单站地基GPS天顶延迟反演大气剖面研究.docx

1、单站地基GPS天顶延迟反演大气剖面研究林乐科口，赵振维2,康士峰2,朱庆林3,王晓宾2(1.南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏南京210003;2.中国电波传播研究所.山东青岛266107,3.西安电子科技大学理学院，陕西西安710071)摘要：基于一定的大气折射率剖面模型和搜索方法，可以由GPS天顶延迟反演大气折射率剖面。利用上海气象站的探空数据和上海IGS站的GPS数据，对基于单站地基GPS夭顶延迟的大气折射率剖面反演方法进行了验证。结果表明，根据目前处理得到的天顶延迟，反演剖面与实际剖面吻合较好。关键词：地基单站GPS；天顶延迟；大气折射率剖面;Hopfield模型；指数模型中图分类号

2、：T79文献标志码：A文章编号：1008-9268(2008)05-0024-03收稿日期：2008-09-041引言随着单站地基GPS精密定位技术(PrecisePointPositioning,PPP)的发展，通过数据处理可以得到比较精确的对流层天顶延迟，气象学者做了大量利用天顶延迟探测大气积分水汽含量的工作，而对于需要进行电波折射修正的无线电系统，准确的大气折射率剖面是直接影响修正的精确度。2002年，Lowry等提出了利用地基单站GPS反演大气剖面的方法，通过建立大气折射率剖面模型，利用小于5°仰角的斜路径延迟通过迭代得到剖面。但是该方法反演精度不是很高，也没有与气象模型进行

3、误差比较。作者初步发展了几种反演方法口fl,在这些文章中，方法的可行性是由历史数据仿真验证的，但是真正评价一种方法，还是需要实际实验检验。为此，我们利用上海1GS站的GPS数据，由数据处理方法获取天顶湿延迟，然后进行反演，反演结果与同时期上海气象站的探空数据进行对比，由于缺乏上海站的历史探空资料，因此只能采用不利用历史统计的基于折射率模型的反演方法。结果表明，反演剖面比气象模型与实际探空剖面更吻合，说明反演方法的有效性,最后进行了反演误差分析。2天顶湿延迟获取由GPS数据得到的对流层天顶延退包含静力延迟与湿延退两部分。而反演中需要将两种延迟进行有效的分离。其中静力延迟可以利用地面气压的测堇直接

4、估算，本文采用精度较高的Saasia-moinen模型:S；=O.O22275例(1)gm其中%为地面气压(mb),gra为重力加速度：gm=9.784(1-0.00266cos2伊一0.00028H)(2)式中，H的单位为km,甲为地理纬度。一般认为，地面气压估算的静力延迟精确度能达到亳米量级。估算得到静力延迟后，去减天顶延退，即可得到天顶湿延迟。3反演结果比较利用上海1GS站2008年4月12日至4月24日GPS数据进行反演，探空数据为同时期上海气象站每天两次的探空剖面，共26个剖面，GPS数据取探空起始点数据(估算静力延迟更准确在选用进行对比的气象模型方面，分析表明，Hopfield模型

5、具有较好的精度与适用性7,因此本文采用Hopfield模型进行对比。表1给出了离地面5000m以下不同高度处反演方法与气象模型的均方根误差，图1则给出了不同高度处的均方根误差。可以看出，反演方法的结果比气象模型有所改善，特别是在大伺变化比较剧烈的低层，改善非常明显。表1反演误差综合比较离地面高度/(m)GPS反演Hopfield模型5009.1114.89100014.1817.92150016.1718.04200016.5320.01250017.3019.27300015.1816.44350012.9213.79400011.6111.9645009.389.5250007.097.5

6、1图1不同高度反演均方根误差从反演剖面的分析发现,多数情况下，反演剖面与Hopfield模型剖面基本一致，部分反演剖面明显优于Hopfield模型，但是由于反演方法的限制，不能够反映大气折射率的层结特性。几个典型的反演.剖面比较如图2所示。15图2几个典型的反演剖面比较4误差分析引起误差的原因有几个方面，包括天顶湿延迟误差，反演方法误差,探空剖面本身的误差探空剖面与GPS时间不一致的误差等。下面分别分析。由于实际探空剖面高度一般到20到30km左右，而中性大气层的高度接近60km，因此不能得到真实的天顶总延迟，但是由于对流层几乎集中了大气全部的水汽，而探空气球的高度一般大于对流层顶高度，因此，

7、湿延迟可以由探空剖面积分得到。因此我们可以评估GPS估计的湿延迟的准确度，如表2所示。由于GPS反演大气剖面比较气象模型增加了信息量，因此我们考虑以气象模型的误差为标准确定可以忍受的GPS天顶湿延迟获取误差，利用青岛地区的历史数据分析表明，该误差应该在4cm以内，而本文的均方根误差接近6cm,但是反演误差仍略优于气象模型，说明了反演方法有一定的容错性。表2GPS估计湿延迟准确度/(cm)平均误差标准偏差均方根误差-4.353.635.66反演方法本身也存在误差，这是由于反演方法是建立在静力项的Hopfield模型和湿项的指数模型之上，而实际大气可能不完全满足这种分布。表3给出了精确湿延迟反演的

8、误差，可以看到尽管反演结果有所改善，但是反演方法本身也存在一定误差。探空剖面本身也会产生误差，主要的误差是由于气象测量仪器特别是湿度测：S仪器造成的，此外，在本文所利用的IGS站与气象站不在同一地点，距离40km左右，大气的特性会有所不同。另外,探空气球探测一次剖面需要30min左右的时间，而GPS测量是瞬时完成的，为了使估算的静力25-延迟更准确，本文采用的是探空起始时间的GPS数据，而大气特性随时间会缓慢地变化，这些因素都会造成GPS反演结果与探空剖面的误差。表3反演方法本身误差离地高度/(m)GPS反演精确湿延迟反演5009.118.52100014.1814.77150016.1714

9、.50200016.5313.11250017.3011.19300015.188.43350012.926.51400011.617.9845009.387.8250007.097.235结论利用上海气象站的探空数据和上海IGS站的GPS数据，对基于单站地基GPS天顶延迟的大气折射率剖面反演方法进行了验证。结果表明，根据目前处理得到的天顶延迟，反演剖面与实际剖面吻合较好，但是这种方法对数据处理精度要求较高，目前采用的是利用精密星历进行处理，不能实时实现,实时实现将来考虑利用预报星历进行处理，而预报星历没有精密星历精度高。因此有必要发展对数据处理精度要求不太高的算法，例如基于斜路径延迟的反演方

10、法等，将是进一步研究的方向。参考文献：1盛裴轩，毛节泰，李建国，等.大气物理学M.北京:北京大学出版社,2003.2 Lowry.A.R.*C.Rocken.S.V.Sokolovskiy,etal.VerticalprofilingofatmosphericrefractivityfromgroundbasedGPSJ.RadioSei.,2002»37(3)：13.1-13.10.3 LinL.K.,ZhaoZ.W.ZhangY.R.,KangS.F.，TroposphericRefractivityProfilingBasedonSingleGroundbasedGPSCj/P

11、roceedingsofICM-MT2008(2008InternationalConferenceonMicrowaveandMillimeterWaveTechnology)«Nanjing2008,pp.788-791.4 林乐科，张业荣，赵振维，等.基于天顶湿延迟的GPS大气折射率剖面反演研究口.全球定位系统，2007,32(3):1-4.5 林乐科，张业荣，赵振维，王红光.一种GPS大气折射率剖面统计反演方法J.电波科学学报，2007.22(增刊)>182-183.6 Saastamoinen,J.AtmosphericCorrectionfortheTroposph

12、ereandStratosphereinRadioRangingofSatellitesC/HENRIKSEN,TheUseofArtificialSatellitesforGeodesy,Gcophys.Monogr.Scr.»15：247251»AGU»Washington,D.C.»1972.7 陈祥明.大气折射率剖面模型与电波折射误差修正方法研究D.中国海洋大学硕士论文.2008.8 Hopfield.H.S.,TwoquartictroposphericrefractivityprofileforcorrectingsatellitedataJ

13、j.JournalofGeophysicalResearch»1969,74(18)：44874499.作者简介：林乐科(1972)，男，南京邮电大学博士生，中国电波传播研究所高级工程师，主要研究方向为对流层大气遥感与电波传播。RetrievingAtmosphericRefractivityProfilesBasedonZenithTotalDelayofSingularGround-basedGPSReceiverLINLe-ke12,ZHAOZhen-wei2,KANGShi-feng2,ZHUQing-lin3,WANGXiao-bin2(1.CollegeofCommuni

14、cationandInformationEngineering.NanjingUniversityofPostsandTelecommunicationsNanjing210003.China;2. ChinaResearchInstituteofRadioWavePropagation,Qingdao266107,China3. SchoolofScience*XidianUniversitytXi'an710071»P.R.China)Abstract：Giventhemodelofatmosphericprofileandsearchingalgorithm,theatmosphericrefractivityprofilescanberetrievedfromzenithtotaldelay(ZTD)ofGPSreceiver.BasedontheradiosondedataofShanghaiweatherstationandGPSdataofShanghaiIGSstation,themethodhasbeenverifiedtoretrieveatmosphericrefractivityprofileba