWORK

Liu Lilong1，2)，Huang Liangke1，2)，Yao Chaolong1，2)，Yan Wei3)and Liu Guiyun3)

(1)College of Geomatic Engineering and Geoinformatics，GUT，Guilin 541004 2)Guangxi Key Laboratory of Spatial Information and Geomatics，Guilin 541004 3)Institute of Geological Surveying and Mapping of Hunan Province，Hengyang421001)

A new model is established for estimation of zenith tropospheric delays from regional CORS data which does not require any meteorological data and only related to the time and position of the station.By compared with the inverse distance weighting method and the remove and recovery method using measured data from Guangxi CORS，the results show a significant improvement on the calculated accuracy with new model，that the average accuracy is about 8.5mm，especially in the rainy day.Besides，the average accuracy of the new model used to estimate the surface PWV values of CORS station is about 1.5 mm.

regional CORS;zenith tropospheric delay;4D modeling;inverse distance weighting method;remove and recovery method

1671-5942(2012)03-0045-05

2012-03-25

國(guó)家自然科學(xué)基金(41064001);廣西空間信息與測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題(1103108-06);廣西研究生教育創(chuàng)新劃項(xiàng)目(2010105960816M29)

劉立龍，男，1974年生，博士，教授，研究方向:GPS技術(shù)及應(yīng)用.E-mail:hn_liulilong@163.com

P207

A