一種改進的區域對流層模型在TRACK中的應用*

洪卓眾 鄧 健 孔令杰 柏 飛

1)廈門理工學院，廈門 361000

2)蘭州理工學院，蘭州 730050

3)新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院 830006

一種改進的區域對流層模型在TRACK中的應用*

洪卓眾1)鄧 健1)孔令杰2)柏 飛3)

1)廈門理工學院，廈門 361000

2)蘭州理工學院，蘭州 730050

3)新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院 830006

利用GAMIT軟件估算香港連續參考站一年的對流層天頂延遲，建立了符合香港地區的以氣象要素為參數的對流層改正濕延遲模型，且嵌入TRACK模塊。經檢驗，TRACK模塊中采用新模型比傳統的Saastamoinen模型對提高GPS測量精度的貢獻更為顯著。

區域對流層模型;GAMIT;TRACK;天頂延遲;氣象要素

1 引言

目前，全球定位系統(GPS)的應用越來越廣泛，其定位要求也越來越高［1－10］。對流層延遲作為影響GPS定位精度的主要因素，其主要改正方法有:單參數法、多參數法、隨機過程法、分段線性法和模型改正法。其中單參數法對于觀測時間較短的GPS數據處理可以得到比較理想的結果，但當觀測時段較長時則變得不理想。多參數法是采用每隔一定時間間隔引入一個天頂方向折射參數，但該方法存在時間的選取和不能完全反映對流層折射延遲隨時間變化特征的缺陷［1］。隨機過程方法求出的測站天頂方向的濕延遲分量與水汽輻射計觀測的該延遲分量沒有顯著差異，且可以明顯改善基線的垂直分量重復性和模糊度分解［2］。分段線性法是假定兩個節點之間的歷元上，測站天頂方向的對流層延遲隨時間呈線性變化，因此可用一定步長的離散隨機過程來表示對流層隨時間的變化特征，該方法測定的天頂延遲精度達到毫米級，得到廣泛應用。關于對流層模型，目前最為常用的模型有Saastamoinen模型等，其在對流層干延遲方面能改正90%以上，但是在濕延遲方面只能改正20%左右［3，4］，不能滿足目前高精度GPS的定位要求?；诖耍疚牟捎肎AMIT軟件估算香港連續運行參考站的2009年的天頂濕延遲，通過分析天頂濕延遲與氣象要素的關系，建立了符合香港地區的以氣象要素為參數的區域對流層濕延遲模型，并將該模型嵌入GAMIT軟件中的TRACK模塊進行實際應用檢驗。

2 對流層改正模型的建立

2.1 傳統Saastamoinen模型

Saastamoinen模型將對流層分成兩層積分，第一層是從地表到12 km左右的對流層頂，該層將氣體溫度隨高程升高的遞減率假設為6.5℃/km;第二層是從對流層頂到50 km左右的平流層頂，該層把氣體溫度假設為常數。

式中，P為大氣壓，ew為水汽壓，φ為測站緯度，H為測站高程。

2.2 香港區域對流層延遲模型

香港區域模型也分為干延遲模型和濕延遲模型，其中干延遲模型繼續沿用傳統Saastamoinen模型的干延遲模型(式(1));濕延遲模型采用GAMIT軟件反演的香港地區12個CORS站2009年共365天的天頂濕延遲ZWD和各站實測溫度T、干氣壓P、水氣壓E以及緯度、高程的關系，參照UNB3M模型初步確定為:

式中，lat代表測站的緯度，h代表測站的高程，T代表測站的開爾文溫度，E代表測站的水汽壓，可以由相對濕度RH和壓強P計算而得，計算公式:

式中T為測站的開爾文溫度，B的取值為0.006 2，P為干大氣壓強，RH為相對濕度，h為測站高程。

采用香港2009年共365天的天頂濕延遲ZWD、溫度T、干氣壓P、水氣壓E，及各站的緯度和高程，進行多元非線性回歸分析，最后將模型確定為:

3 香港區域對流層模型在TRACK模塊中的應用

將香港區域對流層模型嵌入到TRACK模塊中，利用香港CORS站數據，分別采用傳統的對流層模型——Saastamofnen模型和香港區域模型(利用MIT映射函數，其他參數設置相同)進行對比試驗，具體如下:

以HKWS站為基準點，HKPC站為流動點，該基線實際長為34 km左右，采用TRACK模塊的長基線模式，以GAMIT軟件解算的HKWS站的坐標為固定基準，分別選擇2009年冬季003天和夏季184天的HKPC的數據進行處理，分別得出兩時間段的HKPC的三維坐標，并以GAMIT軟件解算的HKPC站的三維坐標作為真值進行精度評定。解算結果見圖1～4和表1。

從圖1、2可以看出兩時間段應用區域對流層模型解算出來的點位均方根均比Saastamofnen模型有所減小;表1中，003天和184天采用區域模型的平

圖1 003天兩種模型下的均方根分布Fig.1 RMS distribution in two models on 003 day

圖2 184天兩種模型下的均方根分布Fig.2 RMS distribution in two models on 184 day

圖3 003天兩種模型下的偏差分布Fig.3 Bias distribution in two models on 003 day

圖4 184天兩種模型下的偏差分布Fig.4 Bias distribution in two models on 184 day

表1 TRACK采用兩種模型計算的偏差和均方根統計(單位:mm)Tab.1 Bias and RMS statistics in TRACK using two models(unit:mm)

平均均方根分別為5.505 mm和11.139 mm，均比Saastamofnen的6.017 mm 和11.186 mm 小，這也說明不管是冬季還是夏季，使用區域模型均有利于進一步提高TRACK模塊GPS數據處理的精度。其中，184天的精度提高幅度比003天的小，這主要是由于香港處在亞熱帶地區，屬于亞熱帶海洋系季風氣候，夏季對流層活動比較活躍，隨機性較強，因此對流層模型對其貢獻較小，精度提高程度較低。為了檢驗采用兩個模型計算的結果的可靠性，本文以采用GAMIT軟件計算出的兩個流動站的坐標為真值(由于對流層的對高程因素影響比較大，因此本文只考慮大地高)與TRACK模塊采用這兩種模型算出的結果進行對比。從圖3和4及表1的殘差數據統計可以明顯地看出，在兩個時間段采用區域對流層模型解算出來的結果更加接近于GAMIT算出來的結果。這也說明雖然兩站距離較短，對流層相關性較強，但還是沒法通過差分完全消除，采用合理的對流層模型有助于提高GPS單歷元雙差解算的精度。

4 結語

香港區域對流層模型是利用GPS反演得到的精確對流層天頂延遲以氣象因素為參數進行建模。經過實際應用中檢驗，該模型有利于香港實時區域對流層模型的建立，同時對其他區域對流層模型研究也有一定的借鑒意義。但由于所用的數據還較少，區域模型在時延性上精度還有待進一步提高。

1 張雙城.地基GPS遙感水汽空間分布技術及其應用的研究［D］.武漢大學，2008.(Zhang Shuangcheng.Research and application of remote sensing water vapor using ground_based GPS/Met［D］.Wuhan University，2008)

2 魏子卿，葛茂榮.GPS相對定位的數學模型［M］.北京:測繪出版社，1997.(Wei Ziqing and Ge Maorong.The mathematics model of GPS relative localization［M］.Beijing:Survey and Maping Press，1997)

3 Herring T A，King R W and Mcclusky S C.GAMIT reference manual.GPS analysis at MIT.Zelease 10.3［M］.Deparment of Earth，Atmospheric and Planetary Sciences Massachusetts Institute of Technology，2006.

4 丁曉光.對流層延遲改正在GPS數據處理中的應用與研究［D］.長安大學，2008.(Ding Xiaoguang.Research of tropospheric delay model using in GPS data processing［D］.Chang’an University，2008)

5 Duan J and Coauthors.GPS meteorology:Direct estimation of the absolute value of precipitable water vapor［J］.Appl Meteor.，1996，35:830 －838.

6 宋淑麗，朱文耀，陳欽明.中國區域對流層改正模型(SHAO)的初步建立［R］.CSNC2010第一屆中國衛星導航學術年會，北京，2010.(Song Shuli，Zhu Wenyao and Chen Qinming.Preliminary establishment of Chinese regional troposphere delay correction model，2010 CSNS［R］.Beijing，2010)

7 王勇.地基GPS網氣象應用研究［D］.中國科學院測量與地球物理研究所，2006.(Wang Yong.Research of ground-based GPS network using on weather［D］.Institute of Geodesy and Geophysics，CAS，2006)

8 張雙城，等.GPS對流層的最新進展及對比分析［J］.大地測量與地球動力學，2012，(2):91－95.(Zhang Shuangcheng，et al.Recent progress and comparative analysis of tropospheric correction models based on GPS［J］.Journal of Geodesy and Geodynamoc，2012，(2):91 －95)

9 Witold Rohm and Jaroslaw Bosy.Local tomography troposphere model over mountains area［J］.Atmospheric Research，2009，93:777 －783.

10 Kuyrzyńska K and Gabryszewska A.Atmospheric water vapour content determined from zenith delay assuming a local model of troposphere［J］.Phys Chem Earth.，200l，26(3):159－163.

AN IMPROVED REGIONAL TROPOSPHERIC MODEL AND ITS APPLICATION IN TRACK

Hong Zhuozhong1)，Deng Jian1)，Kong Lingjie2)and Bai Fei3)
1)Xiamen University of Technology，Xiamen361000
2)Lanzhou University of Technology，Lanzhou730050
3)Xinjiang Transportation Planning Surveying and Design Institute，Xinjiang830006

The tropospheric zenith delay was analyzed through the one year of Hong Kong CORS system using GAMIT software，and a tropospheric zenith wet delay correction model was constructed according to the Hong Kong weather elements for the parameters，then we embedded it to the TRACK module.The result showed that the TRACK module improved the accuracy of GPS measurements by using the new model when comparing to the traditional Saastamoinen model.

regional tropospheric model;GAMIT;TRACK;zenith delay;weather element

P207

A

1671-5942(2013)05-0083-04

2012-12-25

國家自然科學基金(41204032，40902081)

洪卓眾，男，1982年出生，碩士，主要研究方向:GNSS數據處理及GPS氣象學.E－mail:hongzhuozhong@163.com