GPS大氣水汽含量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

符偉杰，唐躍平，李 輝，褚澤帆

（1.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所 江蘇 南京 210012；2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心 江蘇 南京210012）

GPS大氣水汽含量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

符偉杰1，2，唐躍平1，2，李 輝1，2，褚澤帆1，2

（1.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所 江蘇 南京 210012；2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心 江蘇 南京210012）

為了滿足水利水文行業(yè)對(duì)大氣含水量實(shí)時(shí)監(jiān)測的需求，提出一種基于GPS的大氣水汽含量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)方案。自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)通過GPS雙頻接收機(jī)和自動(dòng)氣象站接收GPS衛(wèi)星信號(hào)及采集氣象觀測的溫度、壓力及濕度等數(shù)據(jù)，利用GPS衛(wèi)星信號(hào)延遲與大氣水汽含量之間的關(guān)系反演大氣水汽含量。試驗(yàn)表明，該自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)保證了數(shù)據(jù)監(jiān)測的實(shí)時(shí)性和可靠性，并且能夠有效提高短期預(yù)測預(yù)報(bào)精度和預(yù)警時(shí)間。

自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)；GPS雙頻接收機(jī)；自動(dòng)氣象站；大氣水汽含量

水汽是大氣中十分重要的參數(shù)。一方面，水汽影響大氣輻射和太陽輻射，從而影響氣候系統(tǒng)的能量和水循環(huán)；另一方面，水汽含量的突然增加與對(duì)流的發(fā)展關(guān)系密切，直接影響災(zāi)害性天氣的垂直穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)和演變。對(duì)大氣水汽的總量、變化和分布情況的了解決定著短時(shí)預(yù)報(bào)的成敗。因此，如何能夠迅速準(zhǔn)確地了解大氣中水汽分布情況，掌握水汽變化趨勢，對(duì)山洪災(zāi)害成因及預(yù)測預(yù)警、區(qū)域洪水預(yù)報(bào)等的研究及應(yīng)用都有重要意義。

GPS氣象學(xué)（GPS/MET）是近十年來蓬勃發(fā)展起來的，由衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)、大地測量學(xué)、地球物理學(xué)和氣象學(xué)交叉派生出的新興邊緣學(xué)科。GPS由美國于1994年4月建成，現(xiàn)共有24顆衛(wèi)星，具有覆蓋范圍廣、精度高、實(shí)時(shí)性好及長期穩(wěn)定等特點(diǎn)[1]。研究利用GPS計(jì)算大氣水汽含量對(duì)我國氣候變化監(jiān)測領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

1 GPS反演大氣水汽含量原理

利用放置在地面上的GPS接收機(jī)測量GPS衛(wèi)星的信號(hào)縱向穿過大氣層到達(dá)地面所引起的延遲量，進(jìn)而反演出天頂方向整層大氣層的水汽累計(jì)量（GPS/PWV）或信號(hào)斜路徑上的水汽累積量（GPS/SWV）[2-3]，如圖1所示。

圖1GPS氣象學(xué)

在GPS定位中，由于GPS信號(hào)穿過地球大氣層時(shí)，要受到電離層和大氣層的折射影響，使信號(hào)傳播的速度減弱和路徑彎曲，造成時(shí)間上的延遲。這種時(shí)間上的延遲等價(jià)于傳播路徑的增長，成為GPS定位中的誤差源[4-8]。GPS信號(hào)氣象學(xué)原理圖如圖2所示。

圖2 GPS信號(hào)誤差氣象學(xué)原理圖

由于電離層延遲與電磁波的頻率平方成反比，可以通過接受雙頻信號(hào)，線性組合后消除，使誤差校正達(dá)到mm級(jí)。大氣延遲一般泛指從地面到50 km高度的非電離大氣對(duì)電磁波的折射，或叫中性延遲。由于折射的80%發(fā)生在對(duì)流層，所以通常稱對(duì)流層延遲。對(duì)流層大氣在天頂方向上的總延遲近似為2.5 m左右，其中干空氣造成的干延遲，或靜力延遲，占90%以上，約為2.2 m。天頂方向的大氣靜力延遲可以用地面氣壓估算。在靜力平衡條件下，若地面氣壓的測量精度為0.5 hPa，天頂靜力延遲的估算精度可優(yōu)于1 mm。

大氣中液態(tài)水/冰和凝結(jié)物對(duì)GPS信號(hào)傳播的影響微乎其微，許多理論研究結(jié)果表明，即使是厚密度云層，最多引起7.5 mm的延遲可以忽略。

水汽造成的濕延遲占總延遲的10%以上，約為 0.3 m。水汽的變化很大，而且對(duì)電磁波的影響十分敏感。每摩爾水汽的折射率大約為干空氣的17倍。因此，盡管水汽只占整個(gè)大氣的0.1%～4%，但水汽造成的濕延遲占大氣總延遲的10%以上。水汽引起的濕延遲有時(shí)1小時(shí)內(nèi)的變化可達(dá)20 mm以上，這使得對(duì)水汽造成的濕延遲很難進(jìn)行有效的估計(jì)，成為GPS定位中無法去掉的一個(gè)誤差源。但是水汽又是氣象上十分重要的一個(gè)物理量。水汽的變化與云和降水密切相關(guān)，水汽相變會(huì)產(chǎn)生很高的相變潛熱，顯著的影響大氣的垂直穩(wěn)定度/風(fēng)暴系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和演變以及地氣系統(tǒng)的經(jīng)向和輻射平衡。利用GPS定位中的這個(gè)誤差源來反演大氣中的水汽。即從GPS接收機(jī)測量的衛(wèi)星信號(hào)傳播的總延遲量中提取水汽造成的濕延遲量，進(jìn)而反演出信號(hào)路徑上水汽的累積量，這就是地基GPS反演大氣水汽含量的基本原理[9-11]。

2 GPS大氣水汽含量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)

GPS大氣水汽含量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)分為 5層，分別為數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)解算層和應(yīng)用層，如圖3所示。

圖3 GPS大氣水汽含量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層包括GPS氣象網(wǎng)基準(zhǔn)站，主要由GPS接收機(jī)和自動(dòng)氣象站組成。GPS接收機(jī)采用高精度、連續(xù)運(yùn)行及能消除電離層影響的GPS雙頻接收機(jī)。該GPS接收機(jī)具有2Hz的采樣率，接星數(shù)大于12，其采集到的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)的RINEX格式；自動(dòng)氣象站主要由傳感器、采集器、系統(tǒng)電源、通信接口及外圍設(shè)備等組成，主要用于對(duì)大氣溫度、相對(duì)濕度及氣壓等氣象要素進(jìn)行全天候現(xiàn)場監(jiān)測。自動(dòng)氣象站采集到的溫度、濕度及壓力值結(jié)合GPS接收機(jī)采集到的導(dǎo)航電文、精密星歷及O-files數(shù)據(jù)，建立模型，最終解算出大氣含水量[12]。

2.2 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸層

在數(shù)據(jù)采集層和中心服務(wù)站之間通過移動(dòng)4G無線通訊網(wǎng)絡(luò)連接，具有保密性好、抗干擾能力強(qiáng)、抗多徑衰落、系統(tǒng)容量的配置靈活、建網(wǎng)成本低等優(yōu)勢。在中心服務(wù)站架設(shè)B/S服務(wù)器，確保決策部門通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)的訪問相關(guān)解算數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層包括GPS數(shù)據(jù)庫和地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。其中，GPS數(shù)據(jù)庫用于存放GPS接收機(jī)接收到的原始O-files文件、導(dǎo)航電文brcd及精密星歷SP3文件；地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫存放自動(dòng)氣象站監(jiān)測到的溫度、濕度及壓力等氣象數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)結(jié)算層

數(shù)據(jù)解算層主要是GPS數(shù)據(jù)的解算，采用美國MIT研發(fā)的GAMIT軟件來處理GPS數(shù)據(jù)，GAMIT的特點(diǎn)是用雙差做基本觀測量，這樣就消除了站鐘和星鐘的主要誤差，GAMIT利用雙差觀測值，組成與觀測值和參數(shù)相關(guān)的非線性數(shù)學(xué)模型，采用最小二乘算法反復(fù)迭代來估計(jì)測站的相對(duì)位置、軌道和地球自轉(zhuǎn)參數(shù)、對(duì)流層天頂延遲參數(shù)、大氣水平梯度參數(shù)，得到的載波相位整周模糊度分別為實(shí)數(shù)和整數(shù)的約束解及松弛解[13-15]。軌道誤差對(duì)測站相對(duì)位置不敏感，有利于精密定位，并且對(duì)于臺(tái)站初始坐標(biāo)的精度要求也不高。

2.5 應(yīng)用層

應(yīng)用層包括PWV時(shí)序圖、PWV分布圖和PWV變化圖等。GAMIT解算的最終結(jié)果文件是每個(gè)臺(tái)站上空的大氣總延遲，結(jié)合自動(dòng)氣象站監(jiān)測的數(shù)據(jù)，畫出PWV時(shí)序圖、PWV分布圖和PWV變化圖。

3 GPS大氣水汽含量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的建立

3.1 GPS基站安裝地點(diǎn)的選擇

根據(jù)項(xiàng)目可行性研究，項(xiàng)目地點(diǎn)選擇在太湖流域，通過篩選太湖流域適合安裝基站的站點(diǎn)，實(shí)地考察了太浦河水文基地、瓜涇口水質(zhì)站、金澤水文站和望虞河張橋水文站四個(gè)地方，并通過和相應(yīng)管理單位的協(xié)商，最終選擇了前三者作為GPS基站的安裝地點(diǎn)，這3個(gè)站點(diǎn)之間兩兩相距30公里左右，如下圖4所示，比較適合中小尺度的水汽情況分析。

圖4 GPS基站分布圖

3.2 自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的建立

GPS基站分別設(shè)置在太浦河水文基地、瓜涇口水質(zhì)站和金澤水文站，每個(gè)GPS基站安裝的設(shè)備包括GPS接收機(jī)、扼流圈接收天線、自動(dòng)氣象儀和4G無線通訊模塊，即GPS接收機(jī)收到的GPS數(shù)據(jù)和自動(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)每隔半小時(shí)打包后，通過4G無線通訊模塊一起發(fā)送到中心站。

中心站設(shè)置在南京我所院內(nèi)，中心站配置服務(wù)器、工作站和打印機(jī)等設(shè)備，3個(gè)GPS基站發(fā)送回來的數(shù)據(jù)經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入我所局域網(wǎng)，存儲(chǔ)在服務(wù)器中，數(shù)據(jù)解算軟件也安裝在該服務(wù)器中。GPS大氣水汽含量監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 GPS大氣水汽含量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

4結(jié) 論

GPS大氣水汽含量監(jiān)測系統(tǒng)總體邏輯結(jié)果采用B/C/S三層結(jié)構(gòu)，即通過C/S系統(tǒng)完成大氣水汽含量的反演計(jì)算，通過B/S系統(tǒng)完成信息的查詢與發(fā)布。通過此系統(tǒng)可實(shí)時(shí)掌握大氣水汽含量，填補(bǔ)我國水利部門在大氣水汽含量監(jiān)測方面的空白，為洪澇災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報(bào)以及防汛抗旱決策提供更加及時(shí)、可靠的技術(shù)支持。

[1]中華人民共和國測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（CH/T2008-2005），全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)建設(shè)規(guī)范[S].[2]李國平，黃丁發(fā).GPS遙感區(qū)域大氣水汽總量研究回顧與展望[J].氣象科技，2004，32（4）:201-205.

[3]丁金才.GPS氣象學(xué)及其應(yīng)用[M].北京：氣象出版社，2009

[4]張培昌等.雷達(dá)氣象學(xué)[M].氣象出版社，2001.

[5]陳興芳，趙振國.中國汛期降水預(yù)測研究及應(yīng)用[M].氣象出版社，2000.

[6]盛裴軒等.大氣物理學(xué)[M].北京大學(xué)出版社，2003.

[7]羅佳，李征航.利用GPS/MET與CHAMP掩星資料反演地球中性大氣參數(shù)的比較[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（3）:214-217.

[8]郭鵬，嚴(yán)豪健.上海天文臺(tái)CHAMP掩星資料處理結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析[J].天文學(xué)報(bào)，2006，47（2）:192-201.

[9]朱乾根等.天氣學(xué)原理和方法[M].氣象出版社，1992.

[10]陳渭民等.衛(wèi)星氣象學(xué)[M].氣象出版社，1989.

[11]丁一匯.高等天氣學(xué)[M].北京：氣象出版社，1991.

[12]龔健雅.地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2001

[13]鄂棟臣，詹必偉.應(yīng)用GAMIT/GLOBK軟件進(jìn)行高精度GPS數(shù)據(jù)處理[J].氣象科技，2005，17（3）:174-182.

[14]程寶銀，陳義.應(yīng)用GAMIT進(jìn)行高精度GPS基線數(shù)據(jù)處理[J].現(xiàn)代測繪，2009，32（2）:46-48.

[15]張?jiān)茲?，程伯輝，白征東，高星偉.應(yīng)用GAMIT軟件處理衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)大氣水汽方法的研究[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2014，2（1）:30-33.

Research and design of automatic monitoring system in GPS atmospheric water vapor content

FU Wei-jie1，2，TANG Yue-ping1，2，LI Hui1，2，CHU Ze-fan1，2
（1.Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology，Nanjing 210012，China；2.Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring，the Ministry of Water Resources，Nanjing 210012，China）

In order to meet the demand for real-time monitoring of atmospheric water vapor content on water conservancy hydrological industry，putting forward a kind of automatic monitoring system of atmospheric water vapor content scheme based on GPS.The system receive GPS signal and collect the data of temperature，pressure and humidity，using GPS Dual-frequency receiver and automatic meteorological station.Based on the relationship between GPS signal delay and atmospheric density inverting atmospheric water vapor content.Experiment shows that automatic monitoring system ensure the monitoring data real-time performance and reliability，and increase short-term forecasting precision and warning time effectively.

automatic monitoring system；GPS dual-frequency receiver；automatic meteorological station；atmospheric water vapor content

TN95

A

1674－6236（2016）18-0063-03

2016-01-04 稿件編號(hào)：201601008

水利部"948"項(xiàng)目（201405）

符偉杰（1969—），男，江蘇常熟人，高級(jí)工程師。研究方向：水利信息化系統(tǒng)研究、設(shè)計(jì)和開發(fā)工作。