基于BDS反演海上氣象要素的研究

王郁茗,邵利民,張尚悅

(1.海軍大連艦艇學院 軍事海洋系,遼寧 大連 116018;

基于BDS反演海上氣象要素的研究

王郁茗1,邵利民1,張尚悅2

(1.海軍大連艦艇學院 軍事海洋系,遼寧 大連 116018;

2.海軍大連艦艇學院 航海系,遼寧 大連 116018)

海洋大氣環境對艦船航行及作戰有至關重要的影響,海上空中氣象信息的獲取依賴于探空手段的發展,然而艦船海上探空技術受制于常規方法和儀器設備的局限性而存在諸多現實問題,大大降低了艦船遠海航行安全性及艦載武備的使用效能。本文針對該問題提出艦基BDS反演海上氣象要素技術,研究基于地基BDS氣象要素反演理論實現海上艦基反演技術的可行性,分析了海上反演氣象要素存在的主要問題,并對解決相關問題的關鍵技術提出了研究設想。

艦船;北斗衛星導航系統;氣象要素;反演

0 引 言

全球導航衛星系統(GNSS)的衛星信號穿過大氣層時,會受其折射影響引起傳輸路徑的偏折和時延效應的發生,而信號的延遲與大氣參數之間具有很好的相關性,可通過反演技術得到整層大氣的溫度、壓力、濕度、水汽等氣象要素信息,這種技術稱為GNSS氣象學,目前該技術應用于大氣探測基本上基于美國全球定位系統(GPS),且利用GPS開展氣象應用已取得一定的成果,一般稱為GPS氣象學[1-2]。北斗系統(BDS)是我國出于國防與國家安全、國家經濟安全等因素而自主研制的衛星導航系統,隨著其技術日臻成熟,近幾年,基于BDS的氣象要素探測技術逐步發展起來。高為廣、張清華和張強等[3-5]對北斗系統的系統性能、觀測質量、模型精度等進行了評估,證明BDS具備大氣探測的基本條件。潘文超[6]利用PANDA軟件對2013年多個北斗數據接收站點的BDS原始接收數據進行解算,將解算數據與GPS解算結果進行比對,結果表明BDS解算精度與GPS相當。田耀佳[7]利用靜態精密單點定位軟件,基于國際GNSS服務中心(IGS)發布的BDS精密星歷和精密鐘差,給出了BDS估算天頂延遲結果,并與GPS估算結果比較,結果表明,利用BDS估計的對流層天頂延遲精度與GPS相當。施闖[8]對恩施、宜昌、荊州、咸寧和孝感等5個GNSS基準站數據分別進行基于BDS與GPS的數據處理分析,結果表明,BDS水汽處理結果與GPS較一致,BDS水汽探測較好地反映了實際大氣可降水量的變化情況,可應用于大氣水汽含量等氣象要素的探測。

海上氣象條件對海軍活動有至關重要的影響,包括艦船的安全航行,艦載武備使用等。然而,海上大氣探測受制于常規方法和儀器設備的局限性,尤其在深遠海的大氣環境信息的獲取上存在諸多現實問題,若能利用北斗衛星導航系統探測海上氣象要素,可彌補目前探測手段的不足。目前,地基BDS氣象要素探測已取得初步進展,而以艦船等海上平臺為載體的BDS氣象要素探測研究成果尚不多見,本文探討了基于BDS反演海上氣象要素技術實現的可行性,分析了該技術應用中存在的主要問題,并對相應關鍵技術提出了前景展望。

1 BDS反演氣象要素基本原理及反演精度比較

當BDS信號穿過50 km以下的中性大氣層(包括對流層和平流層)時,會受到其折射影響,如圖1所示,G為衛星到接收機的幾何直線路徑,S為實際傳播路徑,大氣以兩種方式影響電磁波的傳播路徑,一是傳播路徑由直線變成彎曲的路徑,二是與在真空相比,電磁波的傳播速度減慢效應。這兩種影響都是沿射線傳播路徑上大氣折射指數的變化造成的。在大地測量學的精密定位測量中,大氣折射的影響被當作主要誤差源而要設法消除掉,而在GNSS氣象學中卻被加以利用。通過構造BDS信號延遲量于氣象要素的函數關系,即可得到相應的氣象產品。

圖1 BDS信號通過大氣層的傳播路徑S和幾何直線路徑G

1.1基于BDS觀測數據反演氣溫和氣壓

信號傳播在時間上的延遲等效于傳播路徑長度的增加,增加的路徑表示為

(1)

式中:c0為真空中的光速;Δt為信號實際傳播的時間;c為信號在大氣中傳播速度;n(s)是大氣折射指數,S是沿L的路徑長度。上式第二行第一項積分項是減慢項,第二項是彎曲項,為彎曲路徑與幾何直線路徑之差。其中信號的彎曲量很小,當信號接收仰角超過15°時,彎曲路徑與幾何直線路徑的差小于1 cm,一般忽略不計,而信號的減慢項造成的延遲量很大。大氣的折射特性是BDS反演氣象要素的基礎,大氣折射指數n(s)和大氣折射率N(s)是兩個重要的概念,且兩者關系為N(s)=106(n(s)-1). 大氣折射參數與大氣天頂總延遲量ΔL存在函數關系,具體為

(2)

式中,ΔL為由BDS原始觀測數據解算得到的高精度延遲信息。通過式(2)可得大氣折射參數,再根據大氣折射參數與氣溫和氣壓的關系,通過構造相應函數,可反演出氣溫和氣壓的數值。例如,0.5%精度的對流層大氣折射率可表述為溫度和氣壓的函數,函數關系可表示為

N(s)=77.6(P/T)+3.73×105(e/T2) ，

(3)

式中:P為大氣壓強(hpa);e為水汽分壓(hpa);T為大氣溫度(K)。

1.2基于BDS觀測數據反演水汽含量

大氣天頂總延遲與天頂靜力延遲ΔLh,天頂濕延遲ΔLw和電離層延遲ΔLe有關。即ΔL可寫成:

ΔL=ΔLh+ΔLw+ΔLe.

(4)

通過構造天頂濕延遲與水汽含量的函數關系可求解出大氣水汽含量。ΔLe可通過雙頻北斗接收機消除掉,ΔLh可應用Saastamoinen、Hopfield或Black等模型精確計算出。從BDS原始觀測數據解算得到的大氣天頂總延遲量ΔL中扣除用上述方法求得的天頂電離層延遲和天頂靜力延遲,即可獲得天頂濕延遲,其值約為0～50 cm.再根據式(5),式(6)和式(7)反演氣象要素中的水汽信息[9]。

W=Π×ΔLw,

(5)

(6)

(7)

1.3BDS反演對流層濕延遲精度與GPS結果對比分析

選取三個GNSS測站分別利用BDS與GPS反演對流層濕延遲,將反演結果精度進行對比分析,如圖2所示。

圖2 BDS與GPS對流層濕延遲反演精度比較(a)CUT0 測站6月份;(b)DAE2測站11月份;(c)DAE2測站11月份

如圖2所示,圖2(a)示出了CUT0測站6月份的反演結果,BDS與GPS反演結果平均偏差為1.5 mm;圖2(b)示出了DAE2測站11月份的反演結果,BDS與GPS反演結果平均偏差為1.2 mm;圖2(c)示出了DAE2測站11月份的反演結果,BDS與GPS反演結果平均偏差為1.4 mm.由此可證BDS反演結果與GPS相當,精度較高,可用于氣象要素的獲取。

2 BDS反演海上氣象要素研究意義

海上BDS氣象要素反演是地基BDS反演由陸地向海洋的延伸,也是BDS應用的拓展。連續、實時、高精度地獲取海上氣象信息,可提高艦船的海上大氣信息獲取和氣象保障能力,使艦船逐步減小對近岸保障的依賴性。

2.1海上大氣環境信息的獲取

海洋由于缺少測站,只能獲取沿岸海域的大氣環境信息,深遠海域則無法獲取。將此技術應用于艦船上可實現無須添加任何大型設備、僅需要將現有艦載北斗接收機添加軟件處理模塊和體積較小的天線設備,并且無需占用太多艦船空間和消耗探空氣球和探空儀等裝備,就可以通過接收的BDS原始觀測數據,處理反演得到艦船所在海域的氣象要素信息,填補艦船航行時無法全面實時獲取海上大氣環境信息的空白。利用北斗反演氣象要素技術,所測氣象要素信息可為訓練和作戰的戰場指揮決策提供參考依據,既有軍事效益又有經濟效益。

2.2海上氣象保障業務應用

目前的相關研究大多是依賴岸基,如實現艦基的北斗反演,就可以利用獲取的資料,結合接收到的岸基常規氣象探測資料,一起嵌入氣象保障部門的氣象信息分析處理系統并同化到相關的數值預報模式中,提高數值預報的準確率,同時利用獲取的海上空中氣象數據,可開展艦船自主式氣象保障研究。這在一定程度上可彌補海上資料稀少的缺陷,從而得到更詳細、準確的保障產品,提高氣象保障的準確性和實時性。進一步講,所獲取的氣象資料經過分析積累和實際保障研究,可以建立相應數據庫,優化預報模型,最終形成適用于艦船海上訓練和作戰的氣象保障模型,從而減少艦船對岸基氣象保障的依賴性,實現艦船的海上完全自主氣象保障,可大大提高艦船深遠海訓練、作戰和保障能力。

3 基于BDS反演海上氣象要素關鍵技術展望

目前,地基BDS氣象要素探測已取得初步進展,而以海上平臺為載體的BDS氣象要素探測還是該領域的空白,海上環境復雜多變和艦船的動態特征增加了該技術的復雜性、多變性和研究難度,需進一步深入探討和研究。

3.1BDS海上氣象要素反演須深入研究的問題

1) 遠海動態氣象要素提取。國外研究GNSS氣象學的學者研究分析,當海上移動平臺至地基GNSS參考站的距離較近(如54 km以內)時,采用GNSS雙差相對定位技術進行海洋動態氣象信息提取,能夠較好地利用差分信號削弱電離層的影響,從而取得較好的對流層延遲估算結果。RTK技術就是將基準站采集的載波相位發給艦載接收機,進行差分解算坐標,當艦載BDS接收機至地基參考站的距離為幾百海里甚至上千海里時,此種雙差相對定位方法常常是不可行的,參數估計的精度也會隨著基線長度的增加而降低[10-11],制約了遠海氣象要素的獲取。

2) 海上BDS信號斜路徑濕延遲估算。BDS信號的斜路徑濕延遲包括各向同性部分、各向異性部分以及未模型化部分。 其中各向同性部分與方位角無關,可由天頂對流層濕延遲分量(ΔLw)和濕延遲映射函數相乘得到;各向異性部分則是考慮水汽分布的不對稱性影響,隨方位角的不同而有所變化,可由大氣水平梯度改正模型得到;未模型化的延遲部分主要來自于映射函數、水平梯度改正等的模型誤差、多路徑效應、接收機鐘差的殘余影響等。在反演計算中,未模型化的延遲部分是影響BDS信號斜路徑濕延遲估算的主要因素之一。

3.2關鍵技術研究展望

1) 當艦船于遠海航行時,傳統雙差相對定位精度會隨著基線長度的增加而降低,因此不宜采用。精密單點定位法(PPP)指利用一個測站的觀測數據進行天頂對流層延遲估計,沒有作用距離的限制,無需引入遠距離參考站即可得到天頂對流層絕對延遲估計[12-13]。因此PPP法更加適用于遠海動態氣象要素提取。但由于海洋環境復雜多變、艦船的動態特征及海面多路徑效應等因素的存在,PPP的估算精度會受到影響。在接下來的研究中可通過增加修正的水平梯度模型、艦船動態特征估計等方法提高PPP法測算精度。

2) BDS斜路徑延遲中未模型化的部分一般被吸收到驗后殘差中,各種誤差模型的參數化、精確化,及非差模糊度固定等均會影響PPP法解算精度,如何盡可能減小非大氣部分的影響,從驗后殘差中提取非模型化的延遲部分,也是在應用PPP法解算對流層延遲時需要對其改進之處。

4 結束語

基于陸基BDS反演氣象要素基本原理,研究艦船海上BDS氣象要素反演技術,在海上大氣環境信息獲取和海上氣象保障業務應用中都具有重要的研究意義,能夠填補艦船航行時無法全面實時獲取海上大氣環境信息的技術空白,彌補目前探測手段的不足。BDS海上反演氣象信息技術需解決兩個問題:

1) 遠海動態氣象要素的提取;

2) 海上BDS信號斜路徑濕延遲估算。

針對以上問題,展望研究通過增加修正的水平梯度模型、艦船動態特征估計等方法改進精密單點定位(PPP)技術,提高PPP法用于海上北斗反演的精度。

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ResearchforMaritimeMeteorologicalElementsInversionUsingShip-BasedBDS

WANGYuming1,SHAOLimin1,ZHANGShangyue2

(1.Dept.ofMilitaryOceanography,DalianNavalAcademy,Dalian116018,China;2.Dept.ofNavigation,DalianNavalAcademy,Dalian116018,China)

The marine atmospheric environment has important influence on navigating and fighting. The acquisition of meteorological information in the sea depends on the development of sounding means. However, the marine sounding technology is limited by conventional methods and instruments. Greatly reducing the safety of ships navigational and naval combat effectiveness of the use of weapons. In this paper,propose maritime battlefield meteorological elements inversion using ship-based BDS to solve the problem. Study feasibility of this technology based on ground-based BDS Meteorological Elements inversion theory. Analyze the main problems of maritime battlefield meteorological elements inversion. And prospect the key techniques about solving the related issues.

Warship; BeiDou Navigation Satellite System;meteorological elements; inversion

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.04.010

P228.4

A

1008-9268(2017)04-0055-05

2017-03-06

聯系人: 王郁茗 E-mail: dlwangyuming@163.com

王郁茗(1990-),男,博士研究生,研究方向為軍事航海安全保障與防護技術。

邵利民(1963-),男,教授,博導,研究方向為軍事航海安全保障與防護技術。

張尚悅(1970-),男,教授,研究方向為軍事航海的理論與方法。