水汽輻射計(jì)與PPP估計(jì)天頂濕延遲對(duì)比研究分析

何力維,陳義,2，周亞軍

(1.同濟(jì)大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院,上海 200092;

2.現(xiàn)代工程測(cè)量國家測(cè)繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092)

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水汽輻射計(jì)與PPP估計(jì)天頂濕延遲對(duì)比研究分析

何力維1,陳義1,2，周亞軍1

(1.同濟(jì)大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院,上海 200092;

2.現(xiàn)代工程測(cè)量國家測(cè)繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092)

摘要：利用與水汽輻射計(jì)相同位置的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)和利用Bernese軟件解算對(duì)流層天頂總延遲(ZTD)。利用三種不同天頂靜力延遲(ZHD)計(jì)算模型:Saastamoinen模型、Hopfield模型、Black模型,推算天頂濕延遲(ZWD),并比較之間的精度差異。采用同濟(jì)大學(xué)GPS連續(xù)運(yùn)行參考站與地面氣象站數(shù)據(jù)反演天頂大氣濕延遲,對(duì)比不同模型的解算精度,得出Saastamoinen模型能夠得到較理想精度的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：天頂濕延遲;水汽輻射計(jì);PPP

0引言

近年來，地基GPS永久跟蹤站應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)已經(jīng)取得了比較好的效果，特別是在歐洲現(xiàn)已將其作為大地測(cè)量學(xué)和氣象學(xué)結(jié)合起來為社會(huì)服務(wù)的一個(gè)重大項(xiàng)目。1999年開始,歐洲15個(gè)國家聯(lián)合進(jìn)行了將地基GPS永久跟蹤站網(wǎng)的數(shù)據(jù)用于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)研究,有近100個(gè)GPS站將其觀測(cè)數(shù)據(jù)或天頂總延遲傳輸給數(shù)據(jù)中心,然后換算為氣象學(xué)上的水汽總量。歐洲已開發(fā)出了高精度、快速(近實(shí)時(shí))GPS星歷服務(wù),這對(duì)保證從天頂總延遲計(jì)算大氣水汽總量的精度至關(guān)重要[1-2]。

GPS信號(hào)在穿越對(duì)流層大氣時(shí),會(huì)受其影響而產(chǎn)生信號(hào)延遲。由于信號(hào)延遲和大氣參數(shù)之間具有很好的相關(guān)性,因而可用GPS技術(shù)以遙感的方式來探測(cè)大氣參數(shù),研究對(duì)流層大氣。常用的地基GPS估計(jì)天頂對(duì)流層延遲方法包括雙差網(wǎng)解法和非差精密單點(diǎn)定位法。雙差網(wǎng)解法在缺乏較好的遠(yuǎn)距離測(cè)站的數(shù)據(jù)通信設(shè)備時(shí)將受到限制。精密單點(diǎn)定位方法相比常用的雙差網(wǎng)解法則具有其顯著的優(yōu)勢(shì),如估計(jì)模型簡單,無需引入遠(yuǎn)距離測(cè)站即可估計(jì)絕對(duì)天頂延遲,處理大規(guī)模數(shù)據(jù)速度快等[3-4]。為了獲得理想的濕延遲觀測(cè)結(jié)果,本文利用Bernese5.0進(jìn)行精密單點(diǎn)定位,得到了對(duì)流層天頂總延遲,反演對(duì)流層延遲所使用的是精密星歷。比較了Saastamoinen模型、Hopfield模型、Black模型解算濕延遲的結(jié)果,并對(duì)3種模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較和分析。

1GPS對(duì)流層天頂總延遲計(jì)算

Bernese軟件是瑞士伯爾尼大學(xué)天文研究所研究開發(fā)的高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件,它的數(shù)學(xué)處理模型以及處理方法都是行業(yè)中領(lǐng)先的。這也使得CODE數(shù)據(jù)分析中心用該軟件計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)產(chǎn)品在IGS數(shù)據(jù)綜合時(shí)給予較高的權(quán)限。Bernese軟件既能處理GPS雙差數(shù)據(jù),也能處理GPS非差數(shù)據(jù),這是它區(qū)別于其他同類軟件的一個(gè)特點(diǎn)。它提供了源代碼,而且軟件結(jié)構(gòu)化強(qiáng),代碼清晰,并帶有比較詳細(xì)的技術(shù)文檔,特別適用于用戶進(jìn)行二次開發(fā)和擴(kuò)展。

用Bernese軟件處理數(shù)據(jù),必須準(zhǔn)備以下文件:TJCH站觀測(cè)數(shù)據(jù)文件、接收機(jī)信息文件、相位改正信息文件、衛(wèi)星信息文件、衛(wèi)星問題信息文件、精密星歷文件、極文件、鐘差文件、碼差分文件。利用軟件自帶的PPP自動(dòng)批處理程序進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算完成后,可在項(xiàng)目文件夾下的ATM文件夾下找到后綴名為TRP的文件,里面TOTAL-U對(duì)應(yīng)的是對(duì)流層天頂總延遲,2個(gè)小時(shí)估計(jì)一個(gè)對(duì)流層天頂總延遲。

聯(lián)系人： 何力維 E-mail:1335454@#edu.com

2天頂靜力延遲計(jì)算模型

由于氣象經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算濕延遲時(shí)需知道地面水汽壓,這樣不但增加了對(duì)地面氣象要素需求的數(shù)量,也增大了氣象要素觀測(cè)誤差對(duì)濕延遲計(jì)算精度的影響(因?yàn)?%的相對(duì)濕度誤差可造成1～3 mm的濕延遲誤差),造成應(yīng)用不便且計(jì)算精度不高。因此,地基GPS氣象學(xué)中通常不用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭苯佑?jì)算天頂濕延遲,而是用天頂總延遲與天頂靜力學(xué)延遲的差來間接計(jì)算天頂濕延遲[5],即

ZWD=ZTD-ZHD,

(1)

式中：ZTD為對(duì)流層天頂總延遲(mm);ZHD為天頂靜力延遲(mm),得到ZWD后經(jīng)過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換公式可轉(zhuǎn)化成各類水汽產(chǎn)品,如地基GPS水汽產(chǎn)品,包括天頂水汽累計(jì)含量(IWV)、天頂可降水量(PWV)、斜徑可降水量(SWV)、水汽廓線(垂直分布和3D)水汽場(chǎng)等[6]。

2.1Saastamoinen模型

Saastamoinen(1972)、Davis等(1985)、Elgered等(1991)提出計(jì)算天頂方向靜力延遲公式為

(2)

f(φ,h0)=1-0.00266cos2φ-0.00028h0,

式中:Ps為地面氣壓(hPa);φ為GPS接收站的緯度;h0為相對(duì)于旋轉(zhuǎn)橢球體的GPS測(cè)站高度,簡稱大地高(Km).Saastamoinen模型的計(jì)算精度直接取決于地面氣壓的測(cè)量精度。

2.2Hopfield模型

Hopfield天頂靜力學(xué)延遲模型為

(3)

hd=40136+148.72×(Ts-273.16),

(4)

(5)

式中:Ts為測(cè)站上的絕對(duì)溫度(K); hd為中性大氣層頂部高于大地水平面的有效高度(m);hs為測(cè)站大地高程(m); hw=11 000 m.Hopfield模型的誤差主要取決于地面氣壓的測(cè)量誤差,而受地面氣溫測(cè)量誤差的影響較小。

2.3Black模型

Black天頂靜力學(xué)延遲模型為

(6)

與Saastamoinen模型和Hopfield模型不同的是,Black模型只需要測(cè)站的地面氣象數(shù)據(jù)即可,而不需要測(cè)站的坐標(biāo)。

3水汽輻射計(jì)

水汽輻射計(jì)早在20世紀(jì)70年代就已用于測(cè)量對(duì)流層中的水汽含量,在GPS測(cè)量中廣泛用于信號(hào)延遲修正。目前水汽輻射計(jì)是探測(cè)大氣水汽最為精確的一種基本設(shè)備。同濟(jì)大學(xué)所使用的水汽輻射儀是德國LABSUN公司的型號(hào)為RPG-LWP-G4產(chǎn)品。測(cè)量原理為在典型的大氣微波水汽窗口范圍內(nèi),根據(jù)波譜理論、譜線相關(guān)性以及實(shí)踐驗(yàn)證的結(jié)果,選擇最優(yōu)化的通道數(shù)目和獨(dú)立寬帶,利用高穩(wěn)定雙通道并行濾波接收器組系統(tǒng)探測(cè)亮溫,利用當(dāng)?shù)囟嗄晏娇召Y料正向模擬微波輻射,并結(jié)合地面微型氣象站,通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和回歸算法反演0~10km高度范圍內(nèi)的液態(tài)水和水汽含量等信息。

4數(shù)據(jù)對(duì)比研究

實(shí)驗(yàn)所用數(shù)據(jù)來自于同濟(jì)大學(xué)GPS參考站及水汽輻射計(jì)。選用的時(shí)間段為2014年6月10日至2014年6月14日(UTC)此時(shí)段內(nèi)無降雨,可保證水汽輻射計(jì)測(cè)量精度。水汽輻射儀的測(cè)量模式:高度角步長為20°,一個(gè)測(cè)量周期為10min,24h不間斷測(cè)量。

GPS數(shù)據(jù)處理的使用軟件為Bernese5.0,使用精密單點(diǎn)模式進(jìn)行解算。截止高度角選擇為10°.解算所得對(duì)流層天頂總延遲從6月10日0時(shí)開始,每2h估計(jì)一個(gè)對(duì)流層天頂總延遲,5天時(shí)間共得到61個(gè)解算結(jié)果,如圖1所示。

圖1　對(duì)流層天頂總延遲解算結(jié)果

圖2　6月10日至14日濕延遲數(shù)據(jù)對(duì)比(a) 10日；(b) 11日; (c) 12日; (d) 13日; (e) 14日

為了對(duì)比這三種不同靜力學(xué)延遲模型的解算結(jié)果,分別用Saastamoinen模型、Hopfield模型與Black模型計(jì)算靜力學(xué)延遲,利用濕延遲等于對(duì)流層天頂總延遲減去天頂靜力學(xué)延遲這種關(guān)系,得到GPS反演的濕延遲數(shù)據(jù)。圖2示出了通過不同模型反演得到的濕延遲與水汽輻射計(jì)數(shù)據(jù)的對(duì)比。從圖2中可以看出三種靜力學(xué)模型解算出的濕延遲變化趨勢(shì),基本與水汽輻射計(jì)提供的數(shù)據(jù)吻合。通過三種靜力學(xué)模型解算出的結(jié)果基本保持一致,都能反映大氣水汽變化趨勢(shì),在這次試驗(yàn)計(jì)算中Saastamoinen模型的效果最好,濕延遲平均偏差值在2.16 cm,Hopfield模型平均偏差為2.32 cm,Black模型平均偏差為2.37 cm.如果端點(diǎn)值采用跨天PPP解算效果更好,解算結(jié)果可與GPS基線解算出的濕延遲相當(dāng),平均偏差值在1.7 cm左右。對(duì)比結(jié)果顯示,在保證地面氣壓測(cè)量精度的條件下,Saastamoinen模型、Hopfield模型與Black模型均可達(dá)到解算濕延遲的目的,其中Saastamoinen模型比較理想。

10日至13日的數(shù)據(jù),除了每天0點(diǎn)的GPS反演濕延遲與水汽輻射計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)相差較大外,其他時(shí)段的數(shù)據(jù)都能保持差值在2 cm之內(nèi),如圖3所示.13、14日差值波動(dòng)較大,精密單點(diǎn)定位對(duì)模型要求較高,不能保持穩(wěn)定的精度。

圖3　濕延遲差值

5結(jié)束語

利用Bernese 5.0進(jìn)行PPP解算,得到對(duì)流層天頂總延遲。通過不同的模型計(jì)算靜力學(xué)延遲,推算天頂濕延遲。與并址的水汽輻射計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)三種模型都能正確反映濕延遲變化趨勢(shì),其中Saastamoinen模型的結(jié)果最為理想,其濕延遲平均偏差為2.16 cm.通過精密星歷解算,在0點(diǎn)時(shí)刻解算的濕延遲偏差較大,需要通過跨天數(shù)據(jù)計(jì)算才能達(dá)到可利用標(biāo)準(zhǔn)。GPS反演結(jié)果普遍比水汽輻射計(jì)測(cè)量結(jié)果小,每個(gè)地區(qū)的水汽分布都有其特殊性,說明針對(duì)此地區(qū)模型可繼續(xù)改善,使其反演結(jié)果更加理想。

參考文獻(xiàn)

[1]李國平. 地基GPS氣象學(xué)[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2010.

[2]張京江. 地基GPS實(shí)時(shí)水汽反演系統(tǒng)建設(shè)速成[M]. 北京:氣象出版社, 2011.

[3]王勇, 劉嚴(yán)萍. 地基GPS氣象學(xué)原理與應(yīng)用研究[M]. 北京:測(cè)繪出版社, 2012.

[4]張小紅. 基于GPS非差觀測(cè)值估計(jì)大氣可降水量[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版, 2010, 35(7): 806-810.

[5]曲建光. 利用天頂對(duì)流層延遲數(shù)據(jù)直接推算水汽含量的研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版, 2005, 30(7): 625-628.

[6]宋淑麗, 朱文耀, 丁金才, 等. 上海 GPS 網(wǎng)層析水汽三維分布改善數(shù)值預(yù)報(bào)濕度場(chǎng)[J]. 科學(xué)通報(bào), 2006, 50(20): 2271-2277.

何力維(1990-),男,碩士生,主要研究方向GPS對(duì)流層水汽反演。

陳義(1960-),男,博士,教授,主要從事大地測(cè)量和GPS數(shù)據(jù)處理的研究及教學(xué)工作。

周亞軍(1991-),男,碩士生,主要研究方向GPS數(shù)據(jù)處理。

Comparison Between Zenith Wet Delay by Water

Vapor Radiometer and PPP

HE Liwei1,CHEN Yi1,2,ZHOU Yajun1

(1.TongjiUnversityCollegeofSurveyingandGEO-Informatics,Shanghai200092,China;

2.KeyLaboratoryofModernEngineeringSurvey,Shanghai200092,China)

Abstract:The zenith total delay(ZTD) is computed by software Bernese, using the GPS observations collected in the same place with water vapor radiometer. The precision of zenith wet delays(ZWD) is compared, by Saastamoinen model, Hopfield model and Black model. Saastamoinen model can achieve better precision, with the data from tongji university GPS station, water vapor radiometer and meteorograph.

Key words:Zenith wet delay; water vapor radiometer; PPP

作者簡介

收稿日期：2015-05-14

中圖分類號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-9268(2015)06-0068-04

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.06.014