組合GPS/GLONASS觀測(cè)數(shù)據(jù)的三維水汽層析

董州楠　蔡昌盛

1　中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長(zhǎng)沙市麓山南路932號(hào)，410083

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組合GPS/GLONASS觀測(cè)數(shù)據(jù)的三維水汽層析

董州楠1蔡昌盛1

1中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長(zhǎng)沙市麓山南路932號(hào)，410083

基于香港衛(wèi)星定位參考站網(wǎng)(SatRef)15個(gè)測(cè)站共6 d的數(shù)據(jù)，聯(lián)合GPS和GLONASS進(jìn)行對(duì)流層三維水汽層析實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，相比GPS單系統(tǒng)，GPS/GLONASS組合系統(tǒng)能顯著增加信號(hào)穿越的網(wǎng)格數(shù)量，提高層析水汽分布的精度，平均改善率為36%。

水汽層析；GPS；GLONASS；對(duì)流層

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在三維水汽層析方面已經(jīng)開(kāi)展大量研究工作[1-3]，但是已有成果大多基于GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)。多衛(wèi)星系統(tǒng)組合可以增加可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)，改善衛(wèi)星的空間幾何分布，從而提高層析方法探測(cè)水汽的能力。本文基于香港衛(wèi)星定位參考站網(wǎng)(Hong Kong satellite positioning reference station network，SatRef)的GPS/GLONASS觀測(cè)數(shù)據(jù)研究多系統(tǒng)組合對(duì)對(duì)流層水汽層析結(jié)果的影響。

1　地基GNSS水汽層析

1.1斜路徑對(duì)流層濕延遲估計(jì)

對(duì)流層為非色散介質(zhì)，因此對(duì)流層延遲不能像電離層延遲那樣通過(guò)雙頻觀測(cè)值的組合進(jìn)行消除，在精密定位中通常將其作為未知參數(shù)同其他參數(shù)一并求解。實(shí)際參數(shù)估計(jì)過(guò)程中，將每個(gè)測(cè)站的天頂延遲作為一個(gè)未知參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，再通過(guò)投影函數(shù)投影到信號(hào)路徑方向上。對(duì)流層延遲模型如下：

(1)

1.2水汽層析原理

通過(guò)將GNSS地面網(wǎng)上空的對(duì)流層在水平和垂直方向上離散化成格網(wǎng)，并假設(shè)每個(gè)獨(dú)立網(wǎng)格內(nèi)的水汽密度值在一定的時(shí)間內(nèi)為常量，根據(jù)斜路徑方向上的水汽量(slant water vapor，SWV)等于GNSS信號(hào)經(jīng)過(guò)的所有網(wǎng)格水汽含量之和[1]，得到層析的觀測(cè)方程為：

(2)

實(shí)際上，由于衛(wèi)星的幾何分布、地面網(wǎng)測(cè)站的空間分布及層析時(shí)間分辨率的限制，總會(huì)有某些網(wǎng)格當(dāng)中沒(méi)有信號(hào)穿過(guò)，導(dǎo)致層析方程病態(tài)不適定?？梢酝ㄟ^(guò)加入水平約束、垂直約束[1]使用奇異值分解(singular value decomposition，SVD)方法[5]求解層析方程。這種非迭代解法雖然對(duì)層析初值不敏感，但是層析結(jié)果的精度較差。而迭代法雖然要求精度較高的初值，但迭代后結(jié)果的精度更高?？紤]到迭代法與非迭代法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，本文聯(lián)合使用非迭代與迭代算法進(jìn)行層析實(shí)驗(yàn)，將SVD分解的結(jié)果作為乘法代數(shù)重構(gòu)算法(multiplicative algebraic reconstruction technique，MART)[6]的初值。

2　實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

使用香港衛(wèi)星定位參考站網(wǎng)(SatRef)15個(gè)測(cè)站2014年年積日152、182、213、244、274、305 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采樣率30 s，衛(wèi)星截止高度角設(shè)為10°。由于水汽主要分布在近地表10 km以下，因此水汽層析高度設(shè)為距地表10 km，每500 m劃分為一層。水平網(wǎng)格的劃分方案為：緯度范圍22.2°～22.6°N，間隔為0.08°，共劃分為5個(gè)網(wǎng)格；經(jīng)度范圍113.85°～114.36°E，間隔為0.085°，共劃分為6個(gè)網(wǎng)格。層析時(shí)間窗口取值30 min，精密單點(diǎn)定位解算使用的是歐空局(ESA)發(fā)布的精密衛(wèi)星軌道和鐘差數(shù)據(jù)，天頂干延遲模型采用Saastamonien模型，投影函數(shù)使用GMF投影函數(shù)[7]，轉(zhuǎn)換因子Π直接使用GPT2w模型[8]計(jì)算。利用探空數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證GNSS反演結(jié)果，其中探空數(shù)據(jù)使用的是美國(guó)懷俄明大學(xué)(UW)在線提供的香港京士柏探空站的探空數(shù)據(jù)，層析垂直約束取實(shí)驗(yàn)前3 d探空水汽均值。層析水平格網(wǎng)劃分如圖1所示。

圖1　香港衛(wèi)星定位參考站網(wǎng)三維層析水平格網(wǎng)劃分示意圖Fig.1　The division of horizontal voxels of SatRef for water vapor tomography

使用中南大學(xué)開(kāi)發(fā)的精密單點(diǎn)定位處理軟件[9]MIPS-PPP解算天頂對(duì)流層延遲(zenith total delay，ZTD)。為驗(yàn)證MIPS-PPP軟件估計(jì)ZTD的可靠性，使用MIPS-PPP軟件求解各天BJFS站的天頂對(duì)流層延遲參數(shù)，并與IGS分析中心提供的對(duì)流層產(chǎn)品進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)設(shè)定位置解的三維坐標(biāo)均收斂到10 cm以內(nèi)時(shí)認(rèn)為坐標(biāo)解已收斂，并開(kāi)始統(tǒng)計(jì)ZTD。MIPS-PPP和IGS的ZTD產(chǎn)品之間的偏差均值及標(biāo)準(zhǔn)偏離(STD)見(jiàn)表1。由表1可知，MIPS-PPP軟件解算的ZTD產(chǎn)品與IGS分析中心產(chǎn)品的平均偏差在2 cm左右，偏差的STD小于1 cm，滿足層析實(shí)驗(yàn)要求。

限于篇幅，圖2只給出了2014年年積日152 d(GPS時(shí)06:00～19:00)GPS系統(tǒng)和GPS/GLONASS組合系統(tǒng)在層析窗口30 min內(nèi)穿過(guò)格網(wǎng)的合格信號(hào)總數(shù)和對(duì)應(yīng)層析時(shí)間窗口有信號(hào)穿越的網(wǎng)格總數(shù)。實(shí)驗(yàn)中，部分GLONASS衛(wèi)星信號(hào)不理想，在數(shù)據(jù)處理時(shí)剔除?？梢钥闯?，在組合系統(tǒng)下，相同的層析時(shí)間窗口觀測(cè)獲得的信號(hào)數(shù)量明顯增多。在GPS單系統(tǒng)和GPS/GLONASS組合系統(tǒng)下有信號(hào)穿越的網(wǎng)格數(shù)量明顯增加，特別是在某些時(shí)段，如圖2(b)中13:30～14:00有信號(hào)穿越的網(wǎng)格數(shù)量由459個(gè)增加到508個(gè)，信號(hào)穿過(guò)更多的網(wǎng)格可以增加這些網(wǎng)格層析結(jié)果的精度和可靠性。

表1　 MIPS-PPP軟件解算ZTD與IGS ZTD產(chǎn)品的

圖2　2014年年積日152 d(GPS時(shí)06:00～19:00)層析窗口合格信號(hào)總數(shù)和有信號(hào)穿越網(wǎng)格數(shù)量Fig.2　Number of qualified rays and voxels crossed by rays on June 1, 2014(GPST 06:00-19:00)

圖3給出了2014年年積日152、182、213、244、274、305 d GPS時(shí)12:00～12:30 GPS單系統(tǒng)層析廓線、GPS/GLONASS組合系統(tǒng)層析廓線和探空廓線的對(duì)比?？梢钥闯?，三者變化趨勢(shì)較為一致。但相比于GPS單系統(tǒng)，組合系統(tǒng)大多數(shù)情況下在探空站附近內(nèi)插的廓線與探空廓線符合得更好，如圖3(c)在高程7 km位置處，GPS單系統(tǒng)結(jié)果與探空數(shù)據(jù)結(jié)果存在較大偏差，但組合系統(tǒng)在此處與探空數(shù)據(jù)符合較好，說(shuō)明組合系統(tǒng)結(jié)果更加穩(wěn)定可靠。在低高度處GNSS層析解較探空數(shù)據(jù)的偏差較大，其原因在于探空數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率低、GNSS反演水汽的精度限制以及水汽密度值在低高度處變化較大。

圖3　GPS單系統(tǒng)和GPS/GLONASS組合系統(tǒng)層析廓線和探空廓線的對(duì)比Fig.3　Water vapor density profile derived from GPS, combined system and radiosonde

為評(píng)價(jià)組合系統(tǒng)對(duì)于層析水汽三維分布整體精度的影響，層析計(jì)算中首先去掉HKSC站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，將該站數(shù)據(jù)處理獲得的斜路徑水汽含量(SWV)作為參考值進(jìn)行層析解的檢核。利用HKSC站觀測(cè)的信號(hào)在各個(gè)網(wǎng)格中的截距，運(yùn)用式(3)求解SWV，并與參考值SWV比較。表2統(tǒng)計(jì)了GPS單系統(tǒng)和GPS/GLONASS組合系統(tǒng)層析解計(jì)算的SWV與參考值偏差的標(biāo)準(zhǔn)偏離值?？梢钥闯?，除年積日244 d外，組合系統(tǒng)偏差的STD值較GPS單系統(tǒng)均有明顯減小，平均改善率為36%。

表2　 層析時(shí)段天氣狀況及層析結(jié)果與PPP

圖4給出了2014年年積日152 d GPS時(shí)12:00～12:30 GPS單系統(tǒng)和組合系統(tǒng)層析獲得的三維水汽分布圖。由于水汽密度隨著高度的增加而減小，且在高層區(qū)域分布比較均勻，因此圖中只給出了5 km以下的水汽分布?？梢钥闯?，在近地表3 km以下水汽密度變化較大，GPS單系統(tǒng)和組合系統(tǒng)的層析水汽分布結(jié)果在高程方向上均能反映出水汽隨高度的遞減變化，而在2 km處GPS單系統(tǒng)和組合系統(tǒng)層析獲得的水汽分布存在較大偏差。從前面的分析可知，GPS/GLONASS組合系統(tǒng)具有更好的精度與可靠性，由此可以判斷圖4(b)更能反映水汽的實(shí)際分布狀況。

圖4　2014年年積日152 d GPS時(shí)12:00～12:30GPS單系統(tǒng)和組合系統(tǒng)層析三維水汽分布Fig.4　Comparison between GPS-only and integratedGPS/GLONASS 3-D tomographic water vapor distribution on June 1, 2014(GPST 12:00-12:30)

3　結(jié)　語(yǔ)

多GNSS系統(tǒng)組合會(huì)明顯增加層析信號(hào)的數(shù)量，改善信號(hào)在層析區(qū)域的空間幾何分布。本文基于香港衛(wèi)星定位參考站網(wǎng)15個(gè)測(cè)站2014年共6 d的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)流層三維水汽層析實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，較GPS單系統(tǒng)，GPS/GLONASS組合系統(tǒng)層析窗口中合格信號(hào)數(shù)量和有信號(hào)穿越的網(wǎng)格數(shù)量均有明顯增加；通過(guò)探空數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)，層析結(jié)果與探空結(jié)果符合較好，但組合系統(tǒng)的結(jié)果更加穩(wěn)定、可靠；GPS單系統(tǒng)和組合系統(tǒng)的層析水汽分布結(jié)果在高程方向上均能反映出水汽隨高度的遞減變化，組合系統(tǒng)可以明顯提高層析水汽整體的分布精度，平均改善率為36%。

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About the first author:DONG Zhounan, postgraduate, majors in date processing of GNSS and modeling of water vapor tomography, E-mail:ZNDongCSU@163.com.

Analysis of Three-Dimensional Water Vapor Tomography Using Integrated GPS/GLONASS Observations

DONGZhounan1CAIChangsheng1

1School of Geoscience and Info-Physics, Central South University, 932 South-Lushan Road, Changsha 410083,China

Based on data collected for six days at fifteen stations of Hong Kong satellite positioning

tation network (SatRef) in 2014, we combine GPS and GLONASS to perform a three-dimensional water vapor tomography experiment. The results show that the integrated GPS/GLONASS system can significantly increase the number of voxels which are passed through by the signals. The system improves the accuracy of distribution of water vapor by an average improvement rate of 36% in comparison with a GPS-only system.

water vapor tomography; GPS; GLONASS; troposphere

Scientific Research Fund of Hunan Provincial Education Department，No. 13K007；Hunan Provincial Innovation Platform and Talents Program，No. 2015RS4007.

2015-09-29

董州楠，碩士生，主要研究方向?yàn)镚NSS數(shù)據(jù)處理與對(duì)流層層析建模，E-mail:ZNDongCSU@163.com。

10.14075/j.jgg.2016.10.010

1671-5942(2016)010-0889-03

P228

A

項(xiàng)目來(lái)源：湖南省教育廳科研項(xiàng)目(13K007)；湖南省創(chuàng)新平臺(tái)與人才計(jì)劃(2015RS4007)。