区域对流层延迟解算优化方案选择

张宇,郝金明

(信息工程大学导航与空天目标工程学院,郑州 450001)



区域对流层延迟解算优化方案选择

张宇,郝金明

(信息工程大学导航与空天目标工程学院,郑州 450001)

摘要：对流层延迟反演出的可降水量序列是短临天气预报尤其是灾害性天气监测的前提,选择合适的乃至最优的计算方式是高精度解算结果和气象产品的关键。本文就深入研究对流层延迟数据处理精度的角度上,总结归纳了影响数据成果质量的若干方案,比较和验证了不同方案(截止高度角、观测时段长的选择;卫星星历和计算方式(非差PPP和双差基线解)的抉择;有无网外辅助站及其最佳数量的确定;端部效应的影响)的综合敏感性和有效性,提出了较为完整的、可靠性高的优化处理策略。

关键词：对流层延迟;数据处理;辅助站;敏感性

0引言

随着全球导航卫星系统GNSS建设的大力推进,高精度空间导航定位技术方法的不断完善,对流层折射延迟逐渐成为当前导航定位中重要的误差源,近些年来提出了在导航应用中建立适当的区域改正模型的方法用以削弱对流层折射影响[1]。而利用解算出的对流层延迟产品进行遥感可降水量技术日益成熟,导致区域大气和气候研究及预报的精度要求初始对流层延迟计算具有高可靠性和综合完备性[2-5]。针对区域网在确定优化方案的选择原则上,目前并没有太多系统性的研究结论,而且单纯某一方面的结论也不是很全,故就针对性和迫切性而言,现阶段很有必要进行设计、归纳、优化整体方案的战略性筛选。

Bernese软件[6]利用局部观测网的基线观测数据能获取到比较精确的对流层延迟,在解算时,预估模型和映射函数均采用Niell模型的基础上,进而探讨不同方案造成的差异,选取优质的解算策略。本文研究了中国香港GPS区域12个连续参考站观测网2012年1月1日到1月5日的观测数据,联立其周边的IGS站观测数据,通过Bernese软件解求、比对分析多元化条件单一因子不同而致的精度影响,得出一些有益的可行性和适用性结论。

1影响解算区域对流层延迟的方案

在轨道误差可忽略的情况下,不论是精密单点定位还是双差相对定位,影响定位解算精度的一个重要因素就是对流层延迟。Bernese软件处理数据时[7-9],对于双差残余对流层延迟误差的处理,采用消电离层组合观测量,一般首先使用模型作为先验值进行改正,剩余的残差作为随机过程来处理,然后使用映射函数映射到不同高度角的卫星几何距离上以解求斜路径延迟;而PPP方式处理则较为简单,将原始观测的双频载波相位数据设为观测量,一般使用经验模型改正和参数估计求解。

就区域准实时对流层延迟而言,高精度的解算结果是区域气象学反演研究的保障,是短临天气预报的可靠指标。从计算模式、处理方案的层面出发,影响计算结果精度的因素主要有以下几点。

1.1卫星星历和计算方式

星历与计算方式的选择影响整个解算的框架,相当于从外层循环给定了基准精度的层次和需求效率,选择合适的方案有助于区域网准实时解算的可靠性提高,尤对于分辨率要求比较高的气象研究。国际GNSS服务提供的星历主要有4种,如表1所示,为实现对流层延迟反演可降水量的准实时预报,必须采用快速预报星历计算。GPS解算软件Bernese中主要有两种数据处理方式,分别为PPP模式和基线解模式,采用卫星星历与处理模式相结合的方式来确定Bernese的最佳计算方式,有精密星历的PPP解、精密星历的基线解、快速预报星历的PPP解、快速预报星历的基线解。不同方案的解算精度和处理速度均有差异,选择适宜实际需求的才是最佳。

表1　不同卫星星历比照

1.2网外辅助站最佳数目

确切的说,最优化的辅助站是最小系统误差的风向标。在利用双差技术求解对流层延迟时,距离相近的测站与相同卫星卫地距相近,其传播路径也大致相同,造成卫星高度角接近,大气延迟几乎无差异,致使站间对流层延迟(特别是天顶方向)具有很强的相关性,从而影响区域网内各个测站对流层延迟绝对量的获取,而在测站间作差又很容易使求得的天顶延迟出现系统性偏差。消除或者大幅度减弱测站间相对大气延迟,准确计算出其绝对值的方法一般为网内加入距离大于500 km的长基线减少延迟相关性。

测站数量和数据量大小涉及数据处理工作的效率和网络维持的费用,选择网外辅助站数量时既要保证测站对流层延迟的绝对性和可靠性,又要尽量降低测站的数目和数据量的大小,一般选取测站位置准确的IGS基准站[10-12]。同时由于解算区域网数据, IGS基准站可以为其提供参考框架,但不同区域由于受环境、气候、地形等诸多因素的影响,不同基准站数目的选择对解算结果的影响产生不一致的影响。故找到较为理想的、乃至几何分布均匀的基准站选取方案,充分考虑节约现有资源的基础上,以得到较高的解算精度是关键之处。

1.3观测时间长度和截止高度角

客观说,数据处理的时间长度需要因地制宜,针对于不同环境需求,是效能的综合体现。一般而言,观测站以30 s采样率接收卫星信号,以RINEX格式存储,数据量较大。若采用长时间的数据进行解算,可以很好的满足对流层大气延迟精度从而提高气象学预报准确度,但比较耗时,效率不高;相反采用短时间的数据易造成解算时间短,解算精度低的问题。

截止高度角是对参与解算观测值的一种筛选,关系到GPS信号选取问题,确定合适的高度角是GPS解算对流层延迟需要考虑的一个因素。在数据分析过程中,截止高度角设置得较低,则观测值信息往往会更多,几何构型也会更好,有助于解算精度的提高;但如果设置得过低,模型中微小的水汽则容易使对流层水平和高程方向产生较大的误差,反演过程敏感性增加,同时映射函数的不确定性也增加。反过来若截止高度角设置得过高,则基线两端的共视卫星数目过少,从而影响双差解算结果。Beutler等人通过实验研究出了卫星截止高度角与基线分量精度间的经验关系式,其中经验系数如表2所示。

表2　不同截止高度角对基线垂向的影响系数

1.4实际资料的端部效应

Bernese处理对流层采用的是分段线性拟合的随机参数估计方法,即两个节点之间的对流层延迟是随着时间线性变化的,而节点处的对流层延迟服从随机过程。因任何平滑拟合方法对实际资料

处理时均会产生端部效应,即处理结果在资料(弧)段的端点处精度较差,而消除端部效应可以确保数据精度的流畅连续性,减弱节点处的噪声误差,故该部分因素对于高精度的对流层延迟解算影响也是比较关键的一环。

2方案分析

2.1卫星星历和计算方式

此处选取CORS网测站的HKKT锦田站为研究对象,对于星历和计算模式相结合的4种方式来说,采用2012年年积日为001到005的五天GPS观测数据,设定对流层天顶延迟的时间分辨率为30 min,高度截止角设置为5°,解算结果如表3所示。

表3　卫星星历、处理策略相结合的结果

由表可见,锦田站上精密星历和快速预报星历得到的结果不仅数值相近,且趋势一致,相关性较高,这从精度上、时效上说明了利用快速预报星历可以实现GPS对流层延迟乃至其反演可降水量的准实时预报。相比较采用双差处理策略估计得到的对流层延迟精度较高(与IGS站提供的高精度ZTD较差),其平均中误差优于PPP处理精度,而两种处理模式所耗费的时间并无太大差异,效率上接近。对于解算测站较多的CORS网,PPP解算具有无需联立其他测站同步观测便可直接获取绝对延迟值,但相较于数据监控服务中心给出的精密

对流层产品值而言其精度较差。由于精密星历的精度略高于快速预报星历,基线解考虑的因素比PPP考虑的因素多一些,因此可认为精密星历基线解的结果最佳,但时效性略差,故在实际应用中需按侧重点综合考虑选择解算模式。

2.2网外辅助站最佳数目的确定

方案:在区域网解算中,只加入中国大陆本土IGS站点,又联合加入其周边国家均匀分布的基准站点。试验一:只加入中国大陆本土站点,方案如表4所示。

表4中国香港地区GPS气象网加入长距离基准站测试方案

方案加入的长距离IGS测站引入的测站数目/个方案一0方案二房山1方案三房山拉萨2方案四房山拉萨上海3方案五房山拉萨上海乌鲁木齐4方案六房山拉萨上海乌鲁木齐昆明5方案七房山拉萨上海乌鲁木齐昆明长春6

分别从两个角度去考虑验证,验证包括CORS网中的HKFN测站解算情况和加入的IGS站的求解结果精度。一般而言,加入IGS站不宜过多,否则影响数据解算效率,最多不超过所解网站址数目的一半(此例为6个)。以HKFN粉岭参考站为例,为验证合理数目的IGS站的选择,分别将6个IGS辅助站联立计算的对流层天顶延迟与无网外IGS辅助站、1个辅助站、2个、3个、4个、5个计算的ZTD差值的均方根误差和其均值误差作比较,如表5所示。

表5　HKFN站ZTD解算精度比较

以加入的辅助站北京房山BJFS为例,比较方式类似于HKFN参考站,由于BJFS为IGS站,其官方给出了每天的高精度ZTD解算产品,可将此结果作为真值。分别把加入不同数目的参考站解算结果(BJFS站)与IGS服务公布的产品作对比,如表6所示。

表6　BJFS站ZTD解算精度比较

由表可见,当不加入长距离辅助站时,双差解算结果为测站间的相对时延,并不能获得各测站的ZTD绝对值;而加入一个长距离IGS站时,CORS参考站的ZTD结果得到明显改善(就HKFN来说),其较差均值和STD值迅速下降,直到加入4个辅助站时较差误差为最优,可得出对于距离在100 km左右的小区域GPS监测网,IGS站选取4个,并与CORS网站组成长基线,就可以减少站间相关性,达到天顶延迟解算的精度要求。而选取太多的基准站对改善精度的效果已不是很明显,在考虑解算效率和成本的基础上,不宜使用过多IGS站,也避免了带入测站误差影响整体结果。同样,对涉入的IGS站解算结果进行分析(BJFS),与网内参考站误差结论的特性一致,也是取4个站为宜。

试验二:既加入中国大陆本土站点,又联合加入其周边国家均匀分布的基准站点。方案如表7所示。方案说明，所引入的4个站均位于中国香港区域网地理位置的东西南北,且较好地成均匀分布,而区域网近似在4个站连线交点处,大致而言只有基准站距离区域网远近的不同。

表7　中国香港地区GPS气象网加入长

结论:限于篇幅,略去此处图形表格,研究分析误差,当加入的IGS站与CORS网所成几何图形越稳定,也就是对称性越好,并且当CORS网处于东西南北IGS站连线的交汇点处,以构成菱形网结果为最佳,本例以方案二图形分布最好,所求ZTD精度最高。

2.3观测时间长度和截止高度角的优化

截取不同时间长度的GPS观测数据解算对对流层延迟和基线向量的影响,从而确定最佳观测时间。为便于验证和从结论的可靠性出发,确保测站时间12点钟的时间节点处于所选时间段的中间位置,实验方案如表8所示(对流层参数解算的时间分辨率为30 min),为了更好地进行结果比对，以下方案均系用加入该CORS网形中的IGS站结果作分析验证，其实质不变。

表8　不同观测时间长度对GPS对流层延迟影响的方案

为比较不同时间长度对解算结果的影响,以上小节方案二加入的SHAO站为例,选取不同时段长的ZTD解算结果作为衡量指标,如表9所示。

表9　测站SHAO不同时间长度对对流层延迟的影响

由表可得,不同时段长度对解算结果(ZTD均值)的影响随着观测时间的延长有些许变化,其精度略微升高,在15 h处精度为最优,而15 h时长以后的精度不升反降,但却只是毫米级别以下的偏差。然处理时间越长,时效性越差,综合考虑解算时间和解算精度,该CORS网可取解算ZTD的最合适时段长度为15 h(当然针对反演区域大气可降水量,12 h时间长度比较更为适宜[4])。

就合适截止高度角的选取作分析,分别从5°、10°、15°、20°、25°这几种方案来探索中国香港CORS网联立的方案二中的PIMO站ZTD解算结果精度,认为对比过程中IGS公布的ZTD产品为真值,利用12年年积日为001、002、003的三天数据解求可得,如图1所示。

图1　PIMO站不同截止角下的三天ZTD解精度比较

由图可见,高度角越大,均方根误差也会缓慢增大,当高度角较小时,能有效增加观测数据数目和可见卫星数目,建立更多有效观测改良观测结果。但截止高度角太低会造成噪声误差的干扰,综合考虑此环境下合适的高度角应设置为5°为宜。

2.4实际资料的端部效应因素

研究方案:为研究区域网准实时可降水量或者有关气象的要素,平滑稳定可靠的对流层解算是先驱保证。探索端部效应,将处理数据时段长设置为12 h,经笔者研究,选择截止高度角为5°,0.5 h时间分辨率条件时的端部效应较低。以2012年第001日CORS网联立的PIMO测站数据为例,分段解算九组数据(即为0～12,0.5～12.5,1～13一直到4～16 h一共九组数据),每组数据时间长度相同,但时间初节点和末节点不同,均延迟了半小时,这样形成相邻数据时段重叠覆盖的端口。比较上一组数据最后两个值(也就是最后一小时)和其相邻下组数据对应时间的倒数第三、倒数第二个值,作对应时刻的对流层延迟较差(后组数据减去前组数据,以前组数据的时段为基准),求其平滑窗中尾部数据及其前一个时刻数值的受影响程度,如图2所示,对端部效应产生的对流层ZTD误差进行分析和研究,作出适当结论,以期适当取舍。

图2　WUHN站ZTD端部效应比较

由图可见,平滑窗中倒数第二个较差的绝对值平均值均小于最后一个,其算数平均值也基本满足这一结论,即每段数据最后衔接点处的对流层延迟解算误差比较大,最大可达分米级,对于精密定位造成严重的误差影响。高度截止角为3°和5°时,端部效应的影响比较接近,差别在毫米以下级,而当高度角为10°时,端部效应明显增加,可达厘米级。就文中算例而言,选择5°截止高度角下的30 min时间分辨率为最优,为解决端部效应问题,需将最后一个结果删除,其余数据资料保存应用。

3结束语

本文就影响区域对流层延迟解算的几种主要因素,提出并分析了不同方案,精确缜密、较为科学地优化得出处理该类问题的数据处理方针。综合来看,选取合适的处理方式会对处理效率和精度指标有大幅度改进,可为该类问题解算研究提供一套完善的技术理论依据和实施策略。综合考虑各种因素的影响,可适当的削减或者规避对流层延迟的多方噪声干扰,而精确的对流层时延用于水汽反演、大气探测、数值预报等领域具有深远的指导意义,可开辟新的商机和应用,文中还有些细节欠缺考虑,而且环境因素,地理位置因素、不同季节因素、时空因素对区域的影响,将在下一步研究中继续改进完善。

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张宇(1992-),男,硕士生,主要从事精密定位,大气影响等方面的研究工作。

赫金明(1962-)，男，教授，博士生导师，主要从事卫星导航与精密定位等方面的方向的研究。

Selection of Optimal Scheme in Resolving of Regional Tropospheric Delay

ZHANG Yu, HAO Jinming

(InstituteofNavigationandAerospaceTarget,UniversityofInformationEngineering,Zhengzhou450001,China)

Abstract:The sequence of precipitablewater,retrieved by tropospheric delay at quasi real-time,is the premise of weather forecasting in short time,especially the severe weather monitoring,thus the key of calculating results in high precision and meteorological products is which proper and even optimal computing method to be selected.From perspective of researching precision in data processing over tropospheric delay thoroughly,this paper summarizes several plans influencing quality of data results,as well as optimal strategies in data processing regarded as integrative and high reliability relatively are put forward by comparing and verifying synthetical susceptibility and effectiveness of various approaches composed by selection of elevation cutoff angle and observation time,choice of satellite ephemerides and computing methods,also decision of whether auxiliary stations should be add in or not and determination of its best number and impaction of end effect as well,it provides a reference and help for GPS data processors and related professional students having a better understanding and mastery for this content.

Keywords:Tropospheric delay; data processing; auxiliary station; susceptibility

作者简介

中图分类号：P228.4

文献标志码：A

文章编号：1008-9268(2016)01-0049-06

收稿日期：2015-11-12

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.01.009

资助项目: 装备预研基金项目(编号：9140A24011314JB52001)

联系人： 张宇 E-mail: 1043299398@qq.com