利用探空產(chǎn)品評(píng)估GNSS-PPP估計(jì)ZTD精度

趙 濤，夏朋飛，葉世榕

(1.武漢大學(xué)GNSS技術(shù)研究中心，武漢 430072；2. 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，武漢 430079)

0 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS) 具有全天候、連續(xù)性、全球覆蓋等優(yōu)勢(shì)。在滿足全球?qū)Ш胶投ㄎ恍枨蟮耐瑫r(shí)，GNSS還可以向用戶提供時(shí)間、速度和大氣延遲等信息，因而在測(cè)量、軍事、大氣研究等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。當(dāng)前，利用GNSS技術(shù)探測(cè)對(duì)流層大氣已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外研究者根據(jù)GNSS獲得的天頂對(duì)流層延遲(Zenith Troposphere Delay，ZTD)反演對(duì)流層水汽時(shí)空分布信息，并將其成功地應(yīng)用到了氣象和氣候方面的研究中[3]。在20世紀(jì)80年代，美國(guó)的Davis和Herring等在該領(lǐng)域利用GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行了許多理論研究及實(shí)驗(yàn)，取得了豐碩的成果。隨著GNSS觀測(cè)精度的不斷提高，GNSS信號(hào)的大氣延遲效應(yīng)已可用于地球大氣的探測(cè)中[3]。一方面，GNSS定位中求得的天頂延遲改正項(xiàng)可以用來(lái)計(jì)算測(cè)站上空可降水汽量的垂直積分，這就是地基GNSS氣象學(xué)；另一方面，一個(gè)安裝在低軌衛(wèi)星上的GNSS接收機(jī)在觀測(cè)一個(gè)正在掩星過(guò)程中的GNSS衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，可用反演方法提供地球大氣的壓力、溫度和濕度的詳細(xì)剖面，這就是空基GNSS氣象學(xué)[3]。

地基GNSS大氣反演通常建立在局域地基GNSS網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)雙差處理消除衛(wèi)星鐘差的影響，可實(shí)時(shí)提供各測(cè)站上空的大氣可降水量(Perceptible Water Vapor, PWV)[3]。由于距離較近的相鄰測(cè)站ZTD具有相關(guān)性，雙差模式只能獲得測(cè)站間的相對(duì)PWV，而獲取測(cè)站上空的絕對(duì)PWV則需要在網(wǎng)中某個(gè)測(cè)站上配置水汽輻射計(jì)進(jìn)行定標(biāo)才能實(shí)現(xiàn)。而GNSS非差模式，即精密單點(diǎn)定位技術(shù)可以直接獲取測(cè)站上方的ZTD和絕對(duì)PWV。因此，GNSS精密單點(diǎn)定位技術(shù)估算ZTD一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[4-5]。Shi研究了中國(guó)大陸對(duì)流層變化的特征[6],認(rèn)為ZTD的結(jié)果與國(guó)際GNSS服務(wù)(International GNSS Service，IGS )一樣具有很高的準(zhǔn)確性和可靠性。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都對(duì)對(duì)流層延遲模型的精度進(jìn)行了評(píng)估[7-9],其中一些學(xué)者分析了對(duì)流層延遲計(jì)算結(jié)果在不同地區(qū)的精度[10-13]，提出了新的對(duì)流層延遲反演方法[14-15]。

ZTD根據(jù)是否含有水汽可以分為2個(gè)部分：天頂對(duì)流層干延遲(Zenith Hydrostatic Delay, ZHD)和天頂對(duì)流層濕延遲(Zenith Wet Delay, ZWD)。ZHD變化較為平穩(wěn)，利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢愿呔鹊孬@取ZHD。從ZTD中剔除ZHD后便可得到ZWD，利用濕度轉(zhuǎn)換因子便可將ZWD轉(zhuǎn)換為PWV。根據(jù)上述內(nèi)容可知，ZTD的精度直接影響PWV的質(zhì)量。因此，評(píng)估GNSS精密單點(diǎn)定位技術(shù)獲取ZTD的精度是GNSS氣象學(xué)研究和應(yīng)用的必然趨勢(shì)。Olaleken等分析了尼日利亞上空Z(yǔ)TD的時(shí)空變化[16]，ZTD估計(jì)顯示各站之間的空間依賴性較弱。陳于等分析了IGS精密星歷和鐘差對(duì)ZTD精度的影響[17-18]，結(jié)果表明利用IGS精密軌道解算的ZTD與IGS提供的ZTD相當(dāng)。Suparta等利用自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)建立了南極天頂路徑延遲模型[19]。Kalita等認(rèn)為對(duì)流層延遲是影響精確點(diǎn)定位方法收斂時(shí)間的關(guān)鍵因素之一，討論了對(duì)流層初始參數(shù)的方差和偏差對(duì)定位的影響[20]。

無(wú)線探空提供了高精度和高垂直分辨率的大氣參數(shù)(大氣壓強(qiáng)、大氣溫度、相對(duì)濕度等)，利用這些大氣參數(shù)可以計(jì)算出ZTD。本文試圖將探空產(chǎn)品獲得的ZTD作為真值來(lái)評(píng)估GNSS估算的ZTD。選取中國(guó)地區(qū)4個(gè)IGS測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)及其附近的探空產(chǎn)品進(jìn)行試算，并解決了兩類觀測(cè)產(chǎn)品空間分辨率不一致性的問(wèn)題。

1 探空產(chǎn)品估算ZTD

無(wú)線電探空儀簡(jiǎn)稱探空儀，是隨著探空氣球上升，用敏感元件直接測(cè)量大氣壓力、溫度和相對(duì)濕度層結(jié)曲線的無(wú)線電遙測(cè)儀，是高空氣象站主要儀器之一。無(wú)線電探空儀由感應(yīng)元件、轉(zhuǎn)換電路、編碼裝置、無(wú)線電發(fā)射機(jī)和電源組成。大氣高度上的溫度、壓力和濕度分別由溫度、壓力和濕度元件感應(yīng)，其機(jī)械的或電的輸出由轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)依次接入編碼器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，再由發(fā)射機(jī)經(jīng)調(diào)幅或調(diào)頻發(fā)送，接收頭在地面進(jìn)行接收、解調(diào)和記錄。利用探空測(cè)站歷史探空數(shù)據(jù)計(jì)算ZTD，ZTD包括兩部分分別為ZHD和ZWD，可以表示為

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

把式(4)和式(5)代入式(1),便可獲得ZTD。

中性大氣延遲一般泛指電磁波信號(hào)在通過(guò)高度為50km以下的未被電離的中性大氣層時(shí)所產(chǎn)生的信號(hào)延遲。由于探空測(cè)站觀測(cè)值的高度一般只到達(dá)對(duì)流層頂處，在對(duì)流層頂以上沒(méi)有觀測(cè)數(shù)據(jù)或者只有部分高程有數(shù)據(jù)，故需要考慮對(duì)流層頂以上高度大氣層產(chǎn)生的延遲值。由于對(duì)流層頂以上的大氣層上水汽值可以忽略不計(jì)，本文直接利用Saastamoinen干延遲模型估算探空產(chǎn)品對(duì)流層頂以上的ZTD來(lái)彌補(bǔ)探空觀測(cè)值的不足。

2 匹配探空測(cè)站與GNSS測(cè)站空間分辨率

為利用探空產(chǎn)品獲得的ZTD評(píng)估GNSS精密單點(diǎn)定位技術(shù)估算ZTD的精度，選取中國(guó)區(qū)域4個(gè)IGS觀測(cè)站及其附近探空測(cè)站2014—2018年共5年的數(shù)據(jù)。選取的測(cè)站分布如圖1所示。

圖1 GNSS測(cè)站及附近探空站的分布Fig.1 Distribution of GNSS stations and nearby radiosonde stations

本文利用Bernese 5.2軟件，采用IGS分析中心提供的精密軌道和精密鐘差文件，選用無(wú)電離層組合模型，將衛(wèi)星截止高度角設(shè)置為7°，對(duì)GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，每1h輸出一次接收機(jī)坐標(biāo)及接收機(jī)上方的ZTD。由圖1可以看出，GNSS測(cè)站與探空測(cè)站相距很近，一般在10km以內(nèi)，為了進(jìn)行對(duì)比分析，需要事先統(tǒng)一兩種產(chǎn)品的時(shí)空分辨率。探空產(chǎn)品的時(shí)間分辨率為12h，而GNSS估算的ZTD為1h。故每天可抽取出GNSS測(cè)站與探空產(chǎn)品測(cè)站相同時(shí)間點(diǎn)的ZTD值進(jìn)行比較來(lái)匹配二者的時(shí)間分辨率。此外，文中計(jì)算了匹配時(shí)間分辨率后的探空測(cè)站與GNSS測(cè)站之間的高程差，以BJFS測(cè)站和URUM測(cè)站與其對(duì)應(yīng)的探空測(cè)站為例，繪制圖形如圖2所示。

圖2 探空測(cè)站與GNSS測(cè)站高程差Fig.2 Elevation difference between radiosonde station and GNSS station

由圖2可知，時(shí)間分辨率匹配完成后，探空測(cè)站與GNSS測(cè)站部分時(shí)刻存在高程差。以BJFS測(cè)站為例，高程差的均方差為99.48m,平均偏差為19.62m, 最大偏差為1478m, 其他測(cè)站的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)在表1中給出。在這樣的情況下，無(wú)法評(píng)估GNSS精密單點(diǎn)定位技術(shù)估算ZTD的精度。因此，利用GNSS測(cè)站配置的氣象觀測(cè)值作為探空測(cè)站的起始觀測(cè)值，彌補(bǔ)探空測(cè)站起始高度與GNSS測(cè)站不一致時(shí)的天頂方向?qū)α鲗友舆tZTD，達(dá)到匹配兩者的空間分辨率的目的。

表1 探空測(cè)站與GNSS測(cè)站高程差統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table of elevation difference between radiosonde stations and GNSS stations m

完成GNSS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與探空測(cè)站數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率匹配后，繪制探空測(cè)站天頂方向?qū)α鲗友舆t隨時(shí)間的變化圖如圖3所示,分別對(duì)應(yīng)BJFS、WUHN、URUM和SHAO測(cè)站。

圖3 探空測(cè)站對(duì)流層延遲隨時(shí)間變化圖Fig.3 Tropospheric delay with time in radiosonde stations

由圖3可知，探空測(cè)站對(duì)流層延遲變化趨勢(shì)可用三角函數(shù)進(jìn)行較好的擬合，ZTD在一年中的變化具有明顯的季節(jié)性，在氣溫高的季節(jié)較氣溫低的季節(jié)有明顯的提升。這導(dǎo)致了許多對(duì)流層誤差模型精度不穩(wěn)定，難以做到精確化。因此，研究實(shí)測(cè)GNSS數(shù)據(jù)提供的對(duì)流層延遲的精度非常必要。

3 評(píng)估GNSS精密單點(diǎn)定位ZTD的精度

本文共選取中國(guó)地區(qū)4個(gè)探空測(cè)站的數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估利用GNSS精密單點(diǎn)定位技術(shù)估算ZTD的精度，并采用偏差(Bias)、均方差(Rms)、平均值(Mean)、最大值(Max)和最小值(Min)五種指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)其精度。

為了分析實(shí)測(cè)ZTD的偏差，本文分別求出了4個(gè)測(cè)站GNSS估算的ZTD與探空測(cè)站估算的ZTD之差。限于篇幅，文中僅給出了BJFS測(cè)站和URUM測(cè)站的ZTD偏差序列DZTD，如圖4所示。

圖4 GNSS測(cè)站2014—2018年天頂延遲偏差曲線Fig.4 Zenith delay deviation curve for GNSS measurement stations in 2014-2018

從圖4中可以看出，BJFS測(cè)站偏差分布呈現(xiàn)季節(jié)性變化，全年變化較為平穩(wěn)；URUM測(cè)站在2017年缺失了部分?jǐn)?shù)據(jù)，其偏差分布規(guī)律總體與BJFS測(cè)站一致。但BJFS測(cè)站與URUM測(cè)站的ZTD偏差有部分超過(guò)5cm。為了探究該情況出現(xiàn)的原因，繪制BJFS測(cè)站和URUM測(cè)站的ZTD偏差與測(cè)站的高程差的對(duì)比圖如圖5所示。

圖5 ZTD偏差與高程差趨勢(shì)對(duì)比圖Fig.5 Comparison of ZTD deviation and elevation difference trend

從圖5中可以看出，ZTD偏差與測(cè)站的高度差具有一定的相關(guān)性。在一定范圍內(nèi)，將GNSS的氣象觀測(cè)值作為起始數(shù)據(jù)可以彌合探空測(cè)站的數(shù)據(jù)；但當(dāng)測(cè)站的高度差過(guò)大時(shí)，將GNSS的氣象觀測(cè)值作為起始數(shù)據(jù)則不能完全代替探空測(cè)站的數(shù)據(jù)。為了進(jìn)一步探究這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，繪制ZTD偏差和探空測(cè)站最大高度的對(duì)比圖如圖6所示。

圖6 ZTD偏差與探空測(cè)站最大高度趨勢(shì)對(duì)比圖Fig.6 Comparison of ZTD deviation and maximum elevation trend by radiosonde station

從圖6可以看出，ZTD偏差與探空測(cè)站可觀測(cè)的最大高度也具有一定的相關(guān)性。由于探空數(shù)據(jù)中缺失對(duì)流層頂以上的觀測(cè)數(shù)據(jù)，但對(duì)流層頂以上高度水汽值可以忽略不計(jì)，故本文利用Saastamoinen干延遲模型估算探空產(chǎn)品對(duì)流層頂以上的ZTD以彌補(bǔ)探空觀測(cè)值的不足。盡管Saastamoinen干模型精度很高，但本身也存在一定的誤差，尤其在較高的大氣層上利用Saastamoinen干模型估算ZTD的精度還有待進(jìn)一步研究。

為分析GNSS精密單點(diǎn)定位技術(shù)獲得ZTD的精度，分別統(tǒng)計(jì)了4個(gè)IGS測(cè)站與探空測(cè)站估算ZTD的偏差及其他指標(biāo)如表2所示。

表2 探空測(cè)站獲得的ZTD與GNSS估算的ZTD之間偏差的統(tǒng)計(jì)值Tab.2 Statistical value of deviation between ZTD obtained by radiosonde station and ZTD estimated by GNSS cm

表2分別記錄了二者偏差的Rms、Mean、Max及Min。從表2中可以看出，4個(gè)測(cè)站均方差均小于4cm，均值小于2cm，但最大值和最小值差異懸殊。為了分析偏差隨季節(jié)的變化規(guī)律，下面進(jìn)一步分析，以BJFS測(cè)站和URUM測(cè)站為例，計(jì)算2014—2018年每個(gè)月份偏差的均方差，結(jié)果如圖7所示。

圖7 ZTD均方差(RMS)隨月份變化圖Fig.7 Variation of ZTD mean square error(RMS) with month

從圖7可以看出，ZTD的季節(jié)性變化明顯，夏秋季節(jié)ZTD的均方差明顯高于春冬季節(jié)ZTD的均方差。這說(shuō)明夏季空氣中的水汽含量較多，GNSS精密單點(diǎn)定位技術(shù)估算ZTD的精度受季節(jié)影響明顯。

4 結(jié)論

本文將無(wú)線探空產(chǎn)品獲得的ZTD作為真值評(píng)估GNSS精密單點(diǎn)定位獲得的ZTD的精度，利用GNSS氣象觀測(cè)值來(lái)彌補(bǔ)探空測(cè)站與GNSS測(cè)站高程的不匹配。選取中國(guó)地區(qū)4個(gè)IGS觀測(cè)值及其附近的探空測(cè)站2014—2018年的數(shù)據(jù)進(jìn)行試算和分析，得到如下結(jié)論：

1)從精度分析結(jié)果來(lái)看，GNSS測(cè)站實(shí)測(cè)天頂延遲與探空測(cè)站天頂延遲偏差的Rms值小于4cm;

2)從空間分布來(lái)看，SHAO測(cè)站的Rms略大于其他測(cè)站的Rms，這與上海沿海的地理環(huán)境有關(guān);

3)從時(shí)間分布來(lái)看，GNSS精密單點(diǎn)定位技術(shù)估算的ZTD精度受季節(jié)影響明顯，春冬季節(jié)的解算結(jié)果精度優(yōu)于夏秋季節(jié)的解算結(jié)果;

4)從數(shù)據(jù)處理來(lái)看，探空測(cè)站的數(shù)據(jù)精度與探空測(cè)站的測(cè)量垂直高程范圍有關(guān)，另外，在較高的大氣層上利用Saastamoinen干模型估算ZTD的精度還有待進(jìn)一步的評(píng)估。