利用RTKLIB提取對流層延遲方法與精度評估

郭海林，姜英明

利用RTKLIB提取對流層延遲方法與精度評估

郭海林1，姜英明2

（1 千尋位置網絡有限公司，上海 200438；2 山東農業工程學院，濟南 250100）

全球衛星導航系統可以進行精確的水汽估算，能夠成功地應用于天氣預報中，比如數值天氣預報模型。利用精密單點定位技術提取天頂對流層延遲，采用RTKLIB開源軟件進行靜態精密單點定位解算并提取天頂對流層延遲估值，并與國際GNSS服務IGS提供的參考值進行比較，評估其對流層解算精度。選取中國3個IGS觀測站數據進行試驗，結果表明RTKLIB可以獲得厘米級的對流層解算精度。

RTKLIB；精密單點定位；天頂對流層延遲

0 引言

全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）越來越多地應用于全球用戶的位置估計，然而人們對它們在對流層中用于水汽的感知能力知之甚少，Bevis等人成功地引入了一種被稱為GPS氣象學方法的概念[1]，從那時起學者們在這一領域進行了許多研究，但多年來僅將GPS系統用于GPS氣象研究。在最近的時間里，這個術語從GPS氣象學轉變為GNSS氣象學，開始使用其他GNSS系統（例如GLONASS、BDS和Gallieo）來研究GNSS氣象學[2-4]。但是在本研究中，除非另有說明，否則僅處理來自GPS衛星的信號，因此GNSS僅指GPS。

從GNSS衛星傳播到地面接收器的信號會進入地球大氣的2個部分，即電離層和對流層。由于電離層是1～2 GHz GNSS信號頻率的分散介質，因此可以通過適當組合2個不同頻率的信號來消除其影響。相反，對流層是描述信號的非分散介質，因此其影響不能直接從觀測中消除，但是可以通過參數進行精確估計。對于放置在平均海面上的接收器而言，其對流層延遲在天頂方向上大約為2.3 m，此參數稱為天頂對流層延遲（Zenith Tropospheric Delay，ZTD），是GNSS氣象處理的主要結果。總延遲可以分為干延遲部分（Zenith Hydrostatic Delay，ZHD）和濕延遲部分（Zenith Wet Delay，ZWD）。干延遲部分占總延遲的80～90％，并且在空間和時間上的變化遠小于濕延遲部分，可以使用Saastamoinen模型（Saastamoinen 1972）精確地計算[5]。量化并分離后，可以將轉換為水汽含量，此參數表示GNSS接收器上方天頂方向的水汽總量，以毫米為單位。

Zumberge等人在20世紀90年代后期提出了精密單點定位（Precise Point Positioning，PPP）技術，該技術通過使用精密軌道時鐘產品和高精度載波相位觀測來實現高精度厘米級定位[6]。在實際應用中，PPP技術只需要在單個接收器上就可以獲得厘米級的地理坐標，這使得獲取定點信息更加方便，并且在實際操作中相對簡單，能更好地滿足航空等領域的定位需求，為各項事業的發展奠定重要的技術基礎。同時PPP技術中的估計參數含有對流層信息，可以用于估計對流層延遲。本文的研究目的是評估RTKLIB軟件庫的PPP解算提取對流層延遲的精度，并評估其對GNSS氣象學的應用潛力。

1 利用RTKLIB提取對流層延遲方法

RTKLIB是一個開源程序包，可以利用GNSS觀測值進行標準和精密定位。其提供了許多功能，包括各種定位（偽距單點定位、精密單點定位和差分定位）、各種格式的數據和協議、GNSS數據編輯和可視化工具等。它包含可執行應用程序，可用在圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）和命令行用戶界面（Command-line User Interface，CUI）版本中使用。本文利用的RTKLIB版本為2.4.3，利用RTKPOST執行程序進行PPP解算并提取對流層信息。

RTKLIB中的PPP支持以下3種模式：動態PPP（測量過程中接收器處于移動狀態）、靜態PPP（測量過程中接收器位置處于靜態）和固定PPP（接收器的坐標固定在已知位置，坐標參數不用估計）。本文在提取對流層參數時，使用靜態PPP模式，原始輸入觀測數據為標準格式的RINEX觀測文件，精密軌道鐘差產品使用IGS事后精密產品。本文研究僅使用GPS星座。PPP整個估算過程都基于擴展的卡爾曼濾波器，在進行PPP解算時RTKLIB提供了各種模型改正，包括衛星、接收機天線相位中心偏差、變化改正，固體潮、海洋潮汐改正、相對論效應和相位纏繞改正等。

利用PPP技術提取對流層時，通常采用無電離層組合觀測值消除電離層一階項的影響，無電離層組合PPP觀測方程如式（1）～式（2）所示[7-8]：

PPP解算時各誤差改正如表1所示。

表1 PPP解算各項誤差改正

2 實驗分析

為了評估利用RTKLIB提取對流層的精度，實驗選取2020年年積日為294天采樣間隔為30 s的 3個IGS中國站的觀測數據（BJFS站、JFNG站和LHAZ站），截止高度角設置為10°，利用RTKLIB的PPP解算出，然后分別將處理得到的結果與IGS提供的對應站的結果進行比較，由于IGS提供的的間隔為300 s，因此將RTKLIB得到的的間隔重采樣為300 s后再進行比較。在分析精度時，同時也對3個測站的衛星數、三維位置精度因子（Position Dilution of Precision，PDOP）以及多徑組合觀測值（Multipath Observation，MP）進行了分析。

3個IGS站的衛星數和值時間序列圖如圖1所示，圖中橫坐標為GPS時間，縱坐標為衛星數或者值，圖中上半部分為衛星數，下半部分代表。由圖1可知，3個IGS測站的GPS可用衛星數在6～12顆，大部分時間段均能保持在 7顆以上；3個測站的PDOP值大部分時間小于4，這能夠保障PPP解算獲得較好的對流層精度。對比衛星數和P值可以發現，值與衛星數有強相關性，通常情況下衛星數越多，值越小；衛星數越少，值越大。

圖2 3個IGS站SNR、MP和高度角時間序列圖

3個IGS站的信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）、多路徑誤差（Multipath Error，ME）和高度角時間序列圖如圖2所示。由圖2可知，3個測站的信噪比、多路徑誤差和衛星分布均比較正常，但是JFNG測站的信噪比要略差于其他2個測站，LHAZ站的信噪比和多徑誤差指標均優于其他2個測站。

圖3 3個IGS站對流層誤差時間序列圖

利用RTKLIB提取的3個IGS站的誤差時間序列圖如圖3所示。由圖3可知其精度在厘米級，BJFS站和JFNG站后面時間段的對流層誤差時序有一個凸起，主要受該時間段衛星數較少和值偏大影響，LHAZ站對流層誤差在該時間段沒有太明顯凸起，與該時間段的值相對較好，且該測站數據質量也較好（信噪比和多徑誤差指標均很好）有關。分別統計3個站的精度的值，結果分別為0.026 m、0.033 m和0.038 m。

3 結語

利用PPP技術可以對天頂對流層延遲進行精確估計，從而進行精確水汽估算，并成功地應用于天氣預報中。本文研究利用PPP技術提取ZTD，并采用RTKLIB開源軟件進行靜態PPP解算并提取ZTD估值，將處理的ZTD結果與IGS提供的參考值進行比較，評估其對流層的解算精度。選取中國3個IGS觀測站數據進行試驗，結果表明利用RTKLIB可以獲得厘米級的對流層解算精度，3個站的ZTD解算精度分別為0.026 m、0.033 m、0.038 m。

[1] Bevis M，Businger S，Herring T A，et al. GPS meteorology：Remote sensing of atmospheric water vapor using the global positioning system[J]. Journal Geophysical Research，1992，97（14）：15787-15801.

[2] 楊元喜. 北斗衛星導航系統的進展，貢獻與挑戰[J]. 測繪學報，2010，39（1）：1-6.

[3] 張士柱，李莎莎，肖偉，等. 利用Multi-GNSS估計天頂對流層延遲[J]. 地理空間信息，2019，17（05）：68-72+5.

[4] 汪波. 局域地基GPS遙感水汽的理論及應用研究[D]. 貴陽：貴州大學，2016.

[5] Saastamoinen J. Atmospheric correction for the troposphere and stratosphere in radio ranging of satellites[M]. Geophysical Monograph Series，1972：247-251. doi：10.1029/gm015p0247.

[6] Zumberge J F，Heflin M B，Jefferson M M，et al. Precise point positioning for the efficient and robust analysis of GPS data from large networks[J]. Journal Geophysical Research，1997（102）：5005-5017.

[7] 辜聲峰. 多頻GNSS非差非組合精密數據處理理論及其應用[D]. 武漢：武漢大學，2013.

[8] 葉世榕. GPS非差相位精密單點定位理論與實現[D]. 武漢：武漢大學，2002.

Retrieving of Tropospheric Delays from RTKLIB and Accuracy Evaluation

GUO Hailin, JIANG Yingming

The accurate water vapor can be estimated by Global Navigation Satellite System, it also can be successfully applied to weather forecasts, such as numerical weather prediction models. The paper uses precise point positioning technology to retrieve the zenith tropospheric delay, retrieving the zenith tropospheric delay from the precise point positioning module in RTKLIB. Compares with the reference value provided by IGS to evaluate its accuracy of tropospheric resolution. The observation data of three IGS stations in China are selected for experiment, and the results show that RTKLIB can obtain the cm-level accuracy of the zenith tropospheric delay.

RTKLIB; Precise Point Positioning; Zenith Tropospheric Delay

P228.4

A

1674-7976-(2021)-03-188-04

2021-03-04。郭海林（1992.09-），湖北利川人，碩士，工程師，主要研究方向為PPP定位及完好性監測。