利用Bernese解算地基GPS天頂總延遲

韓曉冬,王浩森,王建雯,王碩,王杰

(山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266590)

利用Bernese解算地基GPS天頂總延遲

韓曉冬,王浩森,王建雯,王碩,王杰

(山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266590)

主要介紹利用Bernese軟件解算天頂總延遲的方法,及遇到的一系列問題和解決方法,意在為以后更加深入研究GPS數(shù)據(jù)反演大氣可降雨量做準(zhǔn)備。通過對拉薩站、上海站、臺(tái)灣站、長春站4個(gè)IGS測站天頂總延遲的數(shù)據(jù)對比,相同時(shí)期不同地區(qū)天頂總延遲存在較大差異,在相同地區(qū)不同時(shí)間天頂總延遲也有所不同。

Bernese;GPS;天頂總延遲;數(shù)據(jù)處理

0 引 言

水汽是大氣的主要組成部分,約占大氣總體積的百分之四,是空氣中唯一變化尺度較大的大氣成分。水汽的變化是氣候變化的重要驅(qū)動(dòng)力,直接影響著能量輸送、輻射平衡、降雨和云霧的形成[1]。在大氣環(huán)流中,水汽是其主要參與者,水汽的分布不均勻,倘若大量聚集與同一地區(qū),就會(huì)形成惡劣天氣,影響人們生活,甚至造成經(jīng)濟(jì)損失。因此監(jiān)測水汽變化具有重要意義。目前探測水汽的方法常有無線電探空、遙感圖像反演、微波輻射計(jì)和GPS反演大氣等。無線探空電方法只能每天早晚兩次探空氣球成本高、時(shí)間分辨率低,無法大面積推廣使用。遙感探測、氣象衛(wèi)星通常是利用微波波段和紅外波段光譜來探測水汽的,然而紅外波段在云層較多時(shí),其容易被云吸收,不能準(zhǔn)確地探測云層下部的水汽信息,導(dǎo)致大氣底層部分探測細(xì)節(jié)不足。綜上所述,這些常用水汽探測方法各有缺陷,因此需要一種高精度、成本低、全天候、探測范圍廣的水汽探測方法。

在上世紀(jì)90年代 Bevis等人首次提出了利用地基GPS探測水汽的方法。具有成本低、全天候、探測范圍廣、實(shí)時(shí)長時(shí)段觀測的特點(diǎn),因此利用GPS探測可降水汽量逐漸成為一種新型大氣探測手段[2]。而進(jìn)行GPS探測可降雨量的第一步就是解算天頂總延遲,由得到的總延遲得到對流層延遲,將對流層延遲減去由SA模型、Hopfield模型或Black模型計(jì)算得到的靜力學(xué)延遲,最后得到需要的濕延遲,再根據(jù)測站點(diǎn)的緯度、氣壓、海拔高度進(jìn)而得到可降雨量。下面詳細(xì)介紹運(yùn)用Bernese利用IGS提供的數(shù)據(jù)求得測站的天頂總延遲[3]。

1 利用Bernese解算天頂總延遲步驟

1.1Bernese簡介

Bernese是瑞士伯爾尼大學(xué)研制的一種廣泛應(yīng)用于科研及實(shí)際生產(chǎn)的高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件。該軟件提供Windows和Unix操作系統(tǒng)兩個(gè)版本,能處理SLR、GLONASS、GPS數(shù)據(jù)。Bernese與GAAMIT、GIPSY和德國的GFZ的EPOS軟件并稱為國際四大高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件。它們都是IGS數(shù)據(jù)中心采用的具有高精度、功能強(qiáng)大、模塊化、運(yùn)行速度快、穩(wěn)健的數(shù)據(jù)處理軟件。Bernese既有類似GAMIT開源的代碼,也有GIPSY非差處理特性。除此之外,Bernese一直保持人為的開發(fā)維護(hù),處理方法及處理模型都能保持行業(yè)領(lǐng)先水平。因此它特別適合科研機(jī)構(gòu)和高校實(shí)施高精度GPS測量,這也是筆者采用Bernese進(jìn)行此次解算GPS天頂延遲的原因。

1.2準(zhǔn)備工作

Bernese軟件可采用精密單點(diǎn)定位和雙差方式解算測站坐標(biāo),對于精密大地測量來說,對流層總延遲利用模型改正并不能滿足要求,而是作為未知參數(shù)和站點(diǎn)坐標(biāo)一塊解算出來的,已有的研究表明,利用Bernese軟件解算的對流層總延遲可以獲取毫米級的大氣水汽[4]。

此次采用的為windows平臺(tái)下的Bernese5.0,相對于Unix平臺(tái)更加直觀、易用,學(xué)習(xí)成本較小。網(wǎng)絡(luò)上有Bernese5.0的免安裝版本,以減少繁瑣的安裝步驟。在正式處理數(shù)據(jù)之前需要準(zhǔn)備工作。首先需要更新必須的通用文件。具體更新文件如表1所示。

表1 工程必須通用文件

接下來準(zhǔn)備數(shù)據(jù)處理所需的觀測文件,包含觀測文件、廣播星歷、精密星歷、精密鐘差、電離層文件、地球自轉(zhuǎn)文件。由于需要下載的文件較多且下載地址不一致,推薦使用下載的工具,使用較為方便。

本文選取了IGS國際連續(xù)運(yùn)行參考站中國境內(nèi)的 CHAN、LHAZ、SHAO、TWTF等4站2016年6月13-15日(GPS日為2016年第165～167天,第1901周第1-3日)觀測數(shù)據(jù)文件。

1.3數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1) 將星歷文件、地球自轉(zhuǎn)文件、精密星歷、精密鐘差文件、地球自轉(zhuǎn)文件復(fù)制至ORB文件下。ORB文件夾下主要用于存儲(chǔ)軌道相關(guān)文件。

2) 將精密星歷文件由擴(kuò)展名SP3格式改為PRE格式。將地球自轉(zhuǎn)文件擴(kuò)展名為ERP改為IEP格式。

3) 將觀測文件O文件放入ORB和RAW文件夾下,RAW文件夾下主要存儲(chǔ)需要處理的Rinex文件。注由于下載的觀測文件多為D文件,需要使用rnx2crx軟件轉(zhuǎn)化為O文件[5]。

4) 在OUT文件夾下存放入精密鐘差文件,同時(shí)將BERN50GPSDOC下的BLQ、CRD、PLD、VEL復(fù)制至OUT文件夾下。最后將電離層文件復(fù)制至ATM文件夾下。OUT文件夾主要用于存儲(chǔ)測站相關(guān)文件、時(shí)段信息。ATM文件夾主要用于存儲(chǔ)大氣相關(guān)文件。

2 數(shù)據(jù)處理流程

Bernese軟件根據(jù)數(shù)據(jù)處理功能可分為手工處理和 BPE兩大部分。手工處理數(shù)據(jù)和BPE,在處理數(shù)據(jù)之前,都需要進(jìn)行數(shù)據(jù)文件的準(zhǔn)備,其數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。手工處理部分與批處理流程基本一致。主要流程主要由格式轉(zhuǎn)換部分、軌道部分、數(shù)據(jù)處理部分、仿真部分和通用工具五部分組成。BPE的部分采用Perl編寫的采用了C/S結(jié)構(gòu)的獨(dú)立模塊,擁有交互式和非交互式兩種模式。目前在實(shí)際使用中主要采用交互式方式,這樣便于實(shí)時(shí)分析。批處理部分則由程序、腳本文件、控制文件等組成,其中控制文件是BPE的核心,主要的控制文件有PPP.PCF、RNX2SNX.PCF、CLKDET.PCF 和BASTST.PCF等[6]。在這些控制文件中,定義了某種解算方式需要調(diào)用的各種命令和腳本的順序,例如非差數(shù)據(jù)批處理(PPP.PCF):主要是估計(jì)各個(gè)點(diǎn)位的坐標(biāo)以及估計(jì)各種參數(shù),如對流層誤差以及接收機(jī)鐘誤差等,估計(jì)的間隔可以在控制文件中設(shè)定。主要運(yùn)用到的程序模塊有:RNXSMT(數(shù)據(jù)預(yù)處理),RXOBV3(RINEX 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為 Bernese格式),POLUPD、PRETAB、ORBGEN(軌道計(jì)算),CODSPP、GPSEST、RESRMS、SATMRK(數(shù)據(jù)預(yù)處理及參數(shù)設(shè)置),GPSEST(基線法方程文件),ADDNEQ2(基于法方程得多時(shí)段解)[7]。

圖1 Bernese5.0 數(shù)據(jù)處理流程圖

3 對流層參數(shù)結(jié)果文件

大地測量學(xué)中定義的對流層高度為40～50 km,與氣象學(xué)中的定義不同。該層大氣主要由氣體、水汽和塵埃組成,成分復(fù)雜。當(dāng)GPS衛(wèi)星發(fā)出的電磁波信號穿過對流層時(shí),會(huì)受到對流層折射影響,信號會(huì)發(fā)生彎曲和延遲。其中信號通過對流層時(shí)信號發(fā)生的延遲量約2.4 m.而彎曲量只有在高度角較小時(shí),才對測距影響較大[1]。

經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理,就可以得到對流層參數(shù)結(jié)果文件,文件注釋如表2所示。對流層參數(shù)文件存在于該項(xiàng)目的ATM文件夾下,擴(kuò)展名為TRP,命名方式為解算類型+年積日+測站名[6]。從對流層參數(shù)結(jié)果文件中可直接提取到TOTAL-U這列數(shù)據(jù),即測站天頂總延遲。為獲取測站上空可降水量,必須從天頂總延遲中減去天頂靜力學(xué)延遲部分得到天頂濕延遲,利用轉(zhuǎn)換系數(shù)得到可降雨量[4]。

經(jīng)過對TWTF站年積日為163的數(shù)據(jù)處理,得到對流層結(jié)果文件,部分內(nèi)容截圖如圖2。

表2 對流層結(jié)果文件注釋

圖2 對流層結(jié)果文件結(jié)果

圖3示出了經(jīng)過Bernese處理后的4個(gè)地區(qū)3天的天頂總延遲(TOTAL-U),時(shí)間間隔為1 h,通過數(shù)據(jù)可知,在2016年6月13-15日為期3天中,所觀測地區(qū)CHAN、TWTF、LHAZ的天頂總延遲變化并不特別大,趨勢較為平緩。其中SHAO測站有明顯變化趨勢。從4個(gè)地區(qū)的天頂總延遲數(shù)據(jù)來看,每個(gè)地區(qū)由于地理?xiàng)l件、氣候的差異,不同地區(qū)的天頂延遲也有所差異。其中LHAZ測站天頂總延遲最小,在1.6 m左右。而中國臺(tái)灣地區(qū)天頂總延遲較大,在2.6 m左右。

圖3 天頂總延遲數(shù)據(jù)折線圖

4 需要注意的問題

當(dāng)GPS信號通過大氣到達(dá)GPS接收機(jī)時(shí),由于電離層和對流層大氣折射率的變化,導(dǎo)致GPS信號延遲,使信號傳輸路徑發(fā)生彎曲并產(chǎn)生附加相位延遲,總的大氣延遲可以分為兩個(gè)部分,即對流層延遲、電離層延遲。電離層延遲可利用GPS雙頻測量消除,由于目前采用的接收機(jī)基本都是雙頻的,此方面延遲可以不與考慮,總大氣延遲減去忽略不計(jì)的電離層延遲得對流層延遲,對流層延遲又可分為濕延遲和靜力學(xué)延遲。因此所求的天頂總延遲就相當(dāng)于求得了對流層延遲[4]。他們的關(guān)系如圖4所示。

圖4 天頂總延遲關(guān)系圖

5 結(jié)束語

本文主要介紹了利用Bernese軟件解算拉薩、上海站、臺(tái)灣站、長春站4個(gè)站點(diǎn)的天頂總延遲的方法,以及經(jīng)常遇到的一系列問題和解決方法,為以后反演大氣可降雨量做準(zhǔn)備。通過對臺(tái)灣站、長春站、拉薩、上海站4個(gè)站點(diǎn)相同時(shí)期的天頂總延遲的數(shù)據(jù)對比,得到因不同地區(qū)的差異,天頂總延遲有較大差異,同時(shí)在相同地區(qū)不同時(shí)間天頂總延遲也有所差異。

[1] 李國平. 地基GPS遙感大氣可降水量及其在氣象中的應(yīng)用研究[D]. 成都:西南交通大學(xué), 2007.

[2] 韓艷. 地基GPS水汽探測及其應(yīng)用研究[D]. 成都:成都理工大學(xué), 2012.

[3] 王建鵬,謝雙亭,龐亞峰,等. 西安地基GPS水汽解算系統(tǒng)及初步應(yīng)用[C]//氣象綜合探測技術(shù)研討會(huì),2011:8-11.

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[5] 邰賀,付妍. 應(yīng)用Bernese5.0軟件進(jìn)行精密單點(diǎn)定位計(jì)算[J]. 全球定位系統(tǒng), 2011, 36(2):74-76.

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UsingBerneseToCalculateGroundBasedGPSZenithDelay

HANXiaodong,WANGHaosen,WANGJianwen,WANGShuo,WANGJie

(CollegeofGeodesyandGeomatics,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

This paper mainly introduces the method of using Bernese software to calculate the zenith delay and how to solve the problems, which is intended to prepare for Ground-based GPS inversion of the applied research of atmospheric precipitation.The delay of zeniths in different regions in the same period was significantly different from that of the four zeniths in the CHAN、TWTF、LHAZ. The total delay of the zenith at different times in the same area was also different.

Bernese; GPS; zenith delay; data processing

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.05.017

P228.4

A

1008-9268(2017)05-0085-04

2017-07-19

聯(lián)系人: 王浩森E-mail: Wanghaosen0413@outlook.com.

韓曉冬(1963-)，男，江蘇泰縣人,教授,主要研究方向?yàn)镚NSS理論及應(yīng)用、測量數(shù)據(jù)處理。

王浩森(1991-)，男，河南開封人,碩士研究生,研究方向?yàn)樾l(wèi)星定位與導(dǎo)航技術(shù)。