影響GPS遙感大氣水汽含量的因素分析＊

張洛愷，楊 力，李 婧，2

（1.信息工程大學(xué)，河南 鄭州450001；2.61363部隊(duì)，陜西 西安710054）

0 引 言

隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)的飛速發(fā)展，它的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在地球動(dòng)力學(xué)、大地測(cè)量學(xué)、地球物理學(xué)、氣象學(xué)、災(zāi)害預(yù)報(bào)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代國際上興起了基于全球定位系統(tǒng)探測(cè)大氣水汽含量的新技術(shù)——GPS氣象學(xué)（GPS／MET），這種遙感水汽的方法具有高精度、高時(shí)空分辨率，長期穩(wěn)定，不受天氣影響，無需校正，費(fèi)用低廉等特點(diǎn)，利用GPS進(jìn)行大氣水汽探測(cè)能很好地克服傳統(tǒng)技術(shù)面臨的問題[1－2]。

1 地基GPS反演水汽基本原理

地球中性大氣對(duì)GPS信號(hào)的傳播會(huì)帶來路徑延遲，通常的做法是將每一個(gè)測(cè)站天頂延遲作為未知數(shù)進(jìn)行估算，通過干、濕映射函數(shù)投影到信號(hào)傳播路徑上。實(shí)際觀測(cè)中，由于大氣各向異性的影響，還應(yīng)加入大氣水平梯度，由此GPS信號(hào)傳播路徑上的中性大氣延遲模型如下：

大氣干項(xiàng)比較穩(wěn)定，因此干延遲可通過測(cè)站地面的溫度、氣壓根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸烙?jì)出來，進(jìn)而分離出濕延遲。國內(nèi)外研究較多的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀蠬opfield、Saastamoinen、Black、UNB3、EGNOS和SHAO模型等[4]。獲取濕延遲后，可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為與氣象有關(guān)的大氣可降水量（PWV），他們的關(guān)系可表示為[5]：

式中，轉(zhuǎn)換因子Π是中性大氣層加權(quán)平均溫度的函數(shù)Tm，可取近似值0.15[6].

2 GAMIT反演水汽流程

GAMIT是由美國麻省理工學(xué)院（MIT）和美國加利福尼亞大學(xué)SCRIPPS海洋研究所研制的高精度定軌、定位GPS數(shù)據(jù)分析軟件。GAMIT軟件基于Fortran編寫，采用雙差解算方法，具有處理結(jié)果準(zhǔn)確、運(yùn)算速度快、版本更新周期短等優(yōu)點(diǎn)，且開放源代碼，因此在國內(nèi)應(yīng)用廣泛。利用GAMIT軟件解算出的天頂對(duì)流層延遲總量和可降水量精度均可達(dá)到mm量級(jí)。利用GAMIT反演大氣水汽含量時(shí)可將參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 GAMIT／GLOBK中部分參數(shù)設(shè)置

研究結(jié)果表明：在氣象變化劇烈和低高度截止角情況下，附加水平梯度的對(duì)流層延遲模型有利于提高ZTD精度[7]。GAMIT軟件中的梯度模型為

式中：C＝0.003，GE、GN分別為東西方向和南北方向的大氣水平梯度；e為高度角；α為方位角。

GAMIT反演可降水量的流程主要分為表文件準(zhǔn)備，配置文件設(shè)置、星歷文件準(zhǔn)備、測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、定位解算和水汽反演。GAMIT反演可降水量流程圖如圖1所示。

圖1 GAMIT反演可降水量流程圖

3 實(shí)例分析

3.1 參考站選取

地基GPS局域網(wǎng)中計(jì)算每個(gè)測(cè)站PWV時(shí)，先要進(jìn)行定位解算，以國際GNSS服務(wù)（IGS）提供的武漢站wuhn為待測(cè)點(diǎn)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中總結(jié)的參考站選取原則[8]，選擇附近均勻分布的3個(gè)全球IGS超級(jí)跟蹤站上海shao、北京bjfs、昆明kunm作為參考站，如圖2所示。由于相近測(cè)站對(duì)于同一顆衛(wèi)星高度角幾乎相等，GPS信號(hào)的傳輸路徑和所受大氣延遲量也基本相同，所以天頂方向延遲具有強(qiáng)相關(guān)性，這種相關(guān)性很容易在測(cè)站間求差而消除掉，使得解得的PWV值呈現(xiàn)出一種系統(tǒng)偏差[9]。解算時(shí)，為保證計(jì)算精度，其中對(duì)參考站bjfs、shao、kunm，加入長度超過500km的長基線以減小解算過程相關(guān)性，獲取絕對(duì)PWV值[10]。

圖2 站點(diǎn)分布圖

3.2 解算結(jié)果精度評(píng)定

采用IGS最終精密星歷，截止高度角為GAMIT默認(rèn)的10°，采用13個(gè)對(duì)流層參數(shù)，計(jì)算出wuhn站在2012年第101至105天中兩小時(shí)間隔的ZTD值、PWV值以及它們的中誤差，由于篇幅限制只將101天的基線邊解算精度如表2所示。

表2 基線邊解算精度

該天解算的Q文件中標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差NRMS平均值為0.16，滿足一般要求的0.5[11]，基線解算的精度在10－9，滿足地殼形變分析要求的10－7，這為大氣水汽反演的精度奠定了基礎(chǔ)。查看其它幾天Q文件，基線解算精度同樣滿足要求。

根據(jù)武漢實(shí)際氣象資料按照氣象文件格式編寫了M文件，反演了武漢站可降水量。其中ZTD中誤差最大值為14.20mm，最小值為5.30mm，平均值為7.90mm，PWV的中誤差最大值為1.97 mm，最小值為0.85mm，平均值為1.27mm，解算的精度較高。將GAMIT的ZTD結(jié)果與IGS機(jī)構(gòu)下的CODE中心提供的參考值比較，最大偏差達(dá)到15.80mm，平均偏差為2.33mm，標(biāo)準(zhǔn)差為5.28mm。這是由于GAMIT軟件計(jì)算ZTD值采用精確線性模型（plecewisehnear），計(jì)算得到的結(jié)果相對(duì)平滑，但離散性較差[12]。探空值獲取時(shí)刻為12點(diǎn)和0點(diǎn)，將解算結(jié)果與IGRA提供的探空值分別求差，最大值為10.86mm，平均值為2.03 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為3.58mm.另外計(jì)算時(shí)沒有采用適合當(dāng)?shù)氐拇髿饧訖?quán)平均溫度模型，而是采用GAMIT默認(rèn)設(shè)置，這對(duì)反演精度也會(huì)產(chǎn)生影響。

3.3 對(duì)流層參數(shù)個(gè)數(shù)設(shè)置

在GAMIT配置文件sestbl.中可設(shè)置對(duì)流層延遲參數(shù)的個(gè)數(shù)，一般可取13、25、49，分別對(duì)應(yīng)的時(shí)間分辨率為2h，1h，0.5h?，F(xiàn)采用事后精密星歷，截止高度角設(shè)為10°，將不同對(duì)流層參數(shù)解算的ZTD與IGS提供的參考值進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示?？梢钥闯鏊鼈兊内厔?shì)與IGS提供的參考值一致，分別將13參數(shù)、25參數(shù)、49參數(shù)ZTD值與IGS參考值的作差，差值非常接近，最大值依次為15.80mm、17.60mm、19.40mm，較差平均值依次為2.33mm、0.12mm、0.93mm，標(biāo)準(zhǔn)差依次為5.28mm、6.87mm、7.13mm.圖4示出了不同對(duì)流層參數(shù)解算PWV值對(duì)比，三條曲線走勢(shì)一致，兩兩之間差值最大不超過1mm.由于大氣水汽增量與降水量關(guān)系密切[2]，三種方案的解算結(jié)果與武漢2012年4月10日的降雨實(shí)情相符，在大氣水汽總量迅速增加后的6～7h，即當(dāng)天14點(diǎn)至15點(diǎn)，降雨量達(dá)到了8mm，可見三種方案在中小尺度天氣預(yù)報(bào)中都能起到災(zāi)前提醒和預(yù)防的作用。

圖3 不同對(duì)流層參數(shù)解算天頂延遲量對(duì)比

圖4 不同對(duì)流層參數(shù)解算PWV值對(duì)比

實(shí)際應(yīng)用中，在精度符合要求的情況下我們往往要求提供的信息能更及時(shí)，從而對(duì)災(zāi)害事件的把握和防范就更充分，天氣預(yù)報(bào)一般需要在半小時(shí)甚至更短的時(shí)間內(nèi)提供新的信息，故0.5h的時(shí)間分辨率也更滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。

3.4 衛(wèi)星星歷精度對(duì)PWV的影響

實(shí)驗(yàn)分別利用IGS提供的超快星歷IGU的預(yù)報(bào)部分和實(shí)測(cè)部分、快速星歷IGR、事后星歷IGS對(duì)whun站可降水量進(jìn)行解算，對(duì)流層參數(shù)個(gè)數(shù)設(shè)為25，截止高度角10°.星歷相關(guān)信息如表3所示，不同星歷解算天頂延遲量對(duì)比如圖5所示。

表3 衛(wèi)星星歷及其精度

圖5 不同星歷解算天頂延遲量對(duì)比

圖6 不同星歷解算PWV值對(duì)比

將ZTD結(jié)果與IGS參考值比較，超快星歷預(yù)報(bào)部分得到的平均偏差0.89mm大于實(shí)測(cè)部分的0.31mm，快速星歷的0.27mm和最終星歷的0.12mm.超快星歷預(yù)報(bào)、超快星歷實(shí)測(cè)、快速星歷、最終星歷與參考值較差的標(biāo)準(zhǔn)差很接近，依次為6.94mm、6.84mm、6.91mm 和6.87mm.圖6示出了不同星歷解算的PWV值，快速星歷和最終星歷反演結(jié)果幾乎相等，超快速星歷解算的PWV值與它們相差僅在1mm以內(nèi)，由此可見，超快速星歷預(yù)報(bào)部分引起的誤差是可以接受的。

3.5 截止高度角設(shè)置

衛(wèi)星高度角的變化影響著衛(wèi)星的空間幾何分布，從而影響對(duì)測(cè)站的坐標(biāo)、對(duì)流層延遲量等的解算精算，通過設(shè)置高度角還可以減小多路徑效應(yīng)的影響。圖7示出了所有觀測(cè)站高度角統(tǒng)一設(shè)置5°、10°、15°、20°和25°時(shí)的ZTD 值，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高度角取15°時(shí)解算結(jié)果與IGS提供ZTD的參考值符合最好，5°到25°的標(biāo)準(zhǔn)差（mm）依次為：6.87、6.87、6.37、7.07、8.53.對(duì) 比PWV 值 和IGRA 探空值發(fā)現(xiàn)高度角大于20°時(shí)，GPS遙感水汽值偏差較大，20°以下相差則較小，如圖8所示，因此不建議采用截止高度角大于20°。

圖7 所有站設(shè)置某高度角時(shí)的天頂延遲量

圖8 所有站設(shè)置某高度角時(shí)PWV值

為進(jìn)一步驗(yàn)證，將待測(cè)站wuhn的高度角設(shè)置為5°到25°不等，其他測(cè)站均設(shè)置15°，計(jì)算出PWV值并與探空值比較，所得結(jié)論同上，即當(dāng)所有測(cè)站高度角設(shè)置為15°時(shí)精度最佳。圖9示出了設(shè)置不同高度角時(shí)與探空值比較得到的標(biāo)準(zhǔn)差。

圖9 不同高度角PWV值標(biāo)準(zhǔn)差

4 結(jié) 論

文中列出了利用GAMIT計(jì)算大氣水汽含量時(shí)的一些常用參數(shù)設(shè)置和計(jì)算的注意事項(xiàng)，如考慮控制站幾何布局，以及加入大于500km的控制站以減小解算過程的相關(guān)性等。GAMIT基線解算精度的保證，為大氣水汽的反演奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與IGS提供的天頂對(duì)流層延遲量吻合良好，實(shí)驗(yàn)解算PWV的中誤差在1mm左右。

通過設(shè)置不同天頂對(duì)流層延遲參數(shù)個(gè)數(shù)，解算不同時(shí)間分辨率的可降水量，它們相差在1mm以內(nèi)。因此在精度滿足要求的情況下，往往選擇半小時(shí)甚至15min提供一次信息，故將對(duì)流層參數(shù)設(shè)為49也更滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。星歷精度對(duì)水汽含量的計(jì)算也有一定影響，但目前IGS提供的超快速星歷、快速星歷、事后星歷計(jì)算出PWV相差都在1mm以內(nèi)，因此采用超快速星歷能夠滿足實(shí)時(shí)水汽監(jiān)測(cè)的要求。研究了截止高度角對(duì)GPS反演可降水量的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)將截止高度角設(shè)為15°時(shí)遙感大氣水汽含量的精度最高。

致謝：感謝美國 MIT授權(quán)使用GAMIT／GLOBK軟件，感謝湖北氣象局提供武漢市氣象和降雨量數(shù)據(jù)。

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