单基站GNSS探测对流层折射率剖面技术研究

发布时间：2020-08-19 11:26

【摘要】：大气折射率随高度变化的剖面分布包括三维分布是评估大气折射率效应的基础条件数据,同时它们也是大气科学研究和气象业务研究的基础数据,因此对大气折射率的剖面研究在导航、定位以及大气科学方面都具有一定意义。在导航定位方面,可以为卫星导航定位解算提供精确的对流层延迟改正模型从而提高定位解算精度。在大气气象科学方面,有助于实现实时或者近实时的对流层大气折射指数变化。大气观测数据的探测手段,除了最广泛使用的建立在地球表面上进行常规地表气象观测的地面气象站以外,还包括很多遥感技术,例如利用无线电探空气球、气象卫星、微波雷达等等。这些探测技术都有着各自的优点,但是也都存在一定的缺陷,在观测精度、时空分辨率、观测条件等方面无法同时满足现在的需求。随着卫星技术的飞速发展,GNSS气象学的研究逐渐发展起来,和传统的探测手段相比较,地基GNSS大气探测手段具有全天候、实时探测以及全天候观测等优点。而单站地基GNSS反演探测手段,在进行大气折射率探测的过程中不需要大量历史数据作为支撑,这有助于实现大气折射率的实时探测。因此,本文通过对单站地基GNSS探测大气折射率剖面的技术进行理论系统的学习和研究,主要研究内容及工作如下:1、学习了地基GNSS探测反演大气气象参数的过程和方法,包括地基GNSS气象学反演方程、对流程延迟估计模型、单站地基GNSS估计对流层延迟等。2、对单站地基GNSS反演大气折射率技术进行了研究,其反演过程是先通过精密单点定位技术解算得到对应地面测站的相关基础信息,包括测站位置、地面测站的基础大气参数以及对流层延迟数据。接着利用单站地基GNSS反演大气折射率技术实现了大气折射率参数反演算法,得到大气折射率剖面。3、对单站地基GNSS反演大气折射率剖面的方法进行了实验验证,并将该实验结果和气象探空数据进行分析对比,验证了算法的有效性。实验结果表明,利用单站地基GNSS探测大气折射率剖面时,大气折射率干项的反演精度可以达到1.3N左右,而湿项的反演精度在8到10N,所以需要进一步优化处理。4、对单站地基GNSS反演大气折射率剖面的优化方法进行了研究。大气折射率干项的反演方程以对流层层顶为分界,通过建立分段模型,优化后的大气折射率干项的反演结果精度提高至1N以内。大气折射率湿项的反演方程以大气水汽密集层层顶和大气水汽层层顶为分界,通过建立分段模型,优化后的大气折射率湿项的反演结果精度提高了 1N左右。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P228.4;P412;TN011
【图文】：

气象学,探测手段

ＧＮＳＳ探测大气气象的手段又可以细分为山基ＧＮＳＳ掩星观测、ＧＮＳＳ三维逡逑层析法、单站ＧＮＳＳ反演法、机载ＧＮＳＳ掩星探测法以及星载ＧＮＳＳ掩星探测逡逑法，相关分类如图１－１所示。逡逑ＧＮＳｌ气象r-逡逑１邋ｒ邋ｎ逡逑地基ＧＮＳＳ逦空基ＧＮＳＳ逡逑气象学逦气象学逡逑／Ｉ邋＼邋Ｉ邋Ｉ逡逑图１－１邋ＧＮＳＳ气象学探测手段分类逡逑ＧＮＳＳ探测大气剖面的基本原理是当电磁波信号穿过大气层时，大气环境会逡逑直接影响电磁波的传播特性，并且会发生衍射、散射等物理过程，通过对这些影逡逑响的综合效应进行分析研究，可以很好得探测从地面的边界层至上千米高空中的逡逑大气气象数据。电磁波信号穿过整个大气层时，由于大气介质的影响，信号在传逡逑播过程中，传播速度以及传播路径都会发生变化。尤其是当电磁波信号穿过对流逡逑层和电离层的时候，传播速度不等同于光速，因此将会造成附加时延以及传播射逡逑线的弯曲，这将形成大气折射效应。大气折射效应将会对无线电观测系统的观测逡逑２逡

变化曲线,探测工具,运行位置

及模型改正，可以很好地提高卫星导航定位结果的精度，同样反过来，探测到的逡逑对流层延迟可以用于研宄对流层的折射率剖面，也就是折射率随高度的变化曲线。逡逑图３－１表示了各种探测工具在大气层中运行的大概位置。逡逑ＳＴＲＭ邋Ｊ逡逑卩逦０邋榦ＭＲ逡逑ＴＲＯＰＯＳＰＨＥＲＥ邋产逡逑ｍ逡逑图３－１各种探测工具在大气中的运行位置逡逑１７逡逑

曲线,大气折射率,结果对比,反演

‘＝r2逦（４－４０）逡逑根据式４－４０便可以直接得出／／ｗｅ的值，从而得到大气折射率湿项的剖面。逡逑４．３．３反演实验及结果逡逑为了验证利用单站地基ＧＮＳＳ反演大气折射率剖面结果，选取了邋２０１４年２逡逑月２３号到２８号６天的香港站观测数据进行解算，同时为了说明结果的有效性，逡逑将采用反演方法得到的大气折射率剖面结果与探空结果经过进行对比。因为探空逡逑数据只发布每天０点和１２点的结果，因此选择对应时间点的探测反演结果进行逡逑对比。２月２５号０点和１２点的千项结果对比如图４－２和４－３所示，湿项结果对逡逑比如图４－４和４－５所示，２月２７号０点和１２点湿项结果对比如图４－６和４－７所逡逑示。图中红色曲线表示的是单站地基ＧＮＳＳ反演大气折射率剖面结果，蓝色曲线逡逑表示的是探空探测结果的大气折射率剖面结果。逡逑３０逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦１逦逡逑

【参考文献】