GPS大氣水汽含量自動監測系統的研究與設計

符偉杰，唐躍平，李 輝，褚澤帆

（1.水利部南京水利水文自動化研究所 江蘇 南京 210012；2.水利部水文水資源監控工程技術研究中心 江蘇 南京210012）

GPS大氣水汽含量自動監測系統的研究與設計

符偉杰1，2，唐躍平1，2，李 輝1，2，褚澤帆1，2

（1.水利部南京水利水文自動化研究所 江蘇 南京 210012；2.水利部水文水資源監控工程技術研究中心 江蘇 南京210012）

為了滿足水利水文行業對大氣含水量實時監測的需求，提出一種基于GPS的大氣水汽含量自動監測系統方案。自動監測系統通過GPS雙頻接收機和自動氣象站接收GPS衛星信號及采集氣象觀測的溫度、壓力及濕度等數據，利用GPS衛星信號延遲與大氣水汽含量之間的關系反演大氣水汽含量。試驗表明，該自動監測系統保證了數據監測的實時性和可靠性，并且能夠有效提高短期預測預報精度和預警時間。

自動監測系統；GPS雙頻接收機；自動氣象站；大氣水汽含量

水汽是大氣中十分重要的參數。一方面，水汽影響大氣輻射和太陽輻射，從而影響氣候系統的能量和水循環；另一方面，水汽含量的突然增加與對流的發展關系密切，直接影響災害性天氣的垂直穩定性、結構和演變。對大氣水汽的總量、變化和分布情況的了解決定著短時預報的成敗。因此，如何能夠迅速準確地了解大氣中水汽分布情況，掌握水汽變化趨勢，對山洪災害成因及預測預警、區域洪水預報等的研究及應用都有重要意義。

GPS氣象學（GPS/MET）是近十年來蓬勃發展起來的，由衛星動力學、大地測量學、地球物理學和氣象學交叉派生出的新興邊緣學科。GPS由美國于1994年4月建成，現共有24顆衛星，具有覆蓋范圍廣、精度高、實時性好及長期穩定等特點[1]。研究利用GPS計算大氣水汽含量對我國氣候變化監測領域產生深遠的影響。

1 GPS反演大氣水汽含量原理

利用放置在地面上的GPS接收機測量GPS衛星的信號縱向穿過大氣層到達地面所引起的延遲量，進而反演出天頂方向整層大氣層的水汽累計量（GPS/PWV）或信號斜路徑上的水汽累積量（GPS/SWV）[2-3]，如圖1所示。

圖1GPS氣象學

在GPS定位中，由于GPS信號穿過地球大氣層時，要受到電離層和大氣層的折射影響，使信號傳播的速度減弱和路徑彎曲，造成時間上的延遲。這種時間上的延遲等價于傳播路徑的增長，成為GPS定位中的誤差源[4-8]。GPS信號氣象學原理圖如圖2所示。

圖2 GPS信號誤差氣象學原理圖

由于電離層延遲與電磁波的頻率平方成反比，可以通過接受雙頻信號，線性組合后消除，使誤差校正達到mm級。大氣延遲一般泛指從地面到50 km高度的非電離大氣對電磁波的折射，或叫中性延遲。由于折射的80%發生在對流層，所以通常稱對流層延遲。對流層大氣在天頂方向上的總延遲近似為2.5 m左右，其中干空氣造成的干延遲，或靜力延遲，占90%以上，約為2.2 m。天頂方向的大氣靜力延遲可以用地面氣壓估算。在靜力平衡條件下，若地面氣壓的測量精度為0.5 hPa，天頂靜力延遲的估算精度可優于1 mm。

大氣中液態水/冰和凝結物對GPS信號傳播的影響微乎其微，許多理論研究結果表明，即使是厚密度云層，最多引起7.5 mm的延遲可以忽略。

水汽造成的濕延遲占總延遲的10%以上，約為 0.3 m。水汽的變化很大，而且對電磁波的影響十分敏感。每摩爾水汽的折射率大約為干空氣的17倍。因此，盡管水汽只占整個大氣的0.1%～4%，但水汽造成的濕延遲占大氣總延遲的10%以上。水汽引起的濕延遲有時1小時內的變化可達20 mm以上，這使得對水汽造成的濕延遲很難進行有效的估計，成為GPS定位中無法去掉的一個誤差源。但是水汽又是氣象上十分重要的一個物理量。水汽的變化與云和降水密切相關，水汽相變會產生很高的相變潛熱，顯著的影響大氣的垂直穩定度/風暴系統的結構和演變以及地氣系統的經向和輻射平衡。利用GPS定位中的這個誤差源來反演大氣中的水汽。即從GPS接收機測量的衛星信號傳播的總延遲量中提取水汽造成的濕延遲量，進而反演出信號路徑上水汽的累積量，這就是地基GPS反演大氣水汽含量的基本原理[9-11]。

2 GPS大氣水汽含量自動監測系統的總體架構

GPS大氣水汽含量自動監測系統總體架構分為 5層，分別為數據采集層、網絡傳輸層、數據存儲層、數據解算層和應用層，如圖3所示。

圖3 GPS大氣水汽含量自動監測系統總體架構圖

2.1 數據采集層

數據采集層包括GPS氣象網基準站，主要由GPS接收機和自動氣象站組成。GPS接收機采用高精度、連續運行及能消除電離層影響的GPS雙頻接收機。該GPS接收機具有2Hz的采樣率，接星數大于12，其采集到的數據為標準的RINEX格式；自動氣象站主要由傳感器、采集器、系統電源、通信接口及外圍設備等組成，主要用于對大氣溫度、相對濕度及氣壓等氣象要素進行全天候現場監測。自動氣象站采集到的溫度、濕度及壓力值結合GPS接收機采集到的導航電文、精密星歷及O-files數據，建立模型，最終解算出大氣含水量[12]。

2.2 數據網絡傳輸層

在數據采集層和中心服務站之間通過移動4G無線通訊網絡連接，具有保密性好、抗干擾能力強、抗多徑衰落、系統容量的配置靈活、建網成本低等優勢。在中心服務站架設B/S服務器，確保決策部門通過網絡實時的訪問相關解算數據。

2.3 數據存儲層

數據存儲層包括GPS數據庫和地理信息系統數據庫。其中，GPS數據庫用于存放GPS接收機接收到的原始O-files文件、導航電文brcd及精密星歷SP3文件；地理信息系統數據庫存放自動氣象站監測到的溫度、濕度及壓力等氣象數據。

2.4 數據結算層

數據解算層主要是GPS數據的解算，采用美國MIT研發的GAMIT軟件來處理GPS數據，GAMIT的特點是用雙差做基本觀測量，這樣就消除了站鐘和星鐘的主要誤差，GAMIT利用雙差觀測值，組成與觀測值和參數相關的非線性數學模型，采用最小二乘算法反復迭代來估計測站的相對位置、軌道和地球自轉參數、對流層天頂延遲參數、大氣水平梯度參數，得到的載波相位整周模糊度分別為實數和整數的約束解及松弛解[13-15]。軌道誤差對測站相對位置不敏感，有利于精密定位，并且對于臺站初始坐標的精度要求也不高。

2.5 應用層

應用層包括PWV時序圖、PWV分布圖和PWV變化圖等。GAMIT解算的最終結果文件是每個臺站上空的大氣總延遲，結合自動氣象站監測的數據，畫出PWV時序圖、PWV分布圖和PWV變化圖。

3 GPS大氣水汽含量自動監測系統的建立

3.1 GPS基站安裝地點的選擇

根據項目可行性研究，項目地點選擇在太湖流域，通過篩選太湖流域適合安裝基站的站點，實地考察了太浦河水文基地、瓜涇口水質站、金澤水文站和望虞河張橋水文站四個地方，并通過和相應管理單位的協商，最終選擇了前三者作為GPS基站的安裝地點，這3個站點之間兩兩相距30公里左右，如下圖4所示，比較適合中小尺度的水汽情況分析。

圖4 GPS基站分布圖

3.2 自動監測系統的建立

GPS基站分別設置在太浦河水文基地、瓜涇口水質站和金澤水文站，每個GPS基站安裝的設備包括GPS接收機、扼流圈接收天線、自動氣象儀和4G無線通訊模塊，即GPS接收機收到的GPS數據和自動氣象站的數據每隔半小時打包后，通過4G無線通訊模塊一起發送到中心站。

中心站設置在南京我所院內，中心站配置服務器、工作站和打印機等設備，3個GPS基站發送回來的數據經過互聯網進入我所局域網，存儲在服務器中，數據解算軟件也安裝在該服務器中。GPS大氣水汽含量監測系統硬件結構如圖5所示。

圖5 GPS大氣水汽含量自動監測系統硬件結構圖

4結 論

GPS大氣水汽含量監測系統總體邏輯結果采用B/C/S三層結構，即通過C/S系統完成大氣水汽含量的反演計算，通過B/S系統完成信息的查詢與發布。通過此系統可實時掌握大氣水汽含量，填補我國水利部門在大氣水汽含量監測方面的空白，為洪澇災害的預測預報以及防汛抗旱決策提供更加及時、可靠的技術支持。

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Research and design of automatic monitoring system in GPS atmospheric water vapor content

FU Wei-jie1，2，TANG Yue-ping1，2，LI Hui1，2，CHU Ze-fan1，2
（1.Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology，Nanjing 210012，China；2.Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring，the Ministry of Water Resources，Nanjing 210012，China）

In order to meet the demand for real-time monitoring of atmospheric water vapor content on water conservancy hydrological industry，putting forward a kind of automatic monitoring system of atmospheric water vapor content scheme based on GPS.The system receive GPS signal and collect the data of temperature，pressure and humidity，using GPS Dual-frequency receiver and automatic meteorological station.Based on the relationship between GPS signal delay and atmospheric density inverting atmospheric water vapor content.Experiment shows that automatic monitoring system ensure the monitoring data real-time performance and reliability，and increase short-term forecasting precision and warning time effectively.

automatic monitoring system；GPS dual-frequency receiver；automatic meteorological station；atmospheric water vapor content

TN95

A

1674－6236（2016）18-0063-03

2016-01-04 稿件編號：201601008

水利部"948"項目（201405）

符偉杰（1969—），男，江蘇常熟人，高級工程師。研究方向：水利信息化系統研究、設計和開發工作。