GNSS空间环境学研究进展和展望

对流层和电离层是地球近地空间环境中两个重要的组成部分,是靠近地球表面且与人类生活联系最密切的大气圈层。全球导航卫星系统技术的快速发展,为GNSS空间环境学的研究提供了良好的契机。本文介绍了现有GNSS空间环境学中在对流层和电离层方面的研究现状和进展。在GNSS对流层研究方面,主要集中于GNSS对流层关键参数建模和水汽反演两部分;在GNSS电离层研究方面,主要包括GNSS二维/三维电离层建模和区域/全球电离层监测。     

约束条件对匈牙利水汽层析的影响分析

水汽的监测,是GNSS应用中一个重要的方向。本文旨在分析不同的约束条件,对匈牙利地区水汽层析的影响。本文根据匈牙利地区的GNSS数据,分别采用4种不同的约束形式,对水汽的三维分布进行了重建实验。实验结果表明,4种约束形式中,水平约束的平均相对误差最小,约为1.9%,并且回归方程的拟合度也最好。因此,得出结论,匈牙利地区水平约束在水汽层析重建中的效果最好,可广泛应用于当地的水汽三维监测。     

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。     

顾及时空因素的高精度全球对流层关键参量模型构建研究EI北大核心CSCD

对流层在全球水循环、灾害天气形成与演变中扮演着极为重要的角色。大气加权平均温度(Tm)、对流层天顶延迟(ZTD)和天顶湿延迟(ZWD)等均属于对流层关键参量,其中ZWD/ZTD是影响GNSS等空间技术高精度导航定位的重要因素,而Tm是GNSS水汽探测的关键参数。随着GNSS导航定位及水汽探测对实时高精度对流层关键参量的要求日趋增强,对流层关键参量的实时高精度全球精化模型构建成为近年来的研究热点。论文针对已有对流层关键参量全球经验模型存在的问题,联合最新的MERRA-2资料和GGOS大气格网产品等多源数据,开展了对流层关键参量的实时高精度全球模型构建研究。论文主要工作和贡献如下。     

基于水汽垂直指数分布特征的PWV快速层析方法

GNSS水汽层析技术可以反演对流层水汽三维时空变化情况,但该技术比较复杂、运算量大,需要消耗一定的时间.故本文提出了一种利用地基GNSS反演的大气可降水量(precipitable water vapor, PWV)结合水汽在垂直方向上的指数分布特性来计算大气水汽三维分布的快速层析方法.该方法利用香港地区2022年8月的GNSS数据开展试验,与传统GNSS水汽层析方法进行对比.试验结果表明：两种方法的层析解算结果与探空数据均具有良好的一致性.虽然快速层析方法的解算结果在底层区域缺少一些水汽变化的细节信息,精度略逊于传统层析方法,但是在中、高层时精度会有所提升,层析解算结果良好.而且本文提出的快速层析方法无需构建和解算复杂的层析方程组,可以在大量GNSS测站参与水汽层析时减少计算复杂度,提升运算能力,同时可以更快地得到任意高度层的水汽密度,是一种简便、高效的层析方法.     

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.     

长三角地区多模GNSS斜路径观测分布及水汽仿真层析

目前长三角地区GNSS网已应用于该地区上空水汽的日常监测和水汽层析的研究。由于该GNSS网站间距较大、分布不均匀,斜路径观测值不能完全满足高精度水汽三维层析的需要,因此,本文对该地区进行了多模GNSS(GPS、Galileo、GLONASS、BDS)的观测仿真和水汽层析试验。结果表明,多模GNSS观测值角度变化范围大,在空间分布更均匀,相同观测条件下,多模GNSS观测值明显降低了空间格网的空格率,特别是改善了大气中上层格网的观测值覆盖情况。多模GNSS观测值弥补了单系统观测分布不均的状况,为空间格网提供了更为丰富的大气观测信息。通过仿真层析试验可以看出多模GNSS能够明显改善层析效果,尤其能够提高地面5km以上的层析精度。     

台站处北斗/GNSS实时大气水汽反演及试验分析

针对当前GNSS水汽反演的业务系统中普遍采用准实时、集中式的解算模式的现状,该文提出一种台站处分布式北斗/GNSS实时水汽解算模式,基于实时精密单点定位(PPP)技术获取高精度水汽结果以满足短期天气预报与气象研究的需求。在中国3个典型区域进行了连续观测试验,并以中国气象局准实时水汽产品与无线电探空结果为参考对本产品的结果进行了评估和分析。结果表明,实时水汽产品的平均RMS在5 mm以内,与准实时水汽产品和无线电探空结果的相关系数均达到0.95,且能反映水汽的日变化特征。     

地基GNSS用于冻土区域地表环境多参数反演研究

季节性冻土具有周期性地表抬升/沉降的物理特性，传统测量方法已不能满足当前高精度、实时的监测需求.地基GNSS是一种低成本、全天时、全天候、能够实现连续监测的新兴地基遥感技术.实验应用美国的板块边界观测台网(plate boundary observational GNSS network,PBO)计划SG27测站2013—2021年观测数据，使用地基GNSS技术解译了阿拉斯加巴罗永久冻土区域典型异常年份降雪、无雪期地表形变、测站形变、土壤湿度、大气水汽变化，并通过PBO实测降雪数据验证异常年雪深反演精度，通过测站形变结果验证反演结果为冻土活动层形变，同时对水汽与土壤湿度进行相关性分析.结果显示：反演雪深与实测雪深绝对系数R2为0.815 5，均方根误差(root mean squared error,RMSE)为0.064 3，平均绝对误差(mean absolute error,MAE)为0.040 2；通过水汽与土壤湿度变化趋势图发现两者具有较弱滞后性对应关系，但仅表现在趋势而非幅度值上.表明地基GNSS在长时序冻土环境监测中存在巨大的应用潜力.     

GNSS/MODIS信号紧耦合水汽层析算法

GNSS水汽层析技术凭借高精度、高时空分辨率及全天候监测等优点,已成为探测大气水汽最具潜力的技术之一.目前,融合多源大气遥感数据逐步成为弥补传统层析模型GNSS信号几何缺陷的研究热点.本文利用Terra卫星上的中分辨率成像光谱仪(moderate resolution maging spectrorad ometer,...     

GNSS电离层监测研究进展与展望

电离层作为近地空间环境的重要组成部分,对电波通信、卫星导航定位等都有重要影响。监测电离层形态结构有助于对电离层时空演化特征的理解及其建模和预测。随着全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)的快速发展,GNSS电离层监测已成为重要的研究和应用方向。系统介绍了GNSS多维电离层监测及其应用的研究现状和进展,主要包括空基/地基GNSS联合反演电离层特征参数、层析技术反演电离层三维结构、电离层延迟建模、电离层异常扰动监测及机理认知等内容。     

区域CORS网在PM2.5监测中的应用研究

在雾霾频发的冬季大气可降水量PWV与大气污染物PM_2.5之间存在一定的关联关系,本文通过对河南地区CORS网的GNSS大气可降水量与PM_2.5之间的相关性进行分析并建立了实时监测模型。试验研究发现：河南地区冬季雾霾频发期大气可降水量PWV与PM_2.5之间存在着较强的正相关关系,通过建立的PM_2.5实时监测模型验证了可以依据大气可降水量PWV对PM_2.5进行实时监测,并取得了较为理想的结果,可以为当前进行PM_2.5监测提供一种新的参考。     

不同饱和水汽压模型对GNSS反演可降水量的影响分析

地基全球卫星导航系统（GNSS）水汽反演过程中需要大气加权平均温度T_m的参与,而饱和水汽压E_s作为T_m计算过程中的一个重要变量影响着T_m,因此E_s将会间接地影响大气可降水量（PWV）的反演精度.针对目前地基GNSS水汽反演研究中普遍采用的三种不同的饱和水汽压模型（Magnus-Tetens模型、BUCK模型、Goff-Gratch模型）,本文就不同的饱和水汽压模型参与反演是否会引起水汽反演结果的差异进行了研究.以香港为研究区域,利用GAMIT解算了2016年旱雨两季（2、7月）的天顶湿延迟（ZWD）,同时利用king's park探空站的探空数据通过数值积分计算得到旱雨两季（2、7月）的T_m,然后严格参照反演步骤编程模拟计算旱雨两季（2、7月）每天的PWV.最后对比并分析了不同饱和水汽压模型参与计算对T_m和PWV的影响及原因,结果表明:三种饱和水汽压模型参与计算得到的PWV与真值（探空站计算得到的PWV）之间不存在具有统计意义的显著性差异,因此均可被用来提供计算T_m时所用到的饱和水汽压E_s,但是通过对比分析发现部分研究人员将BUCK模型中的变量T当作露点温度而非大气温度进行计算会使T_m产生较大的误差,进而对该误差进行了不合理性分析.本文的分析将会对后续地基GNSS水汽反演研究中的处理提供一定的参考.      

卫星定位技术在水利工程变形监测中的应用进展与思考

变形监测是水利工程安全运行的重要保障。全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）具有高精度、全天时、全天候等优势,为水利工程变形监测提供了新的手段。目前,以卫星定位技术为代表的变形监测技术正在向着全过程、全方位、全自主的智能化方向发展。着眼于水利工程变形监测的需求,首先对变形监测技术的发展进行了回顾;其次,介绍了卫星定位技术在水利工程变形监测中的应用进展;然后,围绕当前GNSS变形监测应用的难点与局限进行讨论;最后,展望了未来GNSS水利工程智能化监测的发展方向。     

一种可用于估计全球水汽标高的经验模型

水汽标高是一个反映水汽垂直分布特征的参数,也是全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)对流层天顶湿延迟改正和GNSS水汽层析中的一个辅助参数。本文对2006—2012年水汽标高的时间序列进行频谱分析,发现水汽标高在时间上呈现出年周期和半年周期变化,因此利用包含年周期和半年周期的三角函数来表达水汽的时变规律,然后利用欧洲中尺度天气预报中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasting,ECMWF)的数据在全球1°×1°的格网点上分别拟合了三角函数的系数。通过上述方法首次构建了一个全球适用的水汽标高模型GSH,该模型既体现了水汽标高的时变特性又考虑了其地理差异。以无线电探空数据为参考,GSH具有-0.19km的偏差(bias)和1.81km的均方根误差(root mean square error,RMSE);以ECMWF数据为参考,GSH具有0.04km的bias和1.52km的RMSE。GSH整体上表现出了比较稳定的精度,可服务于GNSS气象学研究,也可为其他相关气象研究提供水汽标高参考。     

船载GNSS探测海洋水汽信息的影响因子分析

利用船载全球卫星导航系统（global navigation satellite system,GNSS）方式探测海洋水汽含量,可丰富海洋水汽观测量和观测密度。利用印度洋航次试验实测数据,基于精密单点定位技术对海洋上空可降水份探测的精度问题进行了研究,主要分析了GNSS高程与可降水份之间存在的耦合关系,标定了动态GNSS的高程精度,分析了不同算法对可降水份估值的影响。结果显示:①固定解与浮点解、多系统与单系统对可降水份估算的影响不大,而不同软件、不同卫星星历和钟差产品对可降水份估算的影响较大,量级为2~4 mm;②高程与可降水份之间存在耦合关系,经初步估算,高程的均方根误差每增加24mm,则可降水份估值的均方根误差相应增加约1mm;③惯性测量单元垂荡值与精密单点定位高程结果之间的相关系数高达99%,二者的互差优于30mm,满足动态GNSS海洋水汽估计对高程精度的要求。