区域实时对流层网格模型构建及在精密单点定位中的应用

受制于对流层延迟建模方法和建模背景场精度及时空分辨率的影响,目前实时对流层延迟模型的精度和稳定性都有待进一步改善.本文利用甘肃及周围地基共计184个GNSS (Global Navigation Satellite System)站估算的ZTD (Zenith Troposphere Delay),构建了空间分辨率为0.25°×0.25°的甘肃地区实时ZTD网格模型.针对传统的高程归化模型及水平内插模型精度低的问题,本文提出了利用高斯指数函数模型将不同高程的GNSS/ZTD归化到统一的高度,再基于BP神经网络模型从网格顶点周围统一高度后的GNSS/ZTD中内插出网格顶点处的ZTD.为了验证甘肃ZTD网格模型的精度,选取2022年甘肃地区8个未参与建模的陆态网GNSS测站的数据进行了实验.统计结果显示：与事后PPP (Precise Point Positioning)处理GNSS估算的ZTD相比,甘肃ZTD网格模型与真值偏差的RMS优于1.52 cm.此外,将构建的实时ZTD格网模型用于约束PPP处理,对于PPP浮点解施加ZTD约束后U方向精度提升22.9%,U方向收敛时间缩短26.4...     

2015年3月特大磁暴期间中国区域电离层TEC NeuralProphet预报模型研究

延迟是全球卫星导航定位中重要的误差源之一,提高电离层TEC建模和预报精度对改善卫星导航定位精度至关重要.本文构建了以太阳辐射通量指数F_10.7、地磁活动指数Dst、地理坐标和中国科学院(Chinese Academy of Sciences, CAS)GIM数据为输入参数的NeuralProphet神经网络模型(NP模型),实现在2015年3月特大磁暴期中国区域电离层TEC短期预报.为验证NP模型的预报精度,本文同时构建了长短期记忆神经网络(Long Short-term Memory Neural Network, LSTM)模型进行对比分析.结果统计分析表明,NP模型在磁暴期(2015年DOY076-078)TEC预报值RMSE和RD分别为0.83 TECU和3.13%,绝对和相对精度较LSTM模型分别提高1.49 TECU和10.25%;且NP模型RMSE优于1.5 TECU的比例达97.24%,远高于LSTM模型.NP模型预报值与CAS具有较好一致性和无偏性,偏差均值仅为-0.01 TECU,而LSTM模型预报值的均值偏大,偏差均值为1.49 TECU.从...     

两种精化的对流层延迟改正模型

对流层延迟是全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)导航定位中的重要误差源,其量值主要受气象条件影响.采用传统对流层建模思路,利用GPT2模型来提供相对准确的气温、气压和相对湿度,然后利用Saastamoinen模型来计算天顶对流层延迟,由此构建了GPT2+Saas模型;采用新的对流层建模思路,直接针对天顶对流层延迟的时空特性建模,构建了与GPT2+Saas模型相匹配的GZTDS格网模型.以GGOS Atmosphere格网数据为参考,GPT2+Saas模型(Bias:0.2cm;RMS:4.2cm)和GZTDS模型(Bias:0.2cm;RMS:3.7cm)较UNB3m模型精度分别提升34%和43%.以IGS(International GNSS Service)数据为参考,GPT2+Saas(Bias:0.5cm;RMS:4.7cm)和GZTDS(Bias:-0.3cm;RMS:3.8cm)相对UNB3m模型精度分别提升10%和27%.针对GPT2+Saas模型在少数测站出现精度异常的情况进行了研究,探讨了可能的原因.在两种不同思路构建的精化对流层模型中,GZTDS模型不仅表现出更高的精度,而且在时间稳定性和地理稳定性上也表现出优越性.     

对流层天顶延迟模型研究进展及其在中国区域的精度分析

对流层延迟是空间大地测量技术的主要误差源之一,数据处理中对流层延迟的修正需要借助对流层延迟模型.本文首先从物理原理出发,梳理了对流层天顶延迟模型的研究历程和最新进展.按照时间顺序,对流层延迟模型先后经历了依赖实测气象资料的经典模型、不依赖实测参数的经验模型和以数值模型气象资料为基础的高分辨经验模型三个发展阶段.其次,本文利用中国区域内219个GPS测站2014—2015年两年实测的天顶延迟,对后两类经验模型中国际最新通用的代表模型UNB3m和GPT2w在中国境内的实际精度进行评估.精度评估结果显示:UNB3m模型在中国地区的平均Bias为-0.85 cm,平均RMSE为5.14 cm,其精度不随计算时间分辨率的变化而显著变化;模型参数的空间分辨率对GPT2w模型在中国地区的精度的影响不大,但GPT2w模型精度随计算时间分辨率的提高显著下降,2 h分辨率时GPT2w模型的平均RMSE分别为8.07 cm(1°参数文件)和7.97 cm(5°参数文件),1天分辨率时GPT2w模型的平均RMSE分别为3.49 cm(1°参数文件)和3.59 cm(5°参数文件);受水汽分布的影响,时间上,两个模型在冬季的精度相对最高,在夏季的精度相对最差,空间上,两个模型在高纬度和高海拔地区的精度相对较高.以上分析可为中国区域用户对流层延迟模型的选择提供参考.     

基于实时精密单点定位技术的暴雨短临预报

提出了一种将实时精密单点定位(Precise Point Positioning, PPP)技术用于暴雨短临预报的新方法.该方法首先基于GPS连续运行参考站网(Continuously Operating Reference Stations, CORS)实时估计的精密卫星钟差完成PPP解算,再以实时获取的对流层延迟(Zenith Tropospheric Delay, ZTD)及其增量变化为依据进行暴雨短临预报.研究结果表明:一般雷暴天气来临之前的2~6 h,ZTD增量表现为先后突破±5 mm/5 min,且后续记录到的实际降水量大小与ZTD维持在高水平阶段的时间长短有较好的对应关系;就热带气旋而言,在强风作用下,ZTD增量变化表现的异常活跃和复杂,规律性较弱,但对短临预报强降雨仍有一定的指示作用.     

基于垂直剖面函数式的全球对流层天顶延迟模型的建立

对流层延迟是无线电导航定位的主要误差源之一,其值对目标高程的变化敏感.在动态导航定位中,由于目标高程变化随机性强,延迟改正实时性需求高,已有的对流层延迟模型难以满足应用需求.本文利用2005到2006年ERA-Interim再分析气象资料积分方法计算的对流层天顶总延迟(ZTD)、天顶静力学延迟(ZHD)以及天顶非静力学延迟(ZWD)的垂直剖面研究了ZTD随高程变化的最佳拟合形式,并以此为基础建立了全球ZTD改正模型SHAO-H.该模型以大气中水汽的垂直分布规律为依据,将ZTD表示为高程的分段函数,进而再模制每段函数中各参数随时间的变化.精度评估显示:与积分ZTD相比,SHAO-H模型计算的ZTD在不同等压层上的平均bias大部分在±1 mm以内,随着高度的上升,平均RMS由39 mm减小至不足1 mm;与IGS (International GNSS Service)实测ZTD相比,SHAO-H模型的精度(bias为7.02 mm,RMS为38.50 mm)优于UNB3m模型(bias为14.67 mm, RMS为51.95 mm).SHAO-H模型具有精度稳定、计算简便等优点,适宜任意高度的用户使用.     

亚洲地区ECMWF/NCEP资料计算 ZTD的精度分析

对流层延迟是卫星导航定位的主要误差源,气象观测的数值预报资料可用来计算对流层延迟改正量.本文通过分布于亚洲地区的49个GPS台站一年的实测ZTD资料,对利用欧洲中尺度天气预报中心(ECMWF)分析资料、美国国家环境预报中心(NCEP)再分析资料和NCEP预报资料,计算对流层天顶延迟(ZTD)改正的有效性和可能达到的精度进行了评估,分析了ECMWF和NCEP在亚洲地区的适用程度和其分辨率对计算ZTD精度的影响.研究结果表明:(1)相对于 GPS实测ZTD,用ECMWF资料计算ZTD的bias和rms分别为-1.0 cm 和2.7 cm,优于NCEP再分析资料,可用于高精度ZTD研究和应用;NCEP预报数据计算ZTD的bias和rms分别为2.4 cm 和 6.8 cm,足以满足广大GNSS实时导航定位用户对流层延迟改正的需要.(2)bias和rms呈现明显的季节性变化,总体上夏季大,冬季小;在空间分布上随着纬度的变化不明显,但随高度的增加rms总体上有递减趋势.另外还发现,亚洲东部地区夏季日平均bias和rms和南部热带地区冬季的日平均bias和rms变化相对较大.(3)ECMWF2.5°和0.5°的资料进行了对比分析,发现0.5°分辨率资料的rms比2.5°减小1~5 mm.这些结果,为在亚洲地区的空间大地测量、导航定位和INSAR等工作中,应用ECMWF/NCEP的资料进行对流层大气延迟改正的有效性和可能达到的精度提供了重要参考.     

附加电离层延迟约束的实时动态PPP快速重新初始化方法

传统模式下,由于卫星信号中断等原因导致的实时动态PPP重新初始化问题将严重影响PPP的实际应用效果.针对上述问题,本文提出了一种有效的解决思路,首先设计了电离层延迟变化预报模型,并提出预报信息的定权方法,进而将上述预报结果作为虚拟观测值,联合历元间/星间差分观测数据估计得到周跳参数浮点解,并尝试固定,从而实现PPP快速重新初始化.该方法通过实现电离层预报结果权重的自适应确定,改善了参数估计结果的精度,提高了周跳修复成功率及可靠性.利用不同区域和不同时期的大量观测数据分析表明,周跳修复效果与测站位置、太阳活动及中断时长存在密切关系,当中断时间较短（90 s以内）时,均可以获得较高的成功率,平均达到90%以上,由此验证了本方法的有效性;随着中断时长进一步增大,不同地区和太阳活动情形下的修复效果存在显著差异,纬度越低,太阳活动越剧烈,成功率越低.     

一种新的高精度全球对流层天顶延迟模型

对流层延迟是影响高精度卫星导航定位的关键因素,也是大气科学研究的重要数据.针对已有全球对流层延迟模型的模型方程未同时顾及高程、纬度和季节变化以及模型构建时仅使用单一格网点数据等问题,本文提出了一种对流层天顶延迟(ZTD)全球模型构建的新方法,即引入滑动窗口算法将全球剖分为大小一致的规则窗口,利用2008—2015年全球大地观测系统(GGOS)大气格网产品构建每个窗口同时顾及高程、纬度和季节因子的全球ZTD新模型(GGZTD模型).联合未参与建模的2016年全球GGOS格网产品和2016年全球316个IGS站精密ZTD产品,检验了GGZTD模型的精度和适用性.结果表明:以GGOS大气格网ZTD产品和IGS站ZTD产品为参考值,GGZTD模型在全球的精度分别为3.58 cm和3.62 cm,相对于UNB3m模型和目前标称精度最优的GPT2w模型计算的ZTD信息,GGZTD模型在全球表现出了最优的精度和稳定性,其精度相对于UNB3m模型具有显著的提升(精度提高了30%以上),相对于GPT2w模型仍具有一定的改善;在ZTD计算时GGZTD模型相对于GPT2w模型显著地减少了模型参数,尤其相对于GPT2w-1(减少了99%).GGZTD模型只需输入位置与时间和依赖相对较少的模型参数则能在全球获得高精度和稳定的ZTD信息,极大地提升了模型的计算效率.     

基于多颗低轨卫星的SLR台站坐标几何解算方法

卫星激光测距（SLR）技术作为卫星精密定轨手段和轨道检核重要方法,激光反射器已经成为重力卫星和测高卫星等低轨卫星的基本载荷.经典的SLR台站坐标是使用动力学方法计算的,本文根据多颗低轨卫星（LEO）多历元的激光观测数据,采用几何方法开展地面SLR测站坐标计算.通过组建低轨卫星群实现对全球激光站的动态观测,为了合理配置不同低轨卫星间观测值权重,削弱低轨卫星群可能存在的系统性偏差,提出采用方差分量估计组合的最小二乘法进行解算.实测结果显示,解算出SLR台站坐标框架解与SLRF2014差异平均值在25.1 mm,外符合精度达到1~2 cm.该方法避免了复杂动力学模型,SLR台站坐标的几何计算方法既可以作为激光测站框架解算手段之一,同时将LEO卫星群作为空间并址站实现不同技术地球参考框架间的融合.     

Results of the application of tropospheric corrections from different troposphere models for precise GPS rapid static positioning

In many surveying applications, determination of accurate heights is of significant interest. The delay caused by the neutral atmosphere is one of the main factors limiting the accuracy of GPS positioning and affecting mainly the height coordinate component rather than horizontal ones. Estimation of the zenith total delay is a commonly used technique for accounting for the tropospheric delay in static positioning. However, in the rapid static positioning mode the estimation of the zenith total delay may fail, since for its reliable estimation longer observing sessions are required. In this paper, several troposphere modeling techniques were applied and tested with three processing scenarios: a single baseline solution with various height differences and a multi-baseline solution. In specific, we introduced external zenith total delays obtained from Modified Hopfield troposphere model with standard atmosphere parameters, UNB3m model, COAMPS numerical weather prediction model and zenith total delays interpolated from a reference network solution. The best results were obtained when tropospheric delays derived from the reference network were applied.     

基于遗传优化神经网络的高速公路路基沉降量预测

控制路基沉降是公路工程中的一个关键技术问题,而路基沉降与其影响因素之间存在着线性、非线性关系。当输入自变量较多时,用传统神经网络建模容易出现过拟合现象,导致网络模型预测精度较低。针对此问题,本文用遗传算法对神经网络模型的权值和阈值进行优化,同时讨论遗传参数的设定对输出结果的影响。通过对成南高速的实测数据进行仿真,试验结果表明:优化后的BP神经网络具有较高的预测精度,预测效果明显优于传统神经网络模型的输出结果,该预测方法可作为高速公路路基长期沉降预测的一种有效辅助手段。     

联合多代卫星测高和多源重力数据的局部大地水准面精化方法

本文研究了基于泊松小波径向基函数融合多代卫星测高及多源重力数据精化大地水准面模型的方法.分别以沿轨垂线偏差和大地水准面高高差作为卫星测高观测量,研究了使用不同类型测高数据对于大地水准面建模精度的影响.针对全球潮汐模型在浅水区域及部分开阔海域精度较低的问题,引入局部潮汐模型研究了不同潮汐模型对于大地水准面的影响.数值分析表明:相比于使用沿轨垂线偏差作为测高观测量,基于沿轨大地水准面高高差解算得到的大地水准面模型的精度更高,特别是在海域区域,其精度提高了2.3cm.由于使用沿轨大地水准面高高差作为测高观测量削弱了潮汐模型长波误差的影响,采用不同潮汐模型对大地水准面解算的影响较小.总体而言,船载重力及测高观测数据在海洋重力场的确定中呈现互补性关系,联合两类重力场观测量可以提高局部重力场的建模精度.     

Regional ionosphere modeling in support of IRI and wavelet using GPS observations

Dual-frequency global navigation satellite systems (GNSS) observations provide most of the input data for development of global ionosphere map (GIM) of vertical total electron content (VTEC). The international GNSS service (IGS) develops different ionosphere products. The IGS tracking network stations are not homogeneously distributed around the world. The large gaps of this network in Middle East, e.g., Iran plateau, reduce the accuracy of the IGS GIMs over this region. Empirical ionosphere models, such as international reference ionosphere (IRI), also provide coarse forecasts of the VTEC values. This paper presents a new regional VTEC model based on the IRI 2007 and global positioning system (GPS) observations from Iranian Permanent GPS Network. The model consists of a given reference part from IRI model and an unknown correction term. Compactly supported base functions are more appropriate than spherical harmonics in regional ionosphere modeling. Therefore, an unknown correction term was expanded in terms of B-spline functions. The obtained results are validated through comparison with the observed VTEC derived from GPS observations.     

Classified real-time flood forecasting by coupling fuzzy clustering and neural network

This paper presented a new classified real-time flood forecasting framework by integrating a fuzzy clustering model and neural network with a conceptual hydrological model. A fuzzy clustering model was used to classify historical floods in terms of flood peak and runoff depth, and the conceptual hydrological model was calibrated for each class of floods. A back-propagation (BP) neural network was trained by using real-time rainfall data and outputs from the fuzzy clustering model. BP neural network provided a rapid on-line classification for real-time flood events. Based on the on-line classification, an appropriate parameter set of hydrological model was automatically chosen to produce real-time flood forecasting. Different parameter sets was continuously used in the flood forecasting process because of the changes of real-time rainfall data and on-line classification results. The proposed methodology was applied to a large catchment in Liaoning province, China. Results show that the classified framework provided a more accurate prediction than the traditional non-classified method. Furthermore, the effects of different index weights in fuzzy clustering were also discussed.     

Preliminary assessment of the navigation and positioning performance of BeiDou regional navigation satellite system

BeiDou regional navigation satellite system(BDS)also called BeiDou-2 has been in full operation since December 27,2012.It consists of 14 satellites,including 5 satellites in Geostationary Orbit(GEO),5 satellites in Inclined Geosynchronous Orbit(IGSO),and 4 satellites in Medium Earth Orbit(MEO).In this paper,its basic navigation and positioning performance are evaluated preliminarily by the real data collected in Beijing,including satellite visibility,Position Dilution of Precision(PDOP)value,the precision of code and carrier phase measurements,the accuracy of single point positioning and differential positioning and ambiguity resolution(AR)performance,which are also compared with those of GPS.It is shown that the precision of BDS code and carrier phase measurements are about 33 cm and 2 mm,respectively,which are comparable to those of GPS,and the accuracy of BDS single point positioning has satisfied the design requirement.The real-time kinematic positioning is also feasible by BDS alone in the opening condition,since its fixed rate and reliability of single-epoch dual-frequency AR is comparable to those of GPS.The accuracy of BDS carrier phase differential positioning is better than 1 cm for a very short baseline of 4.2 m and 3 cm for a short baseline of 8.2 km,which is on the same level with that of GPS.For the combined BDS and GPS,the fixed rate and reliability of single-epoch AR and the positioning accuracy are improved significantly.The accuracy of BDS/GPS carrier phase differential positioning is about 35 and 20%better than that of GPS for two short baseline tests in this study.The accuracy of BDS code differential positioning is better than 2.5 m.However it is worse than that of GPS,which may result from large code multipath errors of BDS GEO satellite measurements.