联合空基和地基GNSS观测反演大气水汽方法研究

发布时间：2020-07-12 08:12

【摘要】：全球气候多变和极端天气事件频发,严重威胁人类的生存和发展,而高精度、高时空分辨率的大气水汽分布是监测和预测全球气候变化和灾害性天气的重要信息源。空基和地基GNSS作为一种新的水汽探测手段,不仅能够有效弥补传统水汽探测手段的不足,同时还具备准实时、全天候、无需人工干预的优势,且观测资料具有长期稳定性。新一代GNSS卫星导航系统的不断完善以及第二代COSMIC掩星探测技术的实施,为发展空基和地基GNSS联合探测大气水汽奠定了坚实的基础。本论文以改善GNSS探测水汽时空分布性能为主要研究目标,深入研究融合多源大气观测数据辅助地基GNSS层析探测的理论和方法。首先,论文研究了融合GNSS无线掩星资料和无线探空资料,辅助地基GNSS估算斜路径水汽含量SWV的理论与方法。论文在深入分析GNSS无线掩星探测资料误差特性的基础上,提出了利用“非差法”处理手段提取GNSS掩星的附加相位延迟,并应用于GNSS掩星水汽反演中,以改善GNSS掩星低对流层大气反演的质量。另外,论文还研究了影响SWV精度的两个关键变量:天顶对流层干项延迟ZHD和湿度转换因子。ZHD通常是利用经典的模型来获得,湿度转换因子可通过以大气加权平均温度为变量的函数来获取,而大气加权平均温度通常基于传统的模型来求取。为了检验传统模型的性能,论文评估了三个经典的天顶干项延迟模型以及传统的大气加权平均温度模型的精度,在此基础上,以无线电探空和无线电掩星历史观测资料作为背景场,标定了区域性对流层干项延迟,并建立了顾及地面温度、时间和高程多因子变量的大气加权平均温度模型。最后,对GNSS层析过程中若干关键技术进行了系统性的研究,定义了水汽层层顶和水汽密集层层顶,并给出了测量这两个变量高度的方法。结合这两个变量的高度,提出了一种新的层析网格划分方法,最后,使用香港地区2014年2月份观测数据验证了论文中提出的新方法。本文主要的研究内容和相关结论如下:1、提出了“非差法”估算GNSS无线掩星附加相位延迟的方法。从GNSS无线电掩星载波相位提取出的附加相位延迟是整个掩星数据反演的基础,处理精度直接影响最终大气产品的质量。同传统的“双差法”和“单差法”处理手段相比,“非差法”无需引入辅助测站来消除接收机钟差的影响。辅助测站本身存在的误差将会传入到“双差法”和“单差法”估算的附加相位延迟中,而“非差法”提取的附加相位延迟不仅降低了噪声水平,同时也削弱了低对流层中大气多路径效应的影响。本文选取了 200个COSMIC无线掩星事件进行试验,将数值天气预报再分析资料产品视为真值,统计结果显示:在10km以下,“非差法”获得的大气折射率优于“单差法”估算的结果。2、标定了区域性天顶对流层干延迟模型。首先,提出了一种顾及相邻高度层上折射指数与压强变化规律的估算天顶对流层延迟的积分方法。新的积分模型能够从高垂直分辨率的气象产品中估算出高精度的天顶对流层延迟值。本文利用新的积分模型,结合无线探空资料及无线掩星资料估算了天顶对流层干延迟,并将此估计值作为真值评估了三个经典的天顶对流层干延迟模型(Saastamoinen、Hopfield和Black)的精度。最后,借助于探空和掩星历史资料,标定了区域性Saastamoinen模型。将无线探空和GNSS掩星资料基于新的积分算法估计的天顶干延迟作为真值,选取编号45004探空测站2016年的观测资料以及这一年发生在香港地区的掩星产品评估了标定后的模型,统计结果表明与Saastamoinen模型分别利用这两种产品获得的ZHD相比,标定后的模型的精度分别提高了 44.6%和36.8%。3、发展了一种顾及多变量因子的大气加权平均温度模型。首先,基于相邻高度层内水汽压随高程近似指数的变化规律和大气温度随高程的似线性的变化规律,论文提出了一种新的基于高垂直分辨率气象资料精确地计算大气加权平均温度的积分模型。然后,根据无线探空和无线掩星资料利用新的积分模型计算的大气加权平均温度作为背景场,发展了一种同时考虑地表温度、时间和高程因素的大气加权平均温度模型。为了检验新的大气加权平均温度模型的有效性,论文选用2016年1月1日到2016年10月31日的编号45004无线探空测站产品以及与香港地区共址的COSMIC掩星产品作为真值。将新的Tm模型结果分别与探空产品以及掩星产品获得的Tm相比较,其RMS分别为1.84K和2.31K,与Bevis模型Tm相比,精度分别提高了 45.40%和34.75%。4、研究了改善地基GNSS层析技术的若干关键问题。论文提出将高斯指数模型作为垂直约束引入到地基GNSS层析技术中。并定义了水汽层层顶和水汽密集层层顶,基于探空和掩星资料确定了这两个变量的高度,将水汽层层顶视为层析反演的上边界层。基于这两个高程量,给出了一种新的垂直方向上层析网格划分的方法。选取香港地区2014年2月1日至2014年2月28日共28天的实测数据进行反演。将相同区域及时间的无线探空资料和掩星产品视为真值,经过统计和分析可知,优化的层析技术获得的水汽密度与探空产品在3.75km以上和3.75km以下偏差的RMS分别为2.52 g/m3和0.86 g/m3,与传统的层析结果相比,分别提高了 15%和12%。优化的层析技术获得的水汽密度与无线掩星产品在3.75km以上和3.75km以下偏差的RMS值分别为1.24 g/m3和0.72 g/m3,与传统的层析结果相比,分别提高了 15%和19%。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P228.4;P405
【图文】：

示意图,对流层,示意图,解算

本文借助于Ｆｌｏｒｅｓ建议的基于像素基的层析模型，将研宄区域上方分割成不同的三逡逑维网格，每个独立网格的水汽信息视为待估参数，把一定时间内的ＳＷＶ观测值作为输逡逑入值反演出这些参数。若研宄区域在经度和yN度方向分别被分割成成ｎ／和个格网，逡逑高程方向上被划分为Ｍ个网格。则第ｇ条电磁波信号方向上的ＳＷＶ与其穿越网格内的逡逑水汽密度及穿越距离之间的函数关系可以表示为（Ｆｌｏｒｅｓ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０００）：逡逑Ｉ：；说逦（２－２３）逡逑其中，ｐ表示水汽密度；ＳＷＶ１７表示第？条ＧＮＳＳ电磁波信号方向上的斜路径水汽逡逑含量，单位为毫米；NB是分割的三维网格的坐标。逡逑受制于地面观测值与卫星星座之间几何关系的影响，所分割的层析网格中会存在部逡逑分网格内未有电磁波信号穿过的情况。这使得公式（２－２３）不能直接利用平差处理方式进逡逑行解算。在实际的解算中，需要附加一些约束信息，比如水平约束、垂直约束、先验信逡逑息约束等。这使得层析观测方程变得十分复杂，因此，直接利用平差最小二乘求逆解算逡逑非常困难。许多研究者利用不同的解算手段来解决这个难题，最常用的两类解算方式为：逡逑

掩星,基本原理

发射端和接收端卫星的运动，电磁波信号能够在１？２分钟内从高到低或者从低到高横穿逡逑整个地球大气层，这一事件的过程被称为下降掩星观测或上升掩星观测。其基本原理如逡逑图２－２所７Ｋ：逡逑２４逡逑

相互关系,软件,模块,数据处理软件

３．４邋ＰＡＮＤＡ软件处理ＬＥＯ轨道精度逡逑当前，可实现ＬＥＯ卫星精密定轨的ＧＮＳＳ数据处理软件有很多，如Ｂｅｒｎｅｓｅ邋５．０／５．２、逡逑ＰＡＮＤＡ邋等。ＵＣＡＲ／ＣＤＡＡＣ邋基于邋Ｂｅｒｎｅｓｅ邋５．２邋对邋ＣＯＳＭＩＣ、ＧＲＡＣＥ、ＣＨＡＭＰ邋等掩星任逡逑务精密地确定ＬＥＯ的轨道信息。Ｂｅｒｎｅｓｅ软件是瑞士伯尔尼大学天文研究所开发的一个逡逑高精度ＧＮＳＳ数据处理软件，该软件不仅仅可以实现非差精密单点定位的解算，也可以逡逑３１逡逑

【参考文献】