不同星歷產(chǎn)品對GNSS可降水量的影響分析

任政兆，許長輝，黨亞民

不同星歷產(chǎn)品對GNSS可降水量的影響分析

任政兆1,2，許長輝1，黨亞民1

（1. 中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830；2. 山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

針對最終精密星歷發(fā)布延遲時間長、更新速度慢，無法滿足實時數(shù)值氣象預(yù)報的需求的問題，提出利用超快速星歷和快速星歷替代最終精密星歷反演全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）大氣可降水量（PWV）的方法，并基于香港連續(xù)運行參考站（CORS）數(shù)據(jù)和國際GNSS服務(wù)中心（IGS）提供的星歷產(chǎn)品，使用中國測繪科學(xué)研究院自研的高精度GNSS數(shù)據(jù)處理軟件GPAS進行PWV反演實驗。結(jié)果表明：3種方案反演的GNSS-PWV與探空數(shù)據(jù)計算的PWV具有較強的相關(guān)性，其中利用精密星歷解算PWV精度最高，利用超快速預(yù)報星歷的精度最低；3種方案的PWV之間的相關(guān)性較高，進一步證明了使用超快速預(yù)報星歷代替最終精密星歷進行PWV反演是可行的，能夠滿足實時氣象預(yù)報的精度要求。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；地基GNSS；星歷產(chǎn)品；可降水量；探空數(shù)據(jù)

0 引言

水汽作為主要的溫室氣體，不僅影響全球氣候與天氣變化，而且在全球熱量和水循環(huán)中也扮演著極其重要的角色[1]。全球天氣變化主要是水汽的分布不均勻和形態(tài)錯綜變化引起的，對人類造成巨大的影響。水汽的比重較小，不足大氣的5 %，其主要分布在對流層中，但它卻是大氣中最活躍的成分。針對復(fù)雜多變的水汽，如何準(zhǔn)確確定其分布特征及變化規(guī)律是氣象學(xué)和天氣預(yù)報的基本問題之一[2]。

在氣象學(xué)中，探測大氣可降水量（precipitable water vapor, PWV）常用的技術(shù)主要是無線電探空、微波輻射[3]、衛(wèi)星遙感和太陽光譜分析等。通常探空氣球測定水汽垂直分布比較準(zhǔn)確，隨著氣球升高，記錄高空大氣氣壓、溫度、相對濕度、水氣壓、風(fēng)速等要素，但探空站的時間和空間分辨率較低、工作量大、成本高。微波輻射探測時間分辨率較高，但受云層?降水及溫度等外界環(huán)境的影響較大，同時有垂直分辨率低、價格昂貴、須定期進行儀器校對等缺陷。使用衛(wèi)星遙感、雷達等探測技術(shù)可得到大氣水汽的詳細分布，但價格昂貴，若進行連續(xù)觀測比較困難。太陽光譜分析儀具有很大的發(fā)展前景，但其只可沿太陽方向探測水汽分布，對氣象預(yù)報的作用有限。因此，地基全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）探測PWV技術(shù)應(yīng)運而生[4-5]。

自從Bevis首次進行了GNSS探測PWV的實驗，就將GNSS探測PWV由理論變成現(xiàn)實[6-7]，以及隨著連續(xù)運行參考站（continuously operating reference stations, CORS）不斷建立，地基GNSS氣象學(xué)日趨成熟[8]。現(xiàn)階段，利用最終精密星歷產(chǎn)品進行地基GNSS反演水汽精度可達2 mm，滿足數(shù)值天氣預(yù)報的精度要求[8]。但最終精密星歷延遲時間較長，更新速度較慢，無法滿足實時數(shù)值氣象預(yù)報的需求。較多學(xué)者就快速精密星歷和超快速精密星歷可否代替最終精密星歷進行精密定位等諸多實際問題進行了驗證分析?對于中長基線的研究，文獻[9]得出結(jié)論：在一定條件下利用GAMIT軟件解算，國際GNSS服務(wù)組織（International GNSS Service, IGS）的最終星歷（IGS final products，IGF）與快速星歷（IGS rapid products，IGR）或超快速預(yù)報星歷（IGS ultra-rapid products，IGU）的結(jié)果偏差僅為毫米級；文獻[10]對不同星歷產(chǎn)品的 GAMIT軟件高精度基線解算進行了分析，并得出在處理小于400 km以內(nèi)的中短基線數(shù)據(jù)時，可使用IGR星歷或IGU星歷代替IGF星歷進行基線解算的結(jié)論；多位學(xué)者[11-13]對不同星歷產(chǎn)品下的精密單點定位精度進行了分析，并得到較高的定位精度；文獻[14]指出IGR星歷與IGU星歷能夠代替IGF星歷取得較好的定軌效果。

本次實驗利用香港12個CORS站2018年年積日第182 ~ 212天的觀測數(shù)據(jù)，借助GPAS軟件，分別使用IGF?IGR和IGU星歷產(chǎn)品進行PWV反演，并以探空數(shù)據(jù)為參考，對3種方案解算的地基GNSS/PWV進行時間序列分析和精度比對。

1 不同星歷產(chǎn)品對比

2000年起，IGS服務(wù)中心開始逐步向用戶播發(fā)可實時獲取的超快速星歷產(chǎn)品IGU，軌道時長是48 h，前24 h 是實測軌道，后24 h 是根據(jù)前24h數(shù)據(jù)外推的預(yù)報軌道，IGS 服務(wù)中心每天協(xié)調(diào)世界時（coordinated universal time, UTC）3:00、9:00、15:00、21:00播發(fā)IGU產(chǎn)品，每6 h更新1次[15]。實驗使用的是當(dāng)天21:00發(fā)布的超快速星歷產(chǎn)品的前24 h 的預(yù)報軌道，在時間跨度上能夠覆蓋第2天計算PWV的需要，在一定程度上能為小尺度天氣系統(tǒng)提供較全面、快速的觀測[16]。表1詳細介紹不同產(chǎn)品的采樣間隔、延遲更新時刻以及軌道精度等信息。

表1 IGS衛(wèi)星星歷及軌道估計精度

2 地基GNSS氣象學(xué)原理

隨著GNSS理論與技術(shù)的成熟，在導(dǎo)航定位中，對流層延遲通常都是作為誤差來剔除的，近年來地基GNSS的技術(shù)優(yōu)勢越來越突出，設(shè)備穩(wěn)定，全天候測量數(shù)據(jù)[17]，對流層延遲這個必須消除的誤差反而成了有利用價值的原始數(shù)據(jù)。計算PWV首要就是計算衛(wèi)星信號受到對流層的折射量，再利用折射率與折射量之間的函數(shù)關(guān)系便可計算出大氣折射率。大氣折射率是關(guān)于氣溫、氣壓和水汽壓的函數(shù)，借助數(shù)學(xué)模型，即可計算所需的氣象信息，其中信號在大氣中的延遲量Δ與大氣折射量的關(guān)系[18]為

將對流層延遲沿測站天頂方向進行積分，計算信號在測站天頂方向的總延遲（zenith tropospheric delay，ZTD）即中性延遲[19]為

因為對流層總延遲又分為靜力學(xué)延遲（干延遲）和非靜力學(xué)延遲（濕延遲）2部分，式（3）又可寫為

3 數(shù)據(jù)來源與處理策略

3.1 數(shù)據(jù)來源

選取香港地區(qū)12個CORS站2018年7月1日~7月31日連續(xù)31 d的觀測數(shù)據(jù)，并聯(lián)合全球40個IGS跟蹤站同時段的觀測數(shù)據(jù)進行PWV解算。探空數(shù)據(jù)從美國懷俄明州立大學(xué)官方網(wǎng)站下載。香港地區(qū)CORS站可全天候接收GNSS衛(wèi)星信號，觀測區(qū)域覆蓋香港全境，測站分布如圖1所示。由于香港測站相距較近，對流層延遲相關(guān)性較高，所以引入全球分布均勻、連續(xù)性較好的IGS站約束其相關(guān)性統(tǒng)一解算，測站選取如圖2所示。

圖1 香港CORS站分布

圖2 IGS測站分布

3.2 數(shù)據(jù)處理策略

GPAS軟件由中國測繪科學(xué)研究院大地研究所自主研發(fā)，可以滿足不同范圍?不同規(guī)模?不同數(shù)據(jù)處理模式?不同的物理參數(shù)的數(shù)據(jù)處理與分析?為實現(xiàn)上述功能,軟件由數(shù)據(jù)預(yù)處理、精密定軌、精密定位、網(wǎng)平差和產(chǎn)品精度分析5個主要子系統(tǒng)組成?同時具有支持北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）、全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GLONASS）及伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system, Galileo）4種衛(wèi)星定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)的聯(lián)合處理能力?采用非差網(wǎng)解處理模式，將觀測數(shù)據(jù)進行預(yù)處理：主要采用TurboEdit使用的寬巷（Melbourne-Wübbena, MW）組合與電離層組合等方法探測與修復(fù)周跳并剔除異常值，對未修復(fù)的周跳引入新的模糊度參數(shù)。在參數(shù)估計模塊采用序貫最小二乘和均方根濾波的方法，進行事后和逐歷元實時精密處理；模糊度固定采用搜索判斷法和最小二乘降相關(guān)分解法（least-square ambiguity decorrelation adjustment, LAMBDA），進行全網(wǎng)雙差模糊度搜索，將固定的雙差模糊度約束到法方程上面。為了獲得精度較高的定位結(jié)果，需要利用驗后殘差再編輯函數(shù)對經(jīng)參數(shù)估計模塊解算后的驗后殘差進行再編輯從而發(fā)現(xiàn)更小的周跳與粗差；經(jīng)4次參數(shù)估計解算與驗后殘差再編輯，可得到精度較高的解算結(jié)果。

本次實驗借助GPAS軟件，分別采用IGF（方案1）?IGR（方案2）和IGU（方案3）進行地基GPS/PWV反演。數(shù)據(jù)處理的基本策略如下：衛(wèi)星截止高度角為10°；ZHD采用Saastamoinen模型計算；使用全球氣溫氣壓GPT模型獲取觀測站的氣壓、氣溫等氣象要素；ZTD作為未知參數(shù)，采用分段參數(shù)估計方法，其間隔取為30 min，并采用隨機游走過程模擬其動態(tài)變化[20]；解算過程中映射函數(shù)選取目前最常用的全球投影函數(shù)（global mapping function, GMF）模型[21]；大氣加權(quán)平均溫度則采用Bevis模型；同時顧及水汽分布的各向異性，引入大氣水平梯度改正參數(shù)；考慮地球自轉(zhuǎn)改正、相對論效應(yīng)、天線相位中心改正等誤差影響；最后利用序貫最小二乘方法，對接收機坐標(biāo)、接收機鐘差、相位模糊度、ZTD等參數(shù)進行平差計算[22]?？紤]到本次實驗香港地區(qū)瀕臨海域，引入了海潮模型以減少地球潮汐的影響。采用控制變量方法，3種試驗方案所采用的對流層延遲模型和數(shù)據(jù)處理策略均一致，不同之處僅在于使用的星歷產(chǎn)品不同。

4 結(jié)果分析

由式（6）可知，地基GPS反演PWV值的精度主要由ZTD精度所決定。將基于GPAS軟件不同星歷產(chǎn)品解算的ZTD結(jié)果與香港地區(qū)的IGS測站小冷水站（HKSL）解算發(fā)布的ZTD產(chǎn)品進行對比，如圖3所示。其中，HKSL站GPAS/ZTD解算值與IGS/ZTD數(shù)值偏差情況如圖4所示，將使用GPAS/ZTD的結(jié)果與IGS/ZTD結(jié)果求一次差進行比較，具體的偏差結(jié)果如表2所示?？梢钥闯鯤KSL站不同GPAS/ZTD與IGS/ZTD的差值較小，偏差基本上<10 mm，其中最大值、最小值、平均偏差指標(biāo)中精密星歷均為最小值，與IGS/ZTD符合度最高，超快速星歷的4種評價指標(biāo)的值均為最大，波動程度最高，與IGS/ZTD的浮動最大，但是超快速星歷與精密星歷的平均偏差僅僅為0.1 mm級別，異常值較少，整體較為穩(wěn)定。

圖3 GPAS/ZTD與IGS/ZTD的對比

圖4 GPAS/ ZTD與IGS/ZTD偏差

表2 不同產(chǎn)品的GPAS/ZTD與IGS/ZTD的偏差結(jié)果

僅僅對比GPAS/ZTD與IGS/ZTD的精度來評價本次實驗PWV水汽反演是遠遠不夠的。雖然探空站探測水汽的時空分辨率較低，但探空反演水汽仍是當(dāng)今最準(zhǔn)確的探測水汽技術(shù)。探空站采集的數(shù)據(jù)的時間是UTC時00:00和12:00 2個時刻，香港地區(qū)有且僅有1個探空站（King’s Park, 45004）解算的PWV記作Rad/PWV，與香港昂船州站（HKSC）相距僅2 km，故使用HKSC站2018年年積日第182 ~212天，一共62組數(shù)據(jù)進行對比分析，對比結(jié)果如圖5所示，表3統(tǒng)計分析得到Rad/PWV與IGF/PWV?IGR/PWV?IGU/PWV之間的相關(guān)對比指標(biāo)?

其中年積日第182天對應(yīng)著7月1日，正值夏季，香港地區(qū)降雨較多、空氣中水汽較高。探空數(shù)據(jù)與實驗解算的PWV有相同的趨勢性，相關(guān)性指標(biāo)IGF與探空數(shù)據(jù)最高，相似程度最大，但是3種方案的差別并不大，均為0.94左右。

圖5 不同星歷產(chǎn)品與探空數(shù)據(jù)的比較

表3 Rad/PWV與GNSS/PWV對比結(jié)果

由于空氣中水汽的姿態(tài)較多、變化速度極快，實驗中的采樣間隔越小越能反映出水汽的變化特點。短時的天氣預(yù)報需要選用較小時間間隔，所以利用GPAS軟件進行PWV計算時，采用的時間間隔為1 h，每天可生成24組結(jié)果。由于篇幅有限，僅以HKSC、HKOH、HKST及HKPC 4站在不同星歷條件下31 d的水汽反演結(jié)果為例，以精度最高的IGF為標(biāo)準(zhǔn)，計算出各站IGF星歷與IGR星歷?IGU星歷反演結(jié)果之間的差值，如圖6所示。

圖6 不同方案解算PWV差值序列

圖6為不同測站利用不同星歷解算PWV的時間序列?可以看出IGU、IGR和IGF反演PWV結(jié)果在數(shù)值上非常接近，IGF與其他2者之間的差值沒有超過3 mm?？梢缘贸觯簾o論哪個測站，IGF與IGR反演結(jié)果的相關(guān)系數(shù)均可以達到0.999，平均偏差在0.02~0.04 mm之間，均方差在0.2 mm左右波動，IGF與IGU反演結(jié)果的相關(guān)系數(shù)均在0.998，平均偏差為0.01~0.03 mm之間，均方差在0.3 mm左右波動。由此可得，通過IGR、IGU反演水汽時，反演結(jié)果相比于IGF精度偏低，但均可以滿足氣象數(shù)據(jù)預(yù)報精度要求。

5 結(jié)束語

針對IGS提供的星歷產(chǎn)品，分析了不同星歷產(chǎn)品對解算對流層延遲以及反演PWV精度的影響。以IGS提供的ZTD產(chǎn)品和探空站計算的PWV值為參考，最終精密星歷反演的精度最高，超快速精密星歷最低，快速精密星歷居中；但是3者在趨勢和數(shù)值方面均表現(xiàn)出較好的一致性，與探空站的相關(guān)系數(shù)均為0.94。同時，各個測站的IGU/PWV和IGR/PWV與IGF/PWV的相關(guān)系數(shù)均超過0.999。在滿足短期實時預(yù)報的前提下，可以利用超快速精密星歷替代最終精密星歷，解算大氣水汽進行準(zhǔn)實時的數(shù)值天氣預(yù)報。

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Influence analysis of different ephemeris products on precipitable water vapor of GNSS

REN Zhengzhao1,2, XU Changhui1, DANG Yamin1

（1. Chinese Academy of Surveying and Mapping, Beijing 100830, China 2. College of Geomatics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China）

Aiming at the problem that the issue time is long and the updating speed is slow of final precise ephemeris, which cannot meet the requirement of real-time numerical weather forcasting, the paper proposed the inversion method of GNSS PWV by using ultra-rapid ephemeris and rapid ephemeris instead of the final precise ephemeris, and a PWV inversion test was carried out with the high-precise GNSS data processing software GPAS developed by the Chinese Academy of Surveying and Mapping, based on the observation data of CORS in Hong Kong and the ephemeris products provided by the International GNSS Service (IGS). Result showed that the GNSS-PWV inverted by the three schemes could have strong correlation with the PWV calculated by sounding data, among which the accuracy of PWV from precise ephemeris would be the highest, while that from ultra-fast prediction ephemeris would be the lowest; meanwhile the correlation of PWV between the three schemes would be high, which verified that it could be feasible to use the ultra-fast forecast ephemeris instead of the final precise ephemeris to perform PWV reversal, with an appropriate accuracy of real-time weather forecasting.

global navigation satellite system (GNSS); ground-based GNSS; ephemeris products; precipitable water vapor; sounding data

P228

A

2095-4999(2020)02-0090-06

任政兆，許長輝，黨亞民.不同星歷產(chǎn)品對GNSS可降水量的影響分析[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報, 2020, 8(2): 90-95.（REN Zhengzhao, XU Changhui, DANG Yamin. Influence analysis of different ephemeris products on precipitable water vapor of GNSS[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2020, 8(2): 90-95.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20200215.

2019-06-05

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFB0501405）；國家自然科學(xué)基金面上項目（41874042, CFZX0301040308-06）；中國測繪科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費（AR1930）。

任政兆（1994—），男，山東煙臺人，碩士研究生，研究方向為對流層延遲建模與GPS氣象學(xué)。