水汽輻射計與PPP估計天頂濕延遲對比研究分析

何力維,陳義,2，周亞軍

(1.同濟大學測繪與地理信息學院,上海 200092;

2.現代工程測量國家測繪局重點實驗室,上海 200092)

?

水汽輻射計與PPP估計天頂濕延遲對比研究分析

何力維1,陳義1,2，周亞軍1

(1.同濟大學測繪與地理信息學院,上海 200092;

2.現代工程測量國家測繪局重點實驗室,上海 200092)

摘要：利用與水汽輻射計相同位置的GPS觀測數據和利用Bernese軟件解算對流層天頂總延遲(ZTD)。利用三種不同天頂靜力延遲(ZHD)計算模型:Saastamoinen模型、Hopfield模型、Black模型,推算天頂濕延遲(ZWD),并比較之間的精度差異。采用同濟大學GPS連續運行參考站與地面氣象站數據反演天頂大氣濕延遲,對比不同模型的解算精度,得出Saastamoinen模型能夠得到較理想精度的結論。

關鍵詞：天頂濕延遲;水汽輻射計;PPP

0引言

近年來，地基GPS永久跟蹤站應用于天氣預報已經取得了比較好的效果，特別是在歐洲現已將其作為大地測量學和氣象學結合起來為社會服務的一個重大項目。1999年開始,歐洲15個國家聯合進行了將地基GPS永久跟蹤站網的數據用于數值天氣預報研究,有近100個GPS站將其觀測數據或天頂總延遲傳輸給數據中心,然后換算為氣象學上的水汽總量。歐洲已開發出了高精度、快速(近實時)GPS星歷服務,這對保證從天頂總延遲計算大氣水汽總量的精度至關重要[1-2]。

GPS信號在穿越對流層大氣時,會受其影響而產生信號延遲。由于信號延遲和大氣參數之間具有很好的相關性,因而可用GPS技術以遙感的方式來探測大氣參數,研究對流層大氣。常用的地基GPS估計天頂對流層延遲方法包括雙差網解法和非差精密單點定位法。雙差網解法在缺乏較好的遠距離測站的數據通信設備時將受到限制。精密單點定位方法相比常用的雙差網解法則具有其顯著的優勢,如估計模型簡單,無需引入遠距離測站即可估計絕對天頂延遲,處理大規模數據速度快等[3-4]。為了獲得理想的濕延遲觀測結果,本文利用Bernese5.0進行精密單點定位,得到了對流層天頂總延遲,反演對流層延遲所使用的是精密星歷。比較了Saastamoinen模型、Hopfield模型、Black模型解算濕延遲的結果,并對3種模型的計算結果進行了比較和分析。

1GPS對流層天頂總延遲計算

Bernese軟件是瑞士伯爾尼大學天文研究所研究開發的高精度GPS數據處理軟件,它的數學處理模型以及處理方法都是行業中領先的。這也使得CODE數據分析中心用該軟件計算獲得的數據產品在IGS數據綜合時給予較高的權限。Bernese軟件既能處理GPS雙差數據,也能處理GPS非差數據,這是它區別于其他同類軟件的一個特點。它提供了源代碼,而且軟件結構化強,代碼清晰,并帶有比較詳細的技術文檔,特別適用于用戶進行二次開發和擴展。

用Bernese軟件處理數據,必須準備以下文件:TJCH站觀測數據文件、接收機信息文件、相位改正信息文件、衛星信息文件、衛星問題信息文件、精密星歷文件、極文件、鐘差文件、碼差分文件。利用軟件自帶的PPP自動批處理程序進行計算,計算完成后,可在項目文件夾下的ATM文件夾下找到后綴名為TRP的文件,里面TOTAL-U對應的是對流層天頂總延遲,2個小時估計一個對流層天頂總延遲。

聯系人： 何力維 E-mail:1335454@tongji.edu.com

2天頂靜力延遲計算模型

由于氣象經驗模型計算濕延遲時需知道地面水汽壓,這樣不但增加了對地面氣象要素需求的數量,也增大了氣象要素觀測誤差對濕延遲計算精度的影響(因為1%的相對濕度誤差可造成1～3 mm的濕延遲誤差),造成應用不便且計算精度不高。因此,地基GPS氣象學中通常不用經驗模型直接計算天頂濕延遲,而是用天頂總延遲與天頂靜力學延遲的差來間接計算天頂濕延遲[5],即

ZWD=ZTD-ZHD,

(1)

式中：ZTD為對流層天頂總延遲(mm);ZHD為天頂靜力延遲(mm),得到ZWD后經過相應的轉換公式可轉化成各類水汽產品,如地基GPS水汽產品,包括天頂水汽累計含量(IWV)、天頂可降水量(PWV)、斜徑可降水量(SWV)、水汽廓線(垂直分布和3D)水汽場等[6]。

2.1Saastamoinen模型

Saastamoinen(1972)、Davis等(1985)、Elgered等(1991)提出計算天頂方向靜力延遲公式為

(2)

f(φ,h0)=1-0.00266cos2φ-0.00028h0,

式中:Ps為地面氣壓(hPa);φ為GPS接收站的緯度;h0為相對于旋轉橢球體的GPS測站高度,簡稱大地高(Km).Saastamoinen模型的計算精度直接取決于地面氣壓的測量精度。

2.2Hopfield模型

Hopfield天頂靜力學延遲模型為

(3)

hd=40136+148.72×(Ts-273.16),

(4)

(5)

式中:Ts為測站上的絕對溫度(K); hd為中性大氣層頂部高于大地水平面的有效高度(m);hs為測站大地高程(m); hw=11 000 m.Hopfield模型的誤差主要取決于地面氣壓的測量誤差,而受地面氣溫測量誤差的影響較小。

2.3Black模型

Black天頂靜力學延遲模型為

(6)

與Saastamoinen模型和Hopfield模型不同的是,Black模型只需要測站的地面氣象數據即可,而不需要測站的坐標。

3水汽輻射計

水汽輻射計早在20世紀70年代就已用于測量對流層中的水汽含量,在GPS測量中廣泛用于信號延遲修正。目前水汽輻射計是探測大氣水汽最為精確的一種基本設備。同濟大學所使用的水汽輻射儀是德國LABSUN公司的型號為RPG-LWP-G4產品。測量原理為在典型的大氣微波水汽窗口范圍內,根據波譜理論、譜線相關性以及實踐驗證的結果,選擇最優化的通道數目和獨立寬帶,利用高穩定雙通道并行濾波接收器組系統探測亮溫,利用當地多年探空資料正向模擬微波輻射,并結合地面微型氣象站,通過神經網絡和回歸算法反演0~10km高度范圍內的液態水和水汽含量等信息。

4數據對比研究

實驗所用數據來自于同濟大學GPS參考站及水汽輻射計。選用的時間段為2014年6月10日至2014年6月14日(UTC)此時段內無降雨,可保證水汽輻射計測量精度。水汽輻射儀的測量模式:高度角步長為20°,一個測量周期為10min,24h不間斷測量。

GPS數據處理的使用軟件為Bernese5.0,使用精密單點模式進行解算。截止高度角選擇為10°.解算所得對流層天頂總延遲從6月10日0時開始,每2h估計一個對流層天頂總延遲,5天時間共得到61個解算結果,如圖1所示。

圖1　對流層天頂總延遲解算結果

圖2　6月10日至14日濕延遲數據對比(a) 10日；(b) 11日; (c) 12日; (d) 13日; (e) 14日

為了對比這三種不同靜力學延遲模型的解算結果,分別用Saastamoinen模型、Hopfield模型與Black模型計算靜力學延遲,利用濕延遲等于對流層天頂總延遲減去天頂靜力學延遲這種關系,得到GPS反演的濕延遲數據。圖2示出了通過不同模型反演得到的濕延遲與水汽輻射計數據的對比。從圖2中可以看出三種靜力學模型解算出的濕延遲變化趨勢,基本與水汽輻射計提供的數據吻合。通過三種靜力學模型解算出的結果基本保持一致,都能反映大氣水汽變化趨勢,在這次試驗計算中Saastamoinen模型的效果最好,濕延遲平均偏差值在2.16 cm,Hopfield模型平均偏差為2.32 cm,Black模型平均偏差為2.37 cm.如果端點值采用跨天PPP解算效果更好,解算結果可與GPS基線解算出的濕延遲相當,平均偏差值在1.7 cm左右。對比結果顯示,在保證地面氣壓測量精度的條件下,Saastamoinen模型、Hopfield模型與Black模型均可達到解算濕延遲的目的,其中Saastamoinen模型比較理想。

10日至13日的數據,除了每天0點的GPS反演濕延遲與水汽輻射計觀測數據相差較大外,其他時段的數據都能保持差值在2 cm之內,如圖3所示.13、14日差值波動較大,精密單點定位對模型要求較高,不能保持穩定的精度。

圖3　濕延遲差值

5結束語

利用Bernese 5.0進行PPP解算,得到對流層天頂總延遲。通過不同的模型計算靜力學延遲,推算天頂濕延遲。與并址的水汽輻射計數據進行比較,發現三種模型都能正確反映濕延遲變化趨勢,其中Saastamoinen模型的結果最為理想,其濕延遲平均偏差為2.16 cm.通過精密星歷解算,在0點時刻解算的濕延遲偏差較大,需要通過跨天數據計算才能達到可利用標準。GPS反演結果普遍比水汽輻射計測量結果小,每個地區的水汽分布都有其特殊性,說明針對此地區模型可繼續改善,使其反演結果更加理想。

參考文獻

[1]李國平. 地基GPS氣象學[M]. 北京:科學出版社, 2010.

[2]張京江. 地基GPS實時水汽反演系統建設速成[M]. 北京:氣象出版社, 2011.

[3]王勇, 劉嚴萍. 地基GPS氣象學原理與應用研究[M]. 北京:測繪出版社, 2012.

[4]張小紅. 基于GPS非差觀測值估計大氣可降水量[J]. 武漢大學學報·信息科學版, 2010, 35(7): 806-810.

[5]曲建光. 利用天頂對流層延遲數據直接推算水汽含量的研究[J]. 武漢大學學報·信息科學版, 2005, 30(7): 625-628.

[6]宋淑麗, 朱文耀, 丁金才, 等. 上海 GPS 網層析水汽三維分布改善數值預報濕度場[J]. 科學通報, 2006, 50(20): 2271-2277.

何力維(1990-),男,碩士生,主要研究方向GPS對流層水汽反演。

陳義(1960-),男,博士,教授,主要從事大地測量和GPS數據處理的研究及教學工作。

周亞軍(1991-),男,碩士生,主要研究方向GPS數據處理。

Comparison Between Zenith Wet Delay by Water

Vapor Radiometer and PPP

HE Liwei1,CHEN Yi1,2,ZHOU Yajun1

(1.TongjiUnversityCollegeofSurveyingandGEO-Informatics,Shanghai200092,China;

2.KeyLaboratoryofModernEngineeringSurvey,Shanghai200092,China)

Abstract:The zenith total delay(ZTD) is computed by software Bernese, using the GPS observations collected in the same place with water vapor radiometer. The precision of zenith wet delays(ZWD) is compared, by Saastamoinen model, Hopfield model and Black model. Saastamoinen model can achieve better precision, with the data from tongji university GPS station, water vapor radiometer and meteorograph.

Key words:Zenith wet delay; water vapor radiometer; PPP

作者簡介

收稿日期：2015-05-14

中圖分類號：P228.4

文獻標志碼：A

文章編號：1008-9268(2015)06-0068-04

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.06.014