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GGOS Atmosphere数据的ZHD模型精度分析

对流层天顶干延迟(ZHD)建模是对流层延迟建模的一个重要组成部分,由于ZHD变化较为规律,因此,通常用模型来表达。而对流层天顶湿延迟(ZWD)变化不规则且随机性大,所以在GNSS处理中将它作为一个未知的待估参数。不精确的ZHD模型,会影响到ZWD估算的准确性,因此,选择精确合理的ZHD模型具有重要的意义。传统无线电探空仪数据获取的ZHD由于不能覆盖全球所有位置,尤其是海洋地区,而且在特殊天气使用也受限。为了更能全面反映ZHD模型的精度,本文尝试使用GGOS Atmosphere数据比较分析3种经典ZHD模型、即Saastamoinen模型、Hopfield模型和Black模型。通过对全球范围内的657个站点且时间覆盖长达5年的GGOS Atmosphere数据进行比较分析,我们得到以下结论:Saastamoinen模型优于Hopfield模型和Black模型,Saastamoinen模型的ZHD的精度可以优于1.5 mm。因此,在GNSS用户使用ZHD模型时,Saastamoinen模型可以作为使用模型。具体可以应用到GNSS大地测量学、GNSS车辆导航定位以及GNSS气象学。     

基于再分析数据反演全球对流层延迟精度评估

对流层延迟是全球卫星导航系统(GNSS)定位的主要误差源之一,利用再分析数据可以精确估计天顶对流层延迟.基于欧洲中期天气预报中心提供的再分析数据集(ERA-interim),提出了利用再分析数据估计测站天顶对流层延迟(ZTD)的积分方法,并利用2018年全球范围内334个国际GNSS服务测站提供的高精度ZTD作为参考值...     

GPS天顶对流层延迟计算方法研究

对流层延迟是影响卫星定位的主要误差源之一,如何建立更适合某个地区的区域对流层延迟改正模型,成为当今的一个热门研究课题。从目前广泛应用的全球对流层延迟模型入手,借助GAMIT高精度GPS数据处理软件,分析和总结天顶干、湿延迟规律和影响天顶干、湿延迟的主要因素,探寻并构建区域天顶对流层干延迟ZHD模型。     

全球ZWD垂直剖面滑动窗口的格网模型

对流层延迟是GNSS导航定位的主要误差源之一.针对已有对流层天顶湿延迟(ZWD)垂直剖面模型存在建模仅采用单一格网点数据以及使用月均剖面数据等不足,本文提出了一种基于滑动窗口的ZWD垂直剖面格网模型构建方法,建立了一种顾及精细季节变化的高精度全球ZWD垂直剖面模型(GZWD-H模型).同时,联合2017年全球321个探...     

一种基于遗传算法和BP神经网络的对流层延迟改正模型

对流层延迟是影响全球卫星导航系统定位精度的主要因素之一。针对全球气象数据建立的对流层延迟改正模型区域精度较低这一问题,文中基于遗传算法和BP神经网络技术,在EGNOS模型基础上建立一个高精度的区域融合模型(GA-BPEGNOS模型)。选取北美洲2010—2014年41个观测站点,以国际GNSS服务中心的对流层产品作为真值,分析比较EGNOS模型和融合模型的对流层天顶延迟。研究表明,EGNOS模型的均方根误差为80.38mm,融合模型的均方根误差为34.44 mm。与EGNOS模型相比,融合模型的精度提高约57%,取得满意效果。     

4种对流层模型在南极地区的适用性分析

GPS信号传播过程中穿过对流层时受到大气折射的影响,其信号发生弯曲和延迟,因此,对流层延迟是GPS测量的主要误差源之一。对流层延迟模型改正算法的选择关系着GPS探测大气水汽的精度。介绍了Saastamoinen、Hopfield、UNB3及EGNOS等4种国际上常用的对流层延迟模型,以南极戴维斯站(DAV1)为例,计算了4种对流层模型在南极地区的天顶总延迟(ZTD)、天顶干延迟(ZHD)和天顶湿延迟(ZWD),与探空数据进行比较,得到了适合南极地区的对流层延迟模型。     

三种对流层延迟模型的精度对比

针对不同对流层延迟模型的改正精度不同的问题,该文采用3个IGS站BJFS、SHAO、WUHN的2014年对流层天顶总延迟数据以及地面气象数据,对目前常用的3种对流层延迟模型:霍普菲尔德(Hopfield)、萨斯塔莫宁(Saastamoinen)、欧洲地球静止导航重叠服务(EGNOS)的精度进行了分析。结果表明:Saastamoinen和Hopfield模型的精度相当,EGNOS模型精度略差于其余两种模型,但能满足GNSS米级的定位要求;在气象条件变化剧烈时,EGNOS模型精度不如实测地面气象数据的Hopfield和Saastamoinen模块。     

基于相空间重构和高斯过程回归的对流层延迟预测

天顶对流层延迟(zenith tropospheric delay,ZTD)是影响GPS定位精度的关键因素,为了提高ZTD的预测精度,提出一种基于相空间重构的高斯过程回归预测模型.针对ZTD时间序列的混沌特性,利用国际GNSS服务(International GNSS Service,IGS)站提供的ZTD数据,采用C...     

全球高精度对流层延迟建模及其在地基GNSS技术中的应用研究

对流层延迟是空间大地测量技术的一种主要误差源。在GNSS中,一般采用模型化或参数估计的方法削弱对流层延迟影响。目前已建立的对流层经验模型均是基于单一数据源,时空分辨率和精度有限,且现有的模型应用研究大多局限于定位解算的直接改正法。本文旨在建立高精度的对流层延迟模型,发展其在地基PPP和GNSS-IR(GNSS interferometric reflectometry)技术中应用的新方法,围绕多源对流层延迟产品精度评估、多源对流层延迟模型和高精度湿延迟模型建立、对流层延迟模型在PPP以及地基GNSS-IR技术中的应用展开研究,主要工作和贡献如下:(1)提出了顾及相邻层之间协方差的探空对流层延迟精度评定方法,得到全球312个探空站2010—2015年的ZHD,ZWD和ZTD的精度分别为2.87 mm、2.71 mm和4.85 mm。     

GTDM:一种获取全球对流层延迟的新模型

对流层延迟是GNSS定位的主要误差源.现有的各对流层延迟模型大多存在过度拟合的弊端,不能反映延迟在短时间内的细节变化.本文利用2011—2017年ECMWF气象资料分析了对流层延迟的变化特征,发现同一格网相邻年份之间全球对流层延迟偏差绝大多数在5 cm内.在此基础上,本文提出了一种非参数拟合的对流层延迟模型GTDM.经...     

融合大气数值模式的高精度对流层天顶延迟计算方法

针对现有对流层天顶延迟模型改正法因水汽参数难以精确获取所导致的时空分辨率与精度上的不足问题,提出了一种融合WRF(weather research and forecasting model)大气数值模式的对流层天顶延迟估计方法。通过分析WRF模式的数值模拟机理及其数据结构特征,采用直接积分与模型改正相结合的混合计算方式,实现了全球任意位置上小时级的对流层天顶延迟估计。验证结果表明,该方法计算的小时级ZTD再分析值精度为13.6mm,日均值精度更是可达9.3mm,比传统模型UNB3m的49.6mm以及目前标称精度最高模型GPT2w的34.6mm,精度分别提高了约5倍和3.5倍。在30h的预报时段内,预报值精度也可达22mm。无论是ZTD再分析值还是预报值比现有模型的估计值精度均有明显提高。     

GPT2w模型在中国区域的精度检验与分析

全球温度气压湿度（global pressure and temperature 2 wet,GPT2w）模型常被用于计算某一位置的气温、加权平均温度、气压以及水汽压等各种气象参数,是目前公开的标称精度最高的对流层延迟经验模型。利用中国区域参与全球气象交换的86个测站2013-2015年的气象探空数据,对GPT2w得到的各种气象参数进行精度检验及分析。实验结果表明,气温平均偏差为1.31℃,均方根误差为3.62℃;加权平均温度的平均偏差为-1.58 K,均方根误差为4.07 K;气压和水汽压平均偏差的绝对值在1 hPa以内,其均方根误差分别为6.98 hPa与3.04 hPa。利用2006-2015年的数据分析了不同纬度模型精度的周期性特征,结果表明,气温、加权平均温度、气压和水汽压的均方根误差均具有一定的年周期特性,且在不同的纬度区域其周期特性不同。总体而言,GPT2w模型在中国地区范围内具有较高的精度和稳定性。     

基于GNSS基准站网的对流层延迟建模

针对在卫星导航定位中,通常采用对流层模型进行,对流层延迟误差修正的现状,该文研究了一种基于GNSS基准站网的对流层延迟建模方法,并基于此方法利用日本地区GENET参考网约737个站5a的GNSS-ZTD序列建立了区域对流层模型ZTDM-JPN,并将ZTDM-JPN模型应用于GPS及北斗定位实验,分析了其在GPS及北斗定位中的实际应用性能。通过与国际上常用的对流层模型EGNOS、UNB3m作比较,结果表明,ZTDM-JPN模型的模拟精度较相同条件下的EGNOS与UNB3m模型分别提升约26%和21%,从而验证了该建模方法的可行性与优越性。     

高纬度BDS/GPS PPP中的对流层延迟改正模型优选

由于高纬度地区气温气压值及变化率与中低纬度地区有较大差异,因此目前发布的多种对流层延迟模型在高纬度地区使用的精度会不同。为了给高纬度地区BDS/GPS用户提供更好的对流层延迟模型选择,文中采用UNB3,EGNOS和GPT2模型,以IGS发布的ZPD产品和SINEX文件作为参考,对比基于这三种对流层延迟模型计算的天顶对流层总延迟量以及精密单点定位精度,可知GPT2较UNB3和EGNOS在高纬度地区定位中有更好的精度表现。     

GGOS对流层延迟产品精度分析及在PPP中的应用

对流层延迟是卫星导航定位的主要误差源,GNSS广域增强需要高精度的对流层延迟产品进行误差修正。对流层延迟可通过GNSS进行实时估计,也可通过融合多源数据的数值气象预报模型获取。IGS发布的全球对流层天顶延迟产品由GNSS解算,其精度可达4mm,时间分辨率为5min,但其分布不均匀,在广袤的海洋区域无数据覆盖。GGOS Atmosphere基于ECMWF 40年再分析资料,可提供1979年以来时间分辨率为6h、空间分辨率为2.5°×2°的全球天顶对流层总延迟格网数据。本文通过2015年全球IGS测站的ZTD资料对GGOS的ZTD产品进行了评估,研究了GGOS Atmosphere对流层延迟产品与IGS发布ZTD资料之间的系统差,通过线性拟合估计出每个测站GGOS-ZTD与IGSZTD系统差系数(包括比例误差a和固定误差b),然后对比例误差a、固定误差b进行球谐展开,建立了两种ZTD数据源之间的系统差模型。选取IGS测站和陆态网测站,对附加系统偏差改正后的GGOSZTD产品对PPP的收敛速度的影响进行研究。本文研究结果表明:GGOS-ZTD与IGS-ZTD间存在系统偏差,其bias平均为-0.54cm;两者之间较差的RMS平均为1.31cm,说明GGOS-ZTD产品足以满足广大GNSS导航定位用户对对流层延迟改正的需要。将改正了系统差后的GGOS-ZTD产品用于ALBH、DEAR、ISPA测站、PALM测站、ADIS测站、YNMH测站、WUHN测站进行PPP试验,发现可明显提高定位收敛速度,尤其是在U方向上,收敛速度分别提高10.58%、31.68%、15.96%、43.89%、51.46%、14.69%、18.40%。     

GPT2w模型检验以及对流层模型的参数互融

各种对流层经验模型中,GPT2w模型是目前标称精度最高的对流层经验模型,其在模型化对流层延迟的同时,也提供具体的模型化气象元素。以USNO的ZTD产品检验模型ZTD精度;以IGRA发布的大气廓线数据,对模型加权平均温度T_m、水汽直减率λ的精度进行验证。计算发现,模型加权平均温度T_m具有-2.56K的系统偏差,改正该偏差后,模型ZTD对比USNO偏差从-1.38 mm提升至-0.3 mm;还验证了模型水汽直减率λ的两种获取方式具有很好的一致性。提出以测站气压P、测站温度t、测站相对湿度hr为实测气象元素,以校正后的T_m、高精度的λ为经验气象元素,作为对流层延迟模型输入参数的互融方法。该互融方法计算ZHD、ZWD经验模型分别采用目前最优的Saast静力学延迟模型和Askne & Nordius湿延迟模型。以USNO发布的340个IGS跟踪站的对流层延迟数据作为参考,该互融方法较直接气象元素法、校正后的GPT2w模型均有显著精度提升。在不可获取气象数据的前提下,校正后的GPT2w模型具有很高的先验精度;若可获取近实时气象数据（如自动气象站）,则推荐采用新的参数互融模型。     

利用中国区域MERRA-2资料计算ZTD和ZWD的精度分析

对流层延迟是影响高精度定位与导航的主要误差之一,也是全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）水汽探测的关键参数。美国航空航天局发布了最新一代的大气再分析资料（MERRA-2资料）,其可用于计算高时空分辨率的对流层延迟产品,但是目前尚无文献对利用MERRA-2资料计算天顶对流层延迟（zenith tropospheric delay,ZTD）和天顶湿延迟（zenith wet delay,ZWD）的精度进行分析。因此,联合2015年中国陆态网214个GNSS站ZTD产品和分布于中国区域的87个探空站资料,对利用MERRA-2资料在中国区域计算ZTD/ZWD的精度进行评估。结果表明：（1）以陆态网ZTD为参考值,利用MERRA-2资料积分计算ZTD的年均偏差和均方根误差（root mean square error,RMSE）分别为0.32 cm和1.21 cm,且偏差和RMSE均表现出一定的季节变化,总体上呈现为夏季精度低、冬季精度高;在空间分布上,偏差随纬度和高程的变化趋势并不明显,但RMSE随纬度和高程的增加总体上呈现递减的趋...     

GPT2w模型在南极地区精度分析

GPT2w（global pressure and temperature 2 wet）是目前应用较为广泛的对流层延迟经验模型之一,可提供气压、温度、水汽压等气象参数。为验证和分析GPT2w模型在南极地区的精度,本文利用分布在南极区域的探空站数据和中国第33次南极科考期间的实测探空气球数据对模型气压、温度、水汽压参数进行分层精度检验。与探空站数据比较发现,在南极地区地面高度上,GPT2w模型精度较高,与全球其他区域精度较为一致;进一步通过对比1月和7月统计结果,发现Bias和RMS呈现出季节特性;同时发现模型在垂直方向存在较大误差,表现为随着高度的增加,精度随之下降并逐步趋于稳定。实测数据对比方面,首先利用ECMWF（European Centre for Medium-range Weather Forecasts）气压分层数据对实测数据的可靠性进行验证,结果显示,实测数据与ECMWF分层数据符合得较好;同时通过比对发现,GPT2w天内精度在地面高度上仍与月平均精度相当,但垂直方向随着高度的增加精度相比于暖季精度会有所下滑,说明未考虑日周期项变化对模型精度存在一定影响。用探空数据计算的对流层延迟（zenith tropospheric delay,ZTD）来分析GPT2w的计算精度,结果表明GPT2w在南极区域ZTD计算精度在厘米级,与全球其他位置计算精度相当。     

融合对流层模型及其在精密单点定位中的应用

受实测气象参数的限制,使用标准大气参数的传统对流层模型的精度并不高;使用参数估计法的精密对流层模型增加了观测方程的待估参数,影响收敛速度. 针对实测气象参数缺失的情况,提出一种融合对流层模型,使用两种非实测气象参数模型分别计算出平均海平面处和测站处的气象参数,再利用Saastamoinen模型经验公式求解天顶对流层延迟（ZTD）. 利用RTKLIB软件进行精密单点定位（PPP）实验. 提出的融合对流层模型摆脱了实测气象参数的限制,解算结果表明:使用该模型时,在东、北、天方向的定位精度分别比Saastamoinen模型提高16 mm、1 mm、2.2 mm,比MOPS模型提高13.8 mm、0.7 mm、1.6 mm,比GPT/UNB3m+Sa模型提高2.9 mm、0.4 mm、0.7 mm,在天、北方向的定位精度接近参数估计模型,实现了PPP定位精度的提高.