复杂地形地貌区对流层延迟的时空建模及应用

摘要

卫星导航定位中的对流层延迟一般是泛指GNSS卫星传播信号在通过高度为50km以下的未被电离的中性大气层时所产生的信号延迟。在研究信号延迟的过程中，不再将该大气层细分为对流层和平流层(如大气科学中那样)，也不再顾及两者之间性质上的差别。由于80%的延迟发生在对流层，所以将发生在该中性大气层中的信号通称为对流层延迟。随着空间技术与通讯技术的不断更新与发展，全球卫星导航系统近些年在各个部门以及日常生活中的应用越来越广泛，用户对GNSS定位的精度要求也越来越高。在众多误差源当中，对流层延迟是影响GNSS精密定位的主要因素，由于对流层内部水汽变化的复杂性和多变性，导致卫星电磁波信号在传播路径中发生弯曲由此会产生延迟，一般难以彻底消除。　　在实际开展测量工作中多使用经验模型来进行对流层延迟估计，但会受气象参数误差及气象元素测定误差的影响，使得对流层延迟的预测效果达不到理想要求，最终限制了GNSS定位结果的测量精度。现广泛采用的差分法取决于大气延迟的空间相关性，众多研究表明它主要适用于高程变化不大的小范围区域内。然而在地势情况较为复杂，以及某些气象条件变化剧烈的区域会使得对流层残余误差增大，严重影响了定位的结果。为了提升复杂地形地貌区域对流层延迟的解算精度，本文利用四川区域内的连续运行参考站以及相关的气象数据，来建立高精度区域对流层天顶延迟改正模型，以满足高精度GNSS定位的需求。主要工作如下：　　(1)对比分析了三种传统对流层延迟估计模型在不同地形条件下的精度差异性，得出以下结论：三种经验模型在高程较低的站点处精度差异不大，但随着站点高程的增加，Hopfield模型的BIAS(平均偏差)和RMS(均方根误差)明显比其他两种模型要差很多。EGNOS模型与Saastamonien模型之间整体上精度相差不大，但从数据处理的结果上可以看出EGNOS模型在秋冬季节解算的结果与真实值之间的拟合情况明显没有其他时期好。综合考虑在实际应用中选取经验模型估计对流层天顶延迟应选择Saastamonien模型为宜。　　(2)通过ECMWF再分析数据建立了四川区域的格网模型，选择不同地形区域的CORS站点与Saastamonien模型进行对比，对比结果表明格网模型解算的ZTD时间序列与GAMIT解算的结果更为接近，平均偏差仅为6mm，而Saastamonien模型计算结果的平均偏差却达到了5cm。　　(3)验证了用格网点的平均递减率代替瞬时递减率的可行性，即使当格网点与实际待求测站高差为500m时，进行归化引起的误差也仅仅不到2mm。同时还比较了在有无考虑高程方向递减率情况下来改正ZTD的效果差异，即顾及高程方向递减率以后对ZTD解算结果的外符合精度。实验结果表明即使只有50m的高度差异时，使用递减率去进行高程方向改正后精度能提高1.8cm左右。因此，使用格网模型拟合的递减率来进行测站高程方向的改正是很有必要的。　　(4)最后通过现有实测ZTD数据对格网模型的系统误差进一步优化，与网络RTK播发的误差改正数类似，采取内插格网点与真实站点处的ZTD误差来对格网点丢失的高频信息进行补偿。实验显示总体平均精度提高了1.4cm，改正效果最好的WENC站精度提高了2.2cm，改正效果最差的ANYU站提高了0.4cm。　　(5)构建了四川区域的加权平均温度模型，结合ZTD格网模型所计算的对流层延迟，来实现GNSS反演大气可降水量，并与探空站点提供的真实PWV进行对比，结果显示其相关系数均高于0.9，证明了用格网模型计算的大气延迟来反演水汽结果的可靠性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3存在的问题和不足

1.4 主要研究内容

第2章 对流层延迟的基本理论

2.1大气的分层结构

2.2 大气折射率

2.3.1 气象参数变化特征

2.3.2 气象参数与对流层天顶延迟的相关性

第3章 对流层天顶延迟时空特性

3.1.1 Hopfield模型

3.1.2 Saastamonien模型

3.1.3 EGNOS模型

3.2不同地形地貌条件下的模型精度对比

3.3四川地区对流层延迟的季节性变化

第4章 对流层天顶延迟的格网模型构建

4.1数据来源与处理

4.1.1 再分析数据计算方法

4.1.2 GPS数据处理

4.2格网点处平均海平面ZTD和递减率函数

4.3格网点ZTD精度评估与分析

4.3.1 ECMWF拟合格网模型精度评定

4.3.2 拟合递减率误差在不同高差归化时的敏感度

4.3.3 顾及高程方向递减率改正时的精度差异

4.4优化格网模型的系统误差

第5章 区域大气可降水量反演应用

5.1大气可降水量的计算原理

5.2区域加权平均温度模型建立

5.2.1 加权平均温度与地面温度的关系

5.2.2 构建四川区域加权平均温度计算模型

5.3基于格网模型计算探空站点的可降水量

第6章 总结与展望

6.1主要结论

6.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果