GNSS气象学研究综述及展望

叙述了地基GNSS气象学和掩星探测的基本原理,分析了其研究现状和前景,对PWV以及SWV的求解方法进行了概述,并对水汽层析的方法作了讨论。对掩星事件反演的方法、面临的主要问题和解决方法作了介绍。     

地基GNSS水汽反演及其在极端天气中的应用研究EI北大核心CSCD

全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)作为一项颠覆性的导航技术,在诸多重要领域(如测绘、气象、交通、环境和农业等)都得到了广泛的应用。GNSS作为一种新型的水汽探测手段,具有重要的研究前景和应用潜力。它克服了传统气象观测水汽的诸多缺点(成本高、时间分辨率低、仪器偏差与漂移影响较大、易受天气影响等),能够实时反映大气环境的变化规律,全天候地获取全球大气水汽信息。然而,GNSS气象学作为一项快速发展的学科,在多尺度的天气灾害事件监测与预报模型的应用研究中还很有限。     

GNSS气象学中关键参数的建模

地基GNSS气象学是GNSS技术的一种新应用,其基本原理是利用GNSS信号穿过对流层时产生的湿分量延迟反演可降水量,而湿分量延迟和可降水量之间的转换参数是一个关于大气加权平均温度的函数,因此准确的求取大气加权平均温度是GNSS气象学中的关键。以徐州地区为例,利用探空数据建立加权平均温度模型,并与其他几种模型进行比较,结果表明本地化模型精度更高,更适合本地的水汽反演。     

GNSS/INS紧组合中的周跳探测方法

讨论了GNSS/INS紧组合算法;依据卡尔曼滤波新息检验理论研究了GNSS/INS紧组合中的周跳探测方法。通过实验论证,对比分析了GNSS/INS紧组合模式和纯GNSS模式下,动态周跳探测与处理的效果。实验结果表明:紧组合模式对周跳的发生更为敏感,可以有效地提升周跳探测的效果。     

地基GNSS大气水汽探测遥感研究进展和展望

大气水汽是表征极端天气事件和气候变化的重要参数,准确监测与分析水汽含量对于精准预测各类灾害性天气事件与研究气候变化具有显著意义。作为新兴的大气水汽探测方法,GNSS大气水汽探测技术得到了广泛的关注与应用研究,随着多频多模GNSS系统的发展,全球服务能力的逐步完备和地面基础设施的不断加强,地基GNSS大气水汽探测遥感技术水平得到显著提升,为基于空间大数据揭示气候变化、极端天气过程提供了强有力的数据支撑和发展契机。本文首先系统阐述了GNSS大气水汽探测遥感技术及其应用的发展过程;然后介绍了近年来包括对流层延迟、大气可降水量等多类型GNSS大气参数高精度反演的研究进展,特别是对GNSS大气反演在极端天气短临预报及气候变化现象解释两个方向的研究工作进行了科学探析;最后,阐明了GNSS大气水汽探测遥感技术面临的主要挑战及未来研究展望。     

GNSS+INS组合在周跳探测中的技术研究

在一些复杂多变的环境下,单频GNSS没有办法完成较健全的实时动态周跳探测,从而使得GNSS无法保持正确的模糊度固定结果,影响定位的稳定性和准确性。为了提升GNSS+INS组合的导航定位精度,本文提出加强GNSS模糊度固定解,将双差的GNSS+INS组合单频周跳探测检测量的偏差特点作为研究重点。研究结果表明,其偏差产生的原因不仅与INS增量存在密切关系,而且还与矢量角大小相关,通过确定探测检测量的措施,减少矢量角影响,从而促进周跳探测性能提高。经过周跳探测临界值在滑动窗口估算,约束INS偏差受GNSS偏差覆盖部分的进一步放大,提升GNSS+INS组合的周跳探测精度。     

GNSS掩星探测大气的研究现状及进展

与传统的无线电探空、雷达探测等手段相比,GNSS掩星技术为大气探测提供了一个强有力的工具,其具有无校准、全天候、精度高、垂直分辨率高、全球均匀覆盖等特点。介绍了利用GNSS掩星技术获取地球大气温、压、湿等相关参数大小的研究现状。同时,提出了GNSS掩星技术在气候研究领域的发展方向,将拓宽GNSS掩星技术在全球气候变化研究中的应用。     

INS辅助的实时动态GNSS单频周跳探测

采用全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）模糊度固定解可提高GNSS/惯性导航系统（inertial navigation system,INS）组合导航定位精度,而在复杂环境下,单频GNSS难以实现完善的实时动态周跳探测,影响GNSS模糊度保持。研究了星间单差与站星双差的INS辅助GNSS单频周跳探测检验量,重点分析检验量的误差特性。分析得出检验量误差主要与INS增量误差有关,受接收机至待检星与参考星之间星地矢量夹角的影响。提出了选取两颗参考星并优选探测检验量的方法,降低方位角因素的影响,提高周跳探测性能。周跳探测的阈值在滑动窗口内估计,对INS误差被GNSS误差淹没的部分进行抑制,充分反映INS误差影响,阈值估计具有较强的自适应性。     

GNSS掩星探测大气的研究现状及进展

与传统的无线电探空、雷达探测等手段相比,GNSS掩星技术为大气探测提供了一个强有力的工具,其具有无校准、全天候、精度高、垂直分辨率高、全球均匀覆盖等特点.介绍了利用GNSS掩星技术获取地球大气温、压、湿等相关参数大小的研究现状.同时,提出了GNSS掩星技术在气候研究领域的发展方向,将拓宽GNSS掩星技术在全球气候变化研究中的应用.     

GNSS遥感研究与应用进展和展望

全球导航卫星系统遥感(GNSS remote sensing)属卫星导航应用与遥感的一个交叉学科范畴。GNSS系统除传统的导航、定位、授时等功能外,可免费提供全球覆盖、高时间分辨率的L波段(1—2 GHz)微波信号用于遥感探测。继GNSS折射信号被率先用于地震、大气水汽等的探测以来,利用GNSS反射信号进行海洋、陆表参数估算,近年来成为国际GNSS应用研究前沿热点。随着中国自主北斗导航系统的蓬勃发展,将会为GNSS遥感带来新的发展契机和空间。本文从GNSS遥感的两个重要学科分支,即GNSS折射信号遥感(GNSS refractometry)和GNSS反射信号遥感GNSS-R(GNSS Reflectometry),回顾在这一交叉学科领域近几十年的发展,并简要分析GNSS遥感发展面临的机遇与挑战。     

Tropospheric delay gradients from numerical weather prediction models: effects on GPS estimated parameters

Several numerical weather prediction (NWP) models provide information on the 3D state of the neutral atmosphere which has enabled GNSS researchers to have improved a priori information of the delay induced in the GNSS signals. However, the quality of weather models on the one hand and computational difficulties on the other, are motivations to develop an algorithm based partly on NWP models, while still estimating the remaining residual delay through GNSS processing strategies. An algorithm has been developed to estimate horizontal delay gradients from Meteorological Service of Canada NWP models. The GNSS software “Bernese” has also been modified to handle these gradients, as well as zenith delay and mapping functions based on NWP models in phase and code observation equations. Month-long precise point positioning results show strong correlation between north–south hydrostatic gradients and latitude differences, with significant but less strong correlation with the height and zenith total delay parameters. The longitude components were not sensitive to the implementation of gradients. High precision GNSS applications such as long term geodynamics studies, realization of terrestrial reference frames and climatology and consequential interpretations may be affected by ignoring the asymmetry of the neutral atmosphere. In addition to estimating the gradients, implementing a priori information on gradients in the processing software may have an impact on estimated results and consequential interpretations.     

Using external tropospheric corrections to improve GNSS positioning of hot-air balloon

High accurate global navigation satellite systems (GNSS) require to correct a signal delay caused by the troposphere. The delay can be estimated along with other unknowns or introduced from external models. We assess the impact of the recently developed augmentation tropospheric model on real-time kinematic precise point positioning (PPP). The model is based on numerical weather forecast and thus reflects the actual state of weather conditions. Using the G-Nut/Geb software, we processed GNSS and meteorological data collected during the experiment using a hot-air balloon flying up to an altitude of 2000 m. We studied the impacts of random walk noise setting of zenith total delay (ZTD) on estimated parameters and the mutual correlations, the use of external tropospheric corrections, the use of data from a single or dual GNSS constellation and the use of Kalman filter and backward smoothing processing methods. We observed a significant negative correlation of the estimated rover height and ZTD which depends on constraining ZTD estimates. Such correlation caused a degraded performance of both parameters when estimated simultaneously, in particular for a single GNSS constellation. The impact of ZTD constraining reached up to 50-cm differences in the rover height. Introducing external tropospheric corrections improved the PPP solution regarding: (1) shortened convergence, (2) better overall robustness, particularly, in case of degraded satellite geometry, (3) less adjusted parameters with lower correlations. The numerical weather model-driven PPP resulted in 9–12- and 5–6-cm uncertainties in the rover altitude using the Kalman filter and the backward smoothing, respectively. Compared to standard PPP, it indicates better performance by a factor of 1–2 depending on the availability of GNSS constellations, the troposphere constraining and the processing strategy.     

GNSS对流层水汽监测研究进展与展望EI北大核心CSCD

对流层是近地空间环境中与人类活动联系最为密切的大气层,而水汽是低层大气圈中最重要的组成部分之一。尽管水汽在对流层中所占比例较小,但在一系列天气和多种气候变化中都扮演着重要角色。随着全球导航卫星系统(GNSS)的快速发展,GNSS对流层水汽监测成为重要的研究和应用方向。本文系统介绍了GNSS多维水汽监测及其在相关方面应用的研究现状和进展。GNSS水汽监测研究方面,当前主要集中在二维大气可降水量监测和三维湿折射率/水汽密度廓线反演两部分;GNSS水汽应用研究方面,当前主要包括定位、短临降雨及旱涝监测、数值同化预报等。     

基于超快速星历反演大气可降水量的精度分析

水汽是预报某些灾害性天气的重要依据,因此及时获得高分辨率的水汽产品对精准预报天气具有至关重要的意义．针对最终精密星历更新速度较慢、时延较长,无法满足实时反演大气可降水量的要求,提出一种利用超快速星历代替最终精密星历反演大气可降水量的方法:基于地基GNSS反演大气可降水量的原理,利用GAMIT软件,根据国际GNSS服务(IGS)网站提供的不同精度的星历产品获得大气可降水量,并与气象探空站所获得的大气可降水量对比分析．研究结果表明,利用超快速星历所获得的大气可将水量与最终精密星历一致,二者平均差值优于0.1 mm,且与探空站测得的大气可降水量值非常一致,其精度可以满足天气预报的需求．      

CMONOC观测约束下的中国大陆地区MODIS PWV校正

基于CMONOC提供的GNSS观测和气象资料,开展中国大陆地区不同气候类型的MODIS PWV校正研究。首先依据不同气候类型,开展GNSS PWV与MODIS PWV的相关性分析;然后基于GNSS PWV构建不同气候类型的MODIS PWV校正模型;最后根据MODIS PWV、模型校正的MODIS PWV分别与GNSS PWV比较,开展模型改进效果检验。研究表明:不同气候类型的MODIS PWV校正模型,均能有效改善MODIS PWV精度,提高MODIS PWV在短期天气预报和InSAR大气校正的应用。     

京津冀地区FY-4A水汽校正模型研究CSCD

融合全球卫星导航系统(GNSS)与风云气象卫星FY-4A可获得高精度高空间分辨率的水汽分布信息.利用中国大陆构造环境监测网络(CMONOC)提供的GNSS观测资料开展京津冀地区FY-4A水汽校正研究.首先对京津冀地区进行区域划分,按区域分季节开展GNSS水汽与FY-4A水汽的相关性分析;其次分区域、分季节选择不同的函数模型结合GNSS水汽资料构建FY-4A水汽校正模型;然后采取区域模型、单站点模型与实测GNSS水汽开展模型的可靠性检验;最后通过分区域FY-4A水汽校正和图像叠加,获得校正后的京津冀地区FY-4A水汽分布.研究表明:FY-4A水汽与GNSS水汽的相关性较好,区域FY-4A水汽校正模型精度与单站点模型精度相当,可取代单站点模型用于FY-4A的水汽校正.基于CMONOC的分区域函数模型在一定程度上提高FY-4A水汽精度,为短期天气预报和合成孔径雷达(InSAR)大气校正提供参考.     

The International GNSS Service in a changing landscape of Global Navigation Satellite Systems

The International GNSS Service (IGS) is an international activity involving more than 200 participating organisations in over 80 countries with a track record of one and a half decades of successful operations. The IGS is a service of the International Association of Geodesy (IAG). It primarily supports scientific research based on highly precise and accurate Earth observations using the technologies of Global Navigation Satellite Systems (GNSS), primarily the US Global Positioning System (GPS). The mission of the IGS is “to provide the highest-quality GNSS data and products in support of the terrestrial reference frame, Earth rotation, Earth observation and research, positioning, navigation and timing and other applications that benefit society”. The IGS will continue to support the IAG’s initiative to coordinate cross-technique global geodesy for the next decade, via the development of the Global Geodetic Observing System (GGOS), which focuses on the needs of global geodesy at the mm-level. IGS activities are fundamental to scientific disciplines related to climate, weather, sea level change, and space weather. The IGS also supports many other applications, including precise navigation, machine automation, and surveying and mapping. This article discusses the IGS Strategic Plan and future directions of the globally-coordinated ~400 station IGS network, tracking data and information products, and outlines the scope of a few of its numerous working groups and pilot projects as the world anticipates a truly multi-system GNSS in the coming decade.     

京津冀地区GNSS对流层延迟空间插值研究

对流层延迟差异影响合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)形变测量精度;水汽的变化影响天气变化.对流层延迟与水汽具有较好的对应,因此有必要开展全球导航卫星系统(GNSS)对流层延迟的插值研究.以京津冀地区为例,针对GNSS对流层延迟,开展对流层延迟的空间插值研究.首先开展了GNSS对流层延迟与水汽的比较分析,两者存在显著正相关特性,相关性超过91.7%,论证了对流层延迟取代水汽的可行性.然后利用反距离权重法对京津冀地区2016年9月至2017年8月的12组GNSS测站对流层延迟进行空间插值,通过提取插值点对流层延迟与GNSS站点对流层延迟比较验证空间插值精度.全年数据平均偏差最大为1.12cm,均方根误差最大为0.89cm;未发生降水过程平均偏差最大为1.25cm,均方根误差最大为0.82cm;发生降水过程平均偏差最大为1.08cm,均方根误差最大为1.38cm.京津冀平原区域的GNSS对流层延迟空间插值结果精度满足气象等应用要求,可为气象预报和InSAR大气校正提供参考.