三种对流层延迟改正模型精度评估

利用36个全球分布的IGS站2003全年GPS实测的对流层天顶延迟数据和气象数据,对目前国内外常用的两个对流层延迟改正模型;Hopfield模型、Saastamoinen模型和最近几年发展起来的EGNOS模型的改正精度和适用范围进行评估,指出Hopfield模型在应用中存在的缺陷,EGNOS模型可用作GNSS实时定位和导航的对流层天顶延迟的改正模型.     

GNSS对流层延迟映射模型分析

介绍了GNSS定位中常用的三种对流层映射函数NMF、GMF、VMF1和一种新的模型——GPT2,通过测站气压、天顶静力学延迟分量以及投影函数参数三个方面对这几个模型进行了比较。采用不同的模型对全球均匀分布的30个IGS测站2012年全年的GPS观测数据进行精密单点定位,分析了不同模型解算的测站坐标与对流层天顶延迟精度。分析结果表明:以实测气压为基准,VMF1模型气压误差仅为0.4%,GPT2模型相对于GPT模型改善了约25%;以VMF1 HT模型为基准,GPT和GPT2模型天顶静力学延迟中误差约为1 cm,GPT2模型精度略优于GPT模型;以VMF1网站发布的测站VMF1模型为基准,GPT2模型的干、湿映射函数参数ah、aw中误差约为1×10-5和5×10-5;在IGS08框架下,GMF/GPT与VMF1/GPT2模型的PPP坐标解精度比NMF提高了22%;两模型定位精度与ZTD精度都明显高于NMF模型。     

基于高精度对流层延迟改正的转发式卫星测定轨

转发式卫星测定轨传统上一直使用气象站数据和Saastamonien模型,计算天顶对流层延迟,精度约为4 cm。为了提高对流层延迟改正精度,并进一步提高卫星测定轨精度,在转发式测轨站上并址配置测地型GPS/BDS多系统接收机,基于IGS/iGMAS产品计算得到各站高精度的对流层天顶延迟,精度约为5 mm。将此新的对流层延迟改正应用于定轨软件,开展了GEO卫星转发式测定轨试验。试验结果表明:使用本文方法的对流层延迟后,定轨精度有较为明显提高,平均重叠弧段轨道差由1.402 m,减小到1.268 m,改善约为10%。     

地面GPS观测探测大气可降水汽量的方法和前景

介绍了利用地面GPS观测探测大气可降水汽量（PWV）的基本原理和方法及其在气象学和天文定位上的应用．地面GPS测量的PWV估计的主要误差源来自天顶湿延迟的估计．为了提高天顶湿延迟的估计精度,根据大气湿分量随时间变化的特性,天顶湿延迟的估算可采用确定性参数估计和随机模型估计．采用这些方法能有效地提高GPS精密定位中高程测量的精度,且其估算的PWV的精度可达1-2mm,足以满足天气预报和气候研究的需要．简述了大气分布的非球对称性对PWV估计的影响并评述了利用地面GPS测量探测PWV的前景．     

LAMBDA方法在计算GPS信号斜路径水汽含量中的应用

随着GPS数据处理技术的提高以及计算精度的提高,GPS在大气科学中的应用日益广泛.在GPS气象学研究中,斜路径水汽含量(SWV)是一个有重要意义的参数.针对宋淑丽等在2004年提出的一种应用精密星历、IGS钟差、和经过周跳处理的LC组合观测值直接计算SWV的方法存在实时性较差的问题,在处理模糊度搜索的问题上应用了目前城市虚拟参考站(VRS)上应用较为成熟的LAMBDA方法.经过数据试算,验证方法可行,计算结果投影到天顶方向有较好的一致性,此方法得到的垂直方向大气延迟(ZTD)与GAMIT,BERNESE的结果比较,与BERNESE结果的符合精度一般小于1.5cm,与GAMIT结果的符合精度一般小于10cm.     

利用GPS数据标校水汽辐射计的方法研究

对流层是影响各类对地观测、地对空观测精度的主要因素之一.目前GNSS(Global Navigation Satellite System)技术由于其时空分辨率和精度方面的优越性,成为大气延迟和水汽监测的主要手段之一.水汽辐射计WVR (Water Vapor Radiometer)是传统的大气探测手段,由于其观测原理和灵敏度等方面的特点,也有其特殊的用途. WVR在正式投入使用前必须根据各个测站的具体情况进行标校,一般采用探空数据来进行,但探空数据采样频率低、数据量小, GNSS具有相对的优势.利用分布于北京(BJMY)、上海(SHAO)、昆明(YNKM)、乌鲁木齐(URUM) 4个VLBI (Very Long Baseline Interferometry)台站的GPS和水汽辐射计数据,开展了利用GPS数据标校WVR的方法研究,探讨了各个台站WVR的数据预处理方法,分析了影响水汽辐射计测量精度的因素.利用2015–2016年的4个并置台站的GPS和WVR观测数据,验证水汽辐射计数据的稳定性与可靠性.采用归一化处理方法,利用GPS数据对水汽辐射计进行了校准,为水汽辐射计的标校提供了一种新的思路和方法.     

电离层延迟改正对GPS定时的影响分析

为分析电离层延迟改正对GPS定时的影响,采用修正电离层延迟的Klobuchar模型法和双频法,并利用IGS(International GNSS Service)观测站多天的GPS实测数据,计算得到了定位结果、GPS接收机钟差及其与IGS产品的测站钟差之差值.计算结果的分析表明,上述两种电离层延迟修正法有利于改善GPS定时结果,其中双频改正法效果更好.     

同波束VLBI双差分电离层电子总量抖动天顶方向统计特性研究

深空探测器和射电源的信号通过地球大气和电离层时相位发生抖动,对地面观测系统如VLBI(Very Long Baseline Interferometry)的测量精度产生极大影响.基于日本SELENE工程的两颗小卫星Rstar和Vstar 4测站长达1 yr的同波束VLBI观测数据,考虑视线方向不同仰角的影响并利用投影函数进行归一化处理,首次得到天顶方向的双差分电离层电子总量抖动统计数据.利用结构函数分析研究了6条基线的双差分电离层电子总量抖动的统计特性,并反演得到4个测站的统计特性.首次解算出天顶方向双差分电离层电子总量抖动的均方根与角距离的关系模型.6条基线天顶方向的双差分电离层电子总量抖动的均方根σ(单位为TECU)和角距离θ(单位为?)的关系模型为:σ=0.50928θ+0.39534,由基线反演出4个测站天顶方向的关系模型为:σ=0.36595θ+0.27974.     

利用地基GPS技术反演武汉地区大气可降水分

利用武汉地区的探空资料和GPS实测数据，对对流层干分量延迟、对流层加权平均温度进行了检验分析．结果表明，对于武汉地区而言，常用的大气干分量延迟模型(SAAS Hopfield and Black)存在着1-2cm的系统误差，这在利用GPS资料估算大气可降水分(PWV)时会引入2-3mm的误差；对流层加权平均温度与常用的Bevis公式也存在着一定的差异，但这种差异对PWV结果影响很小．为此，提出了校正对流层干分量延迟的方法，并利用实测数据对该方法进行了检验．实践证明，这种校正方法基本上可以消除常用干分量模型的系统误差。     

VLBI相位参考中的残余对流层延迟修正

VLBI (very long baseline interferometry)相位参考在高频波段(约大于10 GHz)的主要误差源是对流层延迟模型误差,减小该项误差的有效途径是采用实测资料对其精确拟合。常用的修正方法有两种:一种是在相位参考观测中穿插测地观测,用以拟合剩余大气延迟;另一种是使用GPS并置站的对流层产品改正。两种改正方法的精度约为2 cm。从残余相位中提取出了残余大气信息,提出了传统方法与残余相位拟合大气参数相结合的改正方法,并通过实测数据对该方法进行了验证。     

提高中性大气折射延迟改正精度的可能途径

针对空间大地测量技术对中性大气折射延迟改正精度的要求,阐述了折射延迟改正值应随测站和随方位而异的必要性．指出,在尚不能直接测定天文大气折射值的情况下,现有的各种改正模型对大气分布模型的依赖性,不能达到预期的精度和降低观测的截止角．根据云南天文台低纬子午环的特殊结构,和测定大气折射的实践,提出了提高折射延迟改正精度的新方法,即：利用各观测站不同方位从天顶附近直到低地平高度角的天文大气折射实测数据,求解得到折射率差和映射函数的参数,从而建立随测站和随方位而异的大气折射延迟改正模型．这一新方法的实施,将能在不需采用大气分布模型的情况下,把天顶延迟的改正精度提高到1 mm以内,低地平高度角的折射延迟改正精度提高到厘米级,并且把截止高度角压缩到5°以内．     

基于中国部分城市气象条件的对流层延迟分析

随着用户对卫星定位导航精度要求的提高,对流层大气延迟影响将更加明显,需要进行延迟改正.对比分析了对流层大气延迟理论的主要映射函数模型,讨论了我国部分测站NMF(Niell Mapping Function)、VMF1(Vienna Mapping Function 1)和GMF(Global Mapping Function)的静力学映射函数和湿映射函数的分布情况,分别采用上述3种映射函数研究了我国部分城市气象条件下的对流层延迟.从运算结果分布曲线可知,所选测站的VMF1和GMF静力学映射函数曲线呈年周期余弦分布且大致相同,而NMF静力学映射函数值总体大于前两者;VMF1湿映射函数受气候变化影响较大,呈近似余弦函数分布,且VMF1和GMF呈近似夏季最小、冬季最大的分布.10°高度角下,所选测站斜延迟均呈现年周期余弦曲线分布,随着纬度的增加,斜延迟呈减小趋势,且呈夏季最大、冬季最小的分布,最大、最小值差约为2 m.     

测定天文大气折射和建立折射延迟实测模型的必要性

根据经典天体定位测量受天文大气折射的影响和现代空间大地测量对中性大气折射延迟改正的要求,分析了这些修正没有达到预期精度要求的原因:主要在于不能直接测定天文大气折射;文章针对这些影响量对大气分布模型的依赖性,改正值应随着不同的观测站和不同方位而异的要求,提出了提高这两种改正精度的有效途径:在各观测站不同方位的各天顶距,测定天文大气折射值,分别建立不同方位的大气折射实测模型,并利用实测数据,求解出折射率差和映射函数的参数,建立和采用随着观测站、随着方位而异的折射延迟改正模型。这一新方法的实施,将能在避免采用大气分布模型的情况下,把较低高度角的折射延迟改正精度从现在的米级提高到厘米级,并且把截止高度角压缩到5°以内。文章还论述了在各观测站多方向测定天文大气折射值的可能性。     

基于ARMA模型的导航卫星钟差长期预报

卫星钟差长期可靠预报是实现卫星自主导航定轨所要解决的重要前提之一.针对多项式模型(PM)、灰色模型(GM)等常用的钟差预报方法存在的预报误差较大的情况,为了有效地进行卫星钟差预报和更好地反映卫星钟差变化特性,将ARMA(Auto-Regressive Moving Average)模型引入到卫星钟差预报中,利用IGS(International GNSS Service)提供的卫星钟差观测数据进行90 d的长期预报,根据各个卫星钟差的变化特性,对其进行模式识别、建模和预报,并与其它3种模型进行了较为细致的比较.计算结果表明,采用ARMA模型可以有效地提高卫星钟差的长期预报精度.     

上海天文台GPS气象学的研究现状

介绍了上海天台GPS气象学的背景,进展和研究成果,从90年代起,上海天台就分别开展了地基GPS气象学和空基GPS气象学的研究工作,在地基GPS气象研究中,利用国内分布的23个GPS网站及周边地区6个IGS台站,在1996年7月26日到31日（6天）的GPS观测资料,首先求得中性大气天顶延迟改正序列,然后推出测站上空可降水汽量积分,采样频率分别取为30分钟和2小时,得到的天顶延迟改正的精度好于1cm,后演出可降不汽含量的内部精度约1－2mm,把国内GPS网中具有探空气球观测的4个台站,上海,武汉,箍春和西宁的资料进行比较,发现GPS和探空气球的可降水汽含量之间的平均中误差为3－4mm,考虑到上海地区在台风和气候变化较剧烈的季节因素,选择了1997年8月2日到9日（8天）和8月17日至27日（11天）的两个观测时段,做了国内第一个GPS/storm实验,实验结果表明,地面GPS网有可能获得几乎实时的,连续的和主精度的可降水汽含量值,它的结果很好地与实时降雨量过程相对应,实验证明,利用预报轨道可以获得与精密轨道几乎相同的结果,在空基GPS气象研究中,发现地面GPS网水汽观测具有良好的时间覆盖率的优点,缺乏空间分辨率的缺点,而现在的GPS无线电掩星方法恰恰具有良好的空间分辨率而缺乏时间覆盖率,因此,在地球低轨道（LEO）卫星的轨道设计中,提出了通约LEO卫星的方法,希望通过改进轨道的LEO卫星获得长达200多天的观测序列,而它的地面观测点的漂移可以控制在于小100km,这种方法也可以用来设计对特定地面点上空大气剖面的测定,还在设计和建立GPS无线电掩星反演大气剖面的软件。     

基于一次差的灰色模型在卫星钟差预报中的应用

根据星载原子钟钟差的特点,提出一种基于一次差的灰色GM(1,1)钟差预报方法.该方法首先对相邻历元的钟差作一次差,然后以一次差后的值建立灰色模型预报一次差的值,最后将预报的一次差还原即得到钟差预报值.以IGS(International GNSS Service)提供的采样率为5 min的精密钟差为实验数据,通过对不同长度的建模数据和不同预报步长进行对比分析.结果表明:该方法的预报精度较传统的灰色模型有了较大提高,特别是对于PRN01原子钟,其预报效果最好;采用一次差原理可有效改善和提高模型预报的精度和稳定性,应用于钟差较长时间预报是可行的,可靠性较强.     

基于多源GNSS观测数据的三维电离层研究现状及发展

近年来,随着GNSS (global navigation satellite system)技术的发展,利用地基和空基GNSS电离层探测的空间特征,形成了更加完善的三维电离层观测系统,获得了丰富的多源GNSS电离层观测数据,促进了电离层在理论模型、经验模型及同化模型方面的进展,同时,通过结合中性大气及等离子层等方面的...     

卫星钟差预报模型中周期项的选取方法及性能分析

针对卫星钟差预报(SCB)中周期项选取方法存在的问题,在分析卫星钟周期波动特性的基础上,给出了正确的周期项选取方法,并与现有方法进行了比较.利用IGS(International GNSS Service)的卫星钟差数据,比较分析了二次多项式加周期项模型与传统模型的预报精度.从理论上分析了周期项对传统模型的改善程度及适用条件.结果表明:按照提出方法得到的周期项更符合实际,将其应用于钟差预报时能获得更高的预报精度,大量仿真实验还表明卫星钟周期性波动相对较大时周期项对传统模型有明显改善.     

GPS信号斜路径方向水汽含量的计算方法

利用GPS信号斜路径方向的水汽含量(SWV)探测水汽的三维分布，是目前国际上地基GPS气象学研究的前沿课题．基于此提出了一种利用无电离层影响的GPSLC非差观测组合直接计算斜路径方向水汽含量的方法．该方法每30秒钟计算一次斜路径方向的水汽含量．计算结果与水汽辐射计(WVR)的观测值比较表明，利用该方法计算斜路径方向的水汽含量可以达到毫米级的精度．把5分钟内的斜路径水汽投影到天顶方向取平均，与以5分钟间隔估计的可降水量(PWV)进行比较，结果表明二者之间的差别小于2mm．用该方法计算的GPS信号斜路径方向上的水汽含量，可以用于层析水汽的三维分布，优化数值天气预报的初始场，也可以改正GPS大地测量和雷达影像的误差。     

多种空间大地测量技术内综合方法研究及精度分析

详细地叙述了国际空间大地测量技术服务组织ILRS(International Laser Ranging Service),IVS(International VLBI Service),IGS(International GNSS Service)和IDS(International DORIS Service)分别采用SLR(satellite laser ranging),VLBI(very long baseline interferometry),GPS(global positioning system)和DORIS(Doppler orbitography and radio-positioning intergrated by satellite)四种技术,并由多家分析中心的站坐标和地球定向参数的SINEX(solution in independent exchange format)周解(或24 h观测解)进行技术内综合解算的方法,包括技术内综合模型的建立、参考架基准约束问题和不同分析中心解的定权方法等主要内容,并对ILRS,IVS,IGS和IDS提供的技术内综合周(日)解的长期序列进行了站坐标和地球定向参数(earth orientation parameters,EOP)的精度评估,分析了地球参考架基准参数的长期特性。由地球参考架基准定义可知,SLR技术内SINEX综合解相对于ITRF2014的平移参数时间跨度最长,且没有明显的偏差或漂移;GPS技术的三个方向平移参数虽然弥散度最低,但是在X方向和Y方向存在长期的线性变化,在Z方向存在跳变;DORIS技术也有类似GPS技术的现象。这些结果说明ITRF2014选择SLR定义的地心作为参考架原点是有道理的。通过分析台站坐标精度可知,利用各种技术对核心站和非核心站进行区分非常重要,所分别得到的精度有明显的不同。由于GNSS(global navigation satellite system)台站多且分布广,因此地球定向参数的确定精度要高于其他三种技术。