基于重慶CORS的水汽電離層實時監測方法研究及平臺構建

劉邢巍，許超鈐，吳寒，蒲德祥，高翔

(1.重慶市地理信息中心,重慶 401127;2.武漢大學 測繪學院,湖北 武漢 430079)

0 引 言

對流層和電離層是地球近地空間環境中兩個重要的組成部分,是靠近地球表面且與人類生活聯系最密切的大氣圈層[1].研究掌握水汽變化的時空特性有助于了解水汽循環路徑,可為暴雨、寒流、臺風等災害天氣災前信息的獲取與預警提供數據支持和依據,對于研究氣候環境變化和改善氣象預報水平具有重要科學和現實意義[2-3].研究電離層總電子密度(TEC)的時空變化可以探測和研究電離層不規則結構,地磁暴對電離層的影響,電離層對太陽耀斑的響應,電離層三維結構的層析反演和監測地震電離層異常[1].

全球衛星導航系統(GNSS)技術不僅能提供時空基準位置服務,還能利用其信號在經過電離層、對流層時受到的延遲影響反演時空環境的變化.隨著衛星導航定位連續運行基準站系統(CORS)的大規模建設與應用,利用密集的CORS網可以獲取實時的多維水汽、電離層分布信息,相對于傳統的大氣探測手段,具有連續運行、成本低、精度高、不受天氣影響等諸多優點.重慶市建立了覆蓋全市的衛星導航定位CORS[4-5],本文基于重慶CORS研究了對流層水汽含量及三維電離層層析方法,并基于web搭建了相關產品發布平臺,對于監測短時突發的天氣現象、研究電離層精細形態變化具有重要的科學和現實意義.

1 算法設計

1.1 基于PPP的對流層水汽含量反演方法

基于GNSS估算站點上空PWV的方法包括非差和雙差,其中,雙差只能計算得到測站之間的相對對流層延遲,非差可以獲得測站上空絕對對流層延遲.本文基于非差精密單點定位(PPP)技術研究大氣可降水量(PWV)的估算方法.PPP 技術利用IGS 發布的精密軌道和鐘差改正數,基于無電離層組合方程,利用地表實測氣壓及對流層延遲模型消除對流層天頂流體靜力學延遲(ZHD)誤差,利用經驗模型消除其他誤差項,經過數據預處理:粗差探測及剔除、周跳探測,并將天頂濕延遲隨同其他未知參數利用卡爾曼濾波一起估計.PPP完整的觀測方程為

=ρ+c(dt-dT)+dorb+dtrop+dmult/PIF+

ε(P1+P2)，

(1)

=ρ+c(dt-dT)+dorb+dtrop+

(2)

將IGS精密衛星星歷和鐘差引入,可以得到最終的定位誤差方程:

(3)

(4)

式中：PIF、ΦIF分別為偽距和相位觀測值；上標′ 表示經過精密衛星星歷和鐘差改正的相應的觀測值;ρ為衛星到測站的幾何距離;dt為衛星鐘差,dT為接收機鐘差;dtrop為對流層參數(由投影函數和天頂對流層參數構成);dmult為多路徑影響;N為無電離層組合的整周模糊度參數;ε為觀測值的隨機誤差.

天頂總延遲(ZTD)、天頂濕延遲(ZWD)與水汽含量(PWV)的關系可以表達為

ZWD=ZTD-ZHD，

PWV=Π×ZWD，

(5)

1.2 三維電離層電子密度反演方法

本文采用基于像素基的電離層層析方法求解其電子密度,利用經驗電離層模型計算值作為初值進行迭代解算,得到反演區域的電子密度值[6-8].

圖1 電離層層析幾何分布示意圖

基于像素基的電離層層析算法中電子密度重構是典型的求反問題,即基于觀測到的STEC來重構待反演區域的電子密度三維分布信息.

將待反演的觀測區域進行三維格網化,如圖1所示,GNSS衛星信號的傳播路徑可以近似地看成直線.事先選取一組合適的基函數b(r)模型化待反演的電離層電子密度

(6)

式中:J為所選基函數的個數；xj(j=1,2, …,J)表示基函數的系數.對每條射線路徑上電離層總電子密度(STEC)值:

(i=1,2,…,M).

(7)

(8)

將式(8)用向量的形式表示,得:

(9)

1.3 實時衛星軌道鐘差產品獲取方法

IGS 實時服務產品(RTS)于2013年4月1日正式上線運行,實時發布精密軌道和鐘差改正產品,以及部分IGS GNSS跟蹤站的觀測數據,實時數據流編碼格式為國際海運事業無線電技術委員會(RTCM)標準類型的編碼格式.在獲取到授權后利用Ntrip協議即可從IGS提供的網絡地址獲取實時數據流.

在獲取到實時數據流產品后,需要在廣播星歷軌道和鐘差計算值的基礎上進行改正,軌道和鐘差的改正公式分別為

rP=r-

(10)

(11)

在普通衛星導航電文的基礎上得到的實時精密衛星星歷和鐘差產品,需要將其寫入標準的SP3文件和CLK文件中,以便于程序調用.

2 平臺構建

2.1 系統架構

采用B/S架構構建了基于重慶CORS的水汽電離層實時監測平臺，如圖2所示,主要包括對流層水汽含量監測模塊和電離層電子密度含量監測模塊,各模塊具體流程如下:

1)對流層水汽含量監測.平臺接入重慶CORS站實時觀測數據流,并實時接收IGS精密軌道和精密鐘差RTS,采用PPP技術估計各CORS站上空的大氣總延遲,利用全球加權平均溫度模型將大氣總延遲中的濕延遲轉換為大氣水汽含量,得到所有CORS站天頂上空的大氣水汽含量,采用克里金插值法將所述大氣水汽含量進行插值處理,獲得特定時間分辨率與特定空間分辨率的區域大氣水汽含量.

圖2 平臺主界面

2)電離層電子密度含量監測.平臺接入重慶CORS站實時觀測數據流,并利用IGS精密軌道和精密鐘差RTS進行STEC估計,生成各CORS站與衛星之間的斜路徑電子總含量,然后利用電離層三維層析技術實時計算區域上空電離層電子密度,實現電離層電子密度的三維實時監測.平臺總體架構如圖3所示.

圖3 平臺總架構示意圖

2.2 平臺示例

平臺發布的產品包括重慶CORS基準站(站點分布如圖4所示)覆蓋范圍內的水汽含量及電離層電子密度含量產品.以北京時間2018年9月23日-9月24日為例,這段時間天氣情況如表1和圖5所示.雖然PWV并不等同于實際降水量,但可以反映出強對流天氣前的PWV變化趨勢.圖6是9月23日-9月24日期間基準站上空PWV變化圖,從整體趨勢可以看出,9月23日白天PWV整體較低(30 mm以下),從9月23日夜間開始PWV逐漸上升,水汽的輸送路徑可能是由西向東方向,9月24日12:00左右達到暴雨級別.可以看出,反演出的PWV與氣象臺發布的天氣信息吻合度高.反演得到的實時二維、三維電離層電子密度含量產品(如圖7所示),不僅可用于對電離層與雷電等災害的關聯性進行研究改善預警,還可利用電離層變化提高短時間尺度的精確預報,此外,重慶位于中低緯度地區,中午時段電離層較為活躍,精確估算電離層對于消除定位誤差具有重要意義.

表1 天氣情況

圖4 平臺總架構示意圖

圖5 2018年9月23日20時-26日8:00降水預報圖

圖7 電離層層析成像分布圖

3 結束語

本文基于重慶CORS搭建了重慶市水汽電離層監測平臺,能實時穩定地提供基于GPS、GLONASS和北斗衛星導航系統(BDS)的高時空分辨率區域對流層延遲產品,以及毫米級精度的PWV產品,為改善短期臨近的精細化氣象預報提供高精度可靠的數據依據;實時提供高時空分辨率的電離層二維、三維產品,為研究電離層精細形態變化提供科學數據.此外,對流層、電離層產品,是定位服務中最主要的兩個誤差源,對兩者進行高精度建模對于提高并管理定位精度,依據用戶等級分級提供不同精度位置服務都具有重要的意義.作為測繪創新技術成果的推廣平臺,能監測時空環境變化并為相關科學研究工作提供數據支撐和實時產品服務,有效地拓寬了測繪科學技術的服務領域,為其他省市開展基于CORS的增值服務提供了一定的參考.