電波大氣折射誤差精細(xì)化修正系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

張國亭 王宏 朱慶林 董翔

（1.國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院, 長沙 410073；2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所, 北京 100094；3.中國電波傳播研究所, 青島 266107）

0 引 言

隨著航天技術(shù)應(yīng)用的快速發(fā)展，地球同步軌道(geosynchronous orbit, GEO)和大橢圓軌道(highly elliptical orbit, HEO)衛(wèi)星由于高軌特性，在對地觀測、導(dǎo)航與定位、通信、跟蹤與數(shù)據(jù)中繼以及科學(xué)研究等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，且對測定軌精度要求越來越高.航天器測定軌是測控系統(tǒng)的核心能力之一，也是保證航天器正常運(yùn)行和應(yīng)用效能充分發(fā)揮的重要基礎(chǔ).但由于測量精度、軌道覆蓋率、動(dòng)力學(xué)模型精度以及大氣折射修正等原因，我國航天測控網(wǎng)對高軌衛(wèi)星的測定軌精度約為千米至百米量級[1]，無法滿足對地觀測、引力波探測等國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)研究需求.因此計(jì)劃建設(shè)S/Ka 頻段無線電高精度測距系統(tǒng)，將測距精度由米級提升至厘米級，為實(shí)現(xiàn)高軌衛(wèi)星更高精度的測定軌精度提供支持.

大氣折射誤差是影響高精度測距的主要誤差源之一，主要包含對流層和電離層折射誤差.對流層對各種頻率的無線電波均會(huì)產(chǎn)生折射誤差，天頂方向上，由對流層引起的大氣折射誤差為2～3 m，而在較低仰角5°時(shí)，對流層引入的折射誤差可達(dá)20～30 m.電離層對不同頻率的無線電波會(huì)產(chǎn)生不同程度的折射誤差，且頻率越低影響越大.S 頻段天頂方向上，由電離層引入的折射誤差為2～7 m，在較低仰角5°時(shí)電離層折射誤差為5～10 m[2-3].

目前，國外根據(jù)測量系統(tǒng)的精度需求，利用探空氣球、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⑽⒉ㄝ椛溆?jì)、GNSS 等方法和技術(shù)修正大氣折射誤差.其中，無線電探空折射率剖面結(jié)果是通過探空氣球測量的氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換計(jì)算得到，精度較高，在全球氣象領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.探空方法精度雖較高，但存在一些局限性：探空氣球探測一次剖面約需0.5 h，且時(shí)空分辨率較低，不能很好滿足實(shí)時(shí)高精度應(yīng)用的需求；探空測量操作復(fù)雜，可移動(dòng)性差[4].在經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头矫?，工程?yīng)用中的對流層折射率剖面模型主要有：線性模型、指數(shù)模型、分段模型和Hopfield 模型等[5].經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，微波輻射計(jì)已成為被動(dòng)遙感測量大氣參數(shù)的主要技術(shù)之一，能夠全天候無人實(shí)時(shí)測量，而且精度與探空相當(dāng)，得到了廣泛的應(yīng)用和廣大研究人員的關(guān)注[6-7].北京大學(xué)趙柏林等研制出了多波段的微波輻射計(jì)[8]；20 世紀(jì)70 年代，中國科學(xué)研究院大氣物理研究所周秀驥研制了某微波遙感設(shè)備，并進(jìn)行了多次相關(guān)試驗(yàn)[9]；中國氣象科學(xué)研究院與上?？萍即髮W(xué)合作研制了雙通道水汽微波輻射計(jì)，并投入系統(tǒng)的觀測[10].20 世紀(jì)80 年代初期，中國電科22 所研制了SQX-1 微波輻射計(jì)，隨后又陸續(xù)研制了多種型號的雙通道微波輻射計(jì)，近幾年研制的QFW-2600 八通道和QFW-6000 十六通道輻射計(jì)已廣泛投入市場應(yīng)用[11-15].

隨著GNSS 的廣泛應(yīng)用，GNSS 氣象學(xué)得到了迅猛的發(fā)展.與其他大氣遙感方法相比，基于GNSS 的大氣環(huán)境參數(shù)反演方法具有高精度、全天候、近實(shí)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前大氣遙感研究中的熱點(diǎn)[16-18].2004 年，宋淑麗提出利用無電離層影響的非差組合計(jì)算斜路徑方向的水汽含量[19].2002 年葉世榕采用國際GNSS 服務(wù) (International GNSS Service, IGS)組織事后精密星歷等參數(shù)處理了若干IGS 跟蹤站數(shù)據(jù)，利用GNSS 精密單點(diǎn)定位方法進(jìn)行對流層天頂延遲精度的估計(jì)[20].2010 年，朱慶林提出通過改善精密單點(diǎn)定位的隨機(jī)模型提高了估計(jì)對流層天頂延遲精度的方法，并分析了影響對流層斜延遲和彎曲角的主要因素[21].2021 年，董翔等利用GNSS 精密單站定位方法估計(jì)對流層天頂濕延遲反演折射率濕項(xiàng)，并結(jié)合國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union, ITU)預(yù)測模型和歷史探空數(shù)據(jù)擬合溫度系數(shù)，繼而獲得大氣溫度、壓強(qiáng)以及折射率參數(shù)剖面[22].劉琨等進(jìn)行了地基單站GNSS 的電離層垂直電子總含量(vertical total electron content, VTEC)高精度結(jié)算方法以及高軌道目標(biāo)電離層折射修正方法的研究[23-24].

本文基于上述微波輻射計(jì)實(shí)測亮溫和GNSS 實(shí)測大氣延遲量進(jìn)行大氣環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)反演方法研究，設(shè)計(jì)研制了一種大氣折射誤差精細(xì)化修正系統(tǒng)，高精度實(shí)現(xiàn)了微弱微波輻射信號接收、自定標(biāo)、濕延遲模型構(gòu)建、GNSS 系統(tǒng)硬件延遲估計(jì)，并在我國五個(gè)典型氣候地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析，系統(tǒng)輸出結(jié)果實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高，可以為高軌衛(wèi)星高精度測定軌系統(tǒng)建設(shè)提供支持.

1 系統(tǒng)組成

大氣折射誤差精細(xì)化修正系統(tǒng)主要由電源分系統(tǒng)、對流層探測分系統(tǒng)、電離層探測分系統(tǒng)、伺服轉(zhuǎn)臺(tái)分系統(tǒng)、中央信號處理分系統(tǒng)和折射修正服務(wù)終端組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示.

圖1 大氣折射誤差精細(xì)化修正系統(tǒng)組成圖Fig.1 High precision correction system for radio wave atmospheric refraction error

1）電源分系統(tǒng)

為對流層探測分系統(tǒng)、電離層探測分系統(tǒng)、伺服轉(zhuǎn)臺(tái)分系統(tǒng)、中央信號處理分系統(tǒng)等供電，并通過繼電器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程加、去電控制.為減小各單元之間的串?dāng)_影響，電源分系統(tǒng)采用獨(dú)立供電方式.

2）對流層探測分系統(tǒng)

主要由天饋線單元、微波射頻前端及視頻信號處理單元、恒溫單元和氣象測量單元組成.主要用于采集所在地區(qū)周圍大氣輻射信息、溫度、相對濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向氣象環(huán)境參量，通過總線輸出至數(shù)據(jù)處理終端，為實(shí)時(shí)獲取地面折射率及折射率剖面提供地面數(shù)據(jù)支撐.

3）電離層探測分系統(tǒng)

主要由天線、測量型高精度雙頻GNSS 接收機(jī)和信息采集板組成.可同時(shí)接收來自北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS 的信號，跟蹤C(jī)/A 碼、P 碼、L1、L2 以及北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的B1、B2 載波信號，通過實(shí)時(shí)探測數(shù)據(jù)獲取電離層電子含量，采用大氣折射修正技術(shù)進(jìn)行電離層折射效應(yīng)近實(shí)時(shí)修正.

4）伺服轉(zhuǎn)臺(tái)分系統(tǒng)

接收到折射修正服務(wù)終端通過總線發(fā)送的控制指令后，即按照指令工作，并通過總線向折射修正服務(wù)終端返回角度信息.

5）中央信號處理分系統(tǒng)

完成對流層探測分系統(tǒng)微波前端開關(guān)控制、對流層探測分系統(tǒng)輸出視頻電壓信號調(diào)理與采集、對流層探測分系統(tǒng)恒溫控制、電離層探測分系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集等功能，同時(shí)對相關(guān)分系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷判別，將綜合測量數(shù)據(jù)及故障診斷結(jié)果經(jīng)總線上傳至折射修正服務(wù)終端進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和傳輸.

6）折射修正服務(wù)終端

主要用于控制精細(xì)化修正系統(tǒng)的觀測運(yùn)轉(zhuǎn)，接收、處理中央信號處理分系統(tǒng)返回的測量數(shù)據(jù)和狀態(tài)監(jiān)控信息，經(jīng)過模式反演計(jì)算對流層距離折射誤差、電離層距離折射誤差等數(shù)據(jù)，根據(jù)時(shí)統(tǒng)信號對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、折射誤差計(jì)算以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能.

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 微弱微波輻射信號高精度接收技術(shù)

將微弱的物體輻射信號從噪聲中提取出來要求輻射計(jì)接收機(jī)具有極高的信噪比.微波輻射計(jì)接收機(jī)輸出信號包括兩部分：一是由天線接收的物體微波熱輻射信號噪聲，非常微弱（約為10?20～10?11W）；一是由接收機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的本底噪聲，噪聲信號甚至比輸入物體熱輻射信號大得多.因此，輻射計(jì)接收機(jī)需要有很高的信噪比.另外，由電源電壓變化、環(huán)境溫度變化和微波元件匹配狀態(tài)改變造成的接收機(jī)增益的不穩(wěn)定也影響輻射計(jì)對微弱信號的接收效果.為檢測出微弱的噪聲信號并區(qū)分出其細(xì)小變化，要求微波輻射計(jì)具有很高的靈敏度及穩(wěn)定性.微弱微波輻射信號接收技術(shù)作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，關(guān)系到系統(tǒng)的性能指標(biāo)，合理設(shè)計(jì)出高靈敏度、高穩(wěn)定性的微波接收機(jī)顯得尤為重要.微波接收機(jī)的性能主要取決于微波器件本身的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的長期和短期溫漂、系統(tǒng)定標(biāo)的準(zhǔn)確性等幾個(gè)方面，針對這些因素，系統(tǒng)采用如下解決措施：

1）一體化的接收系統(tǒng)

根據(jù)折射誤差修正精度要求，研制設(shè)計(jì)輻射計(jì)天線和高靈敏度、高穩(wěn)定性微波輻射接收機(jī).采用一體化的天饋系統(tǒng)，覆蓋輻射計(jì)所有測量頻段，采用極化分離技術(shù)接收不同頻率微波信號.天線采用副瓣更低、效率更高的1 m 環(huán)焦天線實(shí)現(xiàn).微波超寬帶接收機(jī)采用一體化設(shè)計(jì)，將微波開關(guān)、低噪聲放大器、隔離器、中頻放大器、功分器、混頻器、本振和噪聲源集成為接收機(jī)前端組件，提高系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性.

2）局部高精度恒溫

解決接收機(jī)短期溫漂問題須設(shè)計(jì)出高精度的恒溫系統(tǒng)，采用溫度穩(wěn)定度達(dá)到0.3 ℃的溫控系統(tǒng)，保證系統(tǒng)測得亮溫精度指標(biāo)為1 K.通過控制器的比例、積分和微分（proportional integral derivative, PID）算法將控制量轉(zhuǎn)變?yōu)槊}寬調(diào)制信號，通過驅(qū)動(dòng)器對設(shè)備進(jìn)行加熱或制冷恒溫控制.將半導(dǎo)體制冷片緊貼在微波模塊的表面上，微波模塊表面除去半導(dǎo)體制冷片放置的位置外其他表面都覆蓋上保溫材料，將散熱器一端用四個(gè)螺絲固定在模塊表面上，將散熱風(fēng)扇固定在輻射計(jì)箱體散熱片的外散熱面上.加熱控制通過控制加熱電阻絲的輸出熱功率達(dá)到恒溫.

3）高靈敏度接收機(jī)

由于微波輻射計(jì)接收機(jī)的工作原理是被動(dòng)接收大氣微波輻射信號，系統(tǒng)噪聲的波動(dòng)和增益的起伏會(huì)影響接收機(jī)的靈敏度.提高系統(tǒng)靈敏度一直是微波輻射計(jì)接收機(jī)的重點(diǎn)突破方向[25-26]，目前國內(nèi)外出現(xiàn)的全功率輻射計(jì)、Dicke 型輻射計(jì)、周期定標(biāo)輻射計(jì)等多種類型的輻射計(jì)均通過降低接收機(jī)系統(tǒng)的噪聲和增益起伏，達(dá)到提高靈敏度實(shí)現(xiàn)對微弱信號接收的目的[27-28].

本系統(tǒng)中使用的微波輻射計(jì)為雙通道水汽微波輻射計(jì)，該輻射計(jì)的對流層探測分系統(tǒng)具有23.8 GHz、32.2 GHz 雙通道探測功能，恒溫（45°）效果良好，亮溫采集分辨率優(yōu)于0.2 K，探測亮溫精度為±1 K，其高靈敏度接收機(jī)能夠保證輻射計(jì)實(shí)現(xiàn)對微弱信號的良好接收.

2.2 自定標(biāo)技術(shù)

定標(biāo)是微波輻射計(jì)準(zhǔn)確反演的前提，傳統(tǒng)定標(biāo)存在過程復(fù)雜、不能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)等問題，為此開展微波輻射計(jì)自定標(biāo)研究，利用微波輻射計(jì)接收不同仰角的大氣輻射信息，迭代出準(zhǔn)確的衰減，從而很好地校準(zhǔn)微波輻射計(jì)測量亮溫與輸出電壓之間的定標(biāo)系數(shù).

采集無遮擋的某一方位，0°方位（定義其中一個(gè)方位）上10°、25°、45°、90°，方位180°上10°、25°、45°共7 個(gè)仰角方向上亮溫信息，構(gòu)建大氣衰減與探測仰角之間的函數(shù)關(guān)系，通過多余信息量冗余迭代出準(zhǔn)確的大氣衰減，從而精確地校準(zhǔn)微波輻射計(jì)測量亮溫與輸出電壓之間的定標(biāo)系數(shù)；再根據(jù)接收機(jī)的輸出電壓與輸入噪聲溫度之間關(guān)系，進(jìn)一步改進(jìn)亮溫傳遞函數(shù)，完成系統(tǒng)自定標(biāo).

自定標(biāo)的算法具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1）首先給定標(biāo)系數(shù)設(shè)置一個(gè)初始值，求出不同天頂角下的亮溫；

2）利用不同天頂角下的亮溫和平均輻射亮溫，求出不同天頂角下的大氣總衰減；

3）對大氣總衰減與天頂角的正割值進(jìn)行線性回歸，設(shè)定一個(gè)有效的范圍，求出天頂方向的大氣總衰減；

4）根據(jù)天頂方向大氣總衰減和天頂方向平均輻射亮溫計(jì)算出天頂亮溫；

5）根據(jù)天頂亮溫求解出新的定標(biāo)系數(shù)，判斷是否收斂，如果不收斂，則再次循環(huán)，重新更新定標(biāo)系數(shù)，直至收斂為止，則此時(shí)的定標(biāo)系數(shù)即準(zhǔn)確系數(shù)，自定標(biāo)過程完成[8,28].

經(jīng)試驗(yàn)測試，青島地區(qū)兩個(gè)通道測試亮溫的測量精度分別為0.593 K（23.8 GHz 通道）、0.807 K（31.2 GHz 通道），測試結(jié)果驗(yàn)證了自定標(biāo)技術(shù)的有效性和準(zhǔn)確性.

2.3 高精度濕延遲模型構(gòu)建

由大氣水汽引起的濕延遲如下式所示[8,28]：

式中：k為常數(shù)； ρv為水汽密度；T為溫度.

根據(jù)大氣輻射傳輸方程，由地面微波輻射計(jì)測量得到的大氣向下輻射亮溫T為[8,28]

當(dāng)選用雙通道微波輻射計(jì)進(jìn)行測量時(shí)，在輻射計(jì)兩個(gè)工作頻率f1、f2上的大氣不透明度 τ1、 τ2分別為：

在40 GHz 以下頻率大多數(shù)液態(tài)水吸收系數(shù) αl近似正比于頻率的平方[8,28]：

式中：

權(quán)函數(shù)w(s)一般是隨高度而變化的，但w(s)可在輻射計(jì)最佳工作頻率上近似與高度無關(guān)，因此可視為常數(shù)，并可由地面氣象參數(shù)較準(zhǔn)確地估算，此時(shí)寫作，方程可寫為

則電波傳播路徑上的濕延遲為[8,28]

可見，只要由雙通道微波輻射計(jì)在電波傳播路徑上測量出大氣輻射亮溫Tb1、Tb2，并利用氣象傳感器實(shí)測獲得地面的大氣溫度、濕度和氣壓，即可得到傳播路徑上的濕延遲.由于大氣輻射亮溫Tb1、Tb2是在電波傳播路徑上直接測量得到的，本身包含大氣環(huán)境參數(shù)的水平分布不均勻性和時(shí)變特性的影響因素，因此測量獲得的濕延遲具有很高的精度[8,28].

在青島的紅島地區(qū)，利用輻射計(jì)30°仰角時(shí)不同方位的實(shí)測亮溫及雙頻消除液態(tài)水的馬可技術(shù)方法得到濕延遲，在正北向探測時(shí)（方位角為0°），地區(qū)ΔRw最小為16 cm；在南向（方位角為180°）、西向（方位角為270°）探測時(shí)，ΔRw達(dá)到最大，約為25 cm，與最小值相差9 cm；當(dāng)仰角更低時(shí)，不同方向濕延遲差異更大.這是因?yàn)檩椛溆?jì)架設(shè)點(diǎn)在半島上，北向?yàn)閮?nèi)陸地區(qū)，而南向、西向?yàn)槟z州灣海域，相對濕度較內(nèi)陸區(qū)大，導(dǎo)致該項(xiàng)濕延遲也相應(yīng)較大.

2.4 高精度對流層折射率反演模型構(gòu)建

利用微波輻射計(jì)反演大氣參數(shù)過程分為正演和反演，正演過程即為已知大氣溫度、大氣壓強(qiáng)、水汽密度等信息，根據(jù)輻射傳輸方程來計(jì)算相應(yīng)頻率的輻射亮溫過程；而反演過程則為由微波輻射計(jì)探測到對應(yīng)頻率的實(shí)測輻射亮溫，選擇合適的反演算法，得到實(shí)際的折射率、水汽密度和溫度剖面等信息的過程[14-19].圖2 給出了利用微波輻射亮溫進(jìn)行大氣參數(shù)反演的過程示意圖.

圖2 微波輻射亮溫進(jìn)行大氣參數(shù)反演的過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the process of retrieving atmospheric parameters by microwave radiation brightness temperature

因此，高精度的對流層折射率反演模型構(gòu)建的關(guān)鍵在于根據(jù)折射率的物理特性選擇合適的反演算法.由分子物理學(xué)可知，折射率N可以表示為大氣狀態(tài)參量（大氣壓強(qiáng)P、溫度T和水汽壓e）的函數(shù)[14～19]：

式中：Nd為折射率干項(xiàng)；Nw為折射率濕項(xiàng).

由式(8)可知，大氣折射率分為干項(xiàng)和濕項(xiàng)，干項(xiàng)比較穩(wěn)定，濕項(xiàng)則由于水汽密度變化的隨機(jī)性而極不穩(wěn)定，因此濕項(xiàng)的探測精度對折射率探測具有非常重要的作用.折射率干項(xiàng)對亮溫的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)小于濕項(xiàng)，因此在反演過程中考慮將折射率干項(xiàng)和濕項(xiàng)分開反演.雙通道水汽微波輻射計(jì)的兩個(gè)頻率對水汽和液水敏感，可以較精確地探測出折射率的濕項(xiàng)[14-19].

目前，在微波輻射計(jì)反演技術(shù)中，國際上普遍采用的反演方法為統(tǒng)計(jì)回歸算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法具有強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)能力，可通過訓(xùn)練樣本，根據(jù)周圍環(huán)境來改變自己的網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)變化的信息，調(diào)整自身的結(jié)構(gòu)，能夠用來解決非線性問題和不確定性問題.折射率剖面預(yù)測模型中Hopfield 模型較為精確.圖3 給出了利用不同反演算法反演出的折射率干項(xiàng)和濕項(xiàng)與氣象探空真值的均方根誤差(root mean square error, RMSE)對比.可以看出：對于折射率干項(xiàng)，統(tǒng)計(jì)回歸算法中的線性回歸算法反演精度明顯優(yōu)于Hopfield 模型；對于折射率濕項(xiàng)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演算法中的徑向基函數(shù)(radial basis function, RBF)網(wǎng)絡(luò)算法反演精度明顯優(yōu)于線性回歸和非線性回歸算法.因此在反演折射率干項(xiàng)時(shí)采用線性回歸方法進(jìn)行反演，濕項(xiàng)時(shí)利用RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行反演，獲得高精度的對流層折射率剖面.

圖3 青島站折射率RMSE 反演結(jié)果Fig.3 Comparison of refractive index wet term RMSE at Qingdao Station

2.5 GNSS 系統(tǒng)硬件延遲高精度估計(jì)

GNSS 系統(tǒng)硬件延遲主要由GNSS 衛(wèi)星和接收機(jī)硬件系統(tǒng)線路不同導(dǎo)致的發(fā)射信號時(shí)間延遲上的差異，兩種延遲合稱為GNSS 系統(tǒng)硬件延遲[29].

大氣折射誤差精細(xì)化修正系統(tǒng)利用Kalman 濾波方法，通過統(tǒng)計(jì)估計(jì)各地區(qū)電子總含量（total electronic content, TEC）的觀測精度和誤差，調(diào)整Kalman 濾波過程中誤差轉(zhuǎn)移矩陣，利用該站點(diǎn)近期同時(shí)刻TEC 作為初值，有效提高收斂速度和GNSS系統(tǒng)硬件延遲估計(jì)值的穩(wěn)定性.圖4 為GNSS 系統(tǒng)硬件延遲改進(jìn)前后，以及與IGS 數(shù)據(jù)的青島地區(qū)TEC 計(jì)算精度的比較.IGS 組織主要由地面上分布全球的衛(wèi)星跟蹤站、數(shù)據(jù)中心以及相應(yīng)的分析處理中心等組成，能夠通過網(wǎng)上給用戶提供各跟蹤站的GNSS 觀測數(shù)據(jù)以及各類相關(guān)產(chǎn)品，例如軌道與鐘差產(chǎn)品、對流層產(chǎn)品、電離層產(chǎn)品等，以滿足廣泛的科研與工程應(yīng)用等需求.IGS 通過收集、歸檔以及分配分布在全球的跟跟蹤站的GNSS 觀測值來滿足試驗(yàn)或者應(yīng)用的需求，通過一系列的數(shù)據(jù)處理手段形成滿足各項(xiàng)需求的產(chǎn)品，再通過互聯(lián)網(wǎng)向需要的用戶進(jìn)行播發(fā).IGS 在其互聯(lián)網(wǎng)站發(fā)布全球TEC 柵格數(shù)據(jù)，具有較高的精度，被廣泛認(rèn)可.目前，在評估設(shè)備電離層TEC 測量精度時(shí)通常與IGS 發(fā)布的最終TEC 產(chǎn)品結(jié)果進(jìn)行比較.從圖4 可以看出，改進(jìn)后的TEC 精度明顯提高，與IGS 發(fā)布結(jié)果更為吻合.

圖4 GNSS 系統(tǒng)硬件延遲改進(jìn)前后青島地區(qū)TEC 計(jì)算結(jié)果Fig.4 TEC calculation results in Qingdao before and after GNSS system hardware delay improvement

3 試驗(yàn)驗(yàn)證方法

選擇在青島、海口、昆明、拉薩、滿洲里五個(gè)典型氣候地區(qū)開展電波環(huán)境參數(shù)探測及比對試驗(yàn)，通過對比對流層折射率剖面和電離層電子密度來驗(yàn)證大氣折射誤差精細(xì)化修正系統(tǒng)的有效性.試驗(yàn)地點(diǎn)的選擇主要考慮以下幾個(gè)方面：

1）考慮到對流層和電離層的區(qū)域分布及變化特性，試驗(yàn)區(qū)域涵蓋了不同緯度、不同氣候條件，以測試驗(yàn)證大氣折射誤差精細(xì)化修正樣機(jī)的適用性；

2）充分利用現(xiàn)有的資源和條件，選擇具備對流層和電離層對比驗(yàn)證條件的站點(diǎn)開展試驗(yàn)，其中對流層的驗(yàn)證需要選擇具有氣象探空數(shù)據(jù)的站點(diǎn)，電離層的驗(yàn)證需要選擇具有電離層垂測儀、IGS 數(shù)據(jù)或非相干散射雷達(dá)的站點(diǎn)；

3）試驗(yàn)區(qū)域最好為設(shè)備主要應(yīng)用區(qū)域，或該區(qū)域的電波環(huán)境特性具有較好的相似性，試驗(yàn)區(qū)域包含沿海區(qū)域.

圖5 給出了試驗(yàn)對比驗(yàn)證方法的評估流程.

對流層折射率剖面統(tǒng)計(jì)誤差計(jì)算方法為

式中：M為觀測樣本數(shù)(對流層折射率剖面?zhèn)€數(shù))；K為一次樣本不同高度采樣數(shù)，K=53；Nji為設(shè)備輸出對流層折射率剖面第j個(gè)樣本中第i次采樣折射率值；N0ji為氣象探空折射率剖面第j個(gè)樣本中第i次采樣折射率值.

電離層垂直TEC（vertical TEC, VTEC）統(tǒng)計(jì)誤差計(jì)算方法為

此式電離層電子密度剖面的比較依據(jù)是IGS 數(shù)據(jù).

4 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

青島、?？?、昆明、拉薩、滿洲里五個(gè)地區(qū)以無線電探空儀測量數(shù)據(jù)計(jì)算得到的折射率剖面作為真值得到的對流層折射率剖面偏差及以IGS 數(shù)據(jù)作為真值得到的VTEC 偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1.可以看出：對流層折射率剖面平均RMSE 約為3.64 N 單位，?？诤颓鄭u較大，分別為6.3 N 單位和5.2 N 單位，且試驗(yàn)期間不同時(shí)刻的折射率誤差差距較大，說明沿海地區(qū)氣候時(shí)空變化較為明顯；電離層VTEC 平均RMSE 為1.19 TECU，昆明和?？谳^大，分別為1.4 TECU 和1.92 TECU， 且試驗(yàn)期間不同時(shí)刻的VTEC 差距較大，說明電離層在不同緯度地區(qū)的時(shí)空變化特性.

表1 對流層折射率剖面和電離層VTEC RMSE統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 Statistical results of tropospheric refractive index profile and ionospheric VTEC deviation

5 結(jié) 論

針對高軌衛(wèi)星S/Ka 頻段厘米級高精度測距修正需求，本文設(shè)計(jì)了大氣折射誤差精細(xì)化修正系統(tǒng).該系統(tǒng)從微弱微波輻射信號接收技術(shù)、自定標(biāo)技術(shù)、高精度濕延遲模型構(gòu)建、高精度折射率模型構(gòu)建、GNSS 系統(tǒng)硬件延遲高精度估計(jì)等硬件設(shè)計(jì)、理論算法方面進(jìn)行了多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的研究突破，可以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地獲取對流層折射率、電離層TEC 等大氣環(huán)境參數(shù)，并通過五個(gè)典型氣候地區(qū)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和優(yōu)越性.該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)氣象探空、電離層垂測儀等實(shí)測大氣環(huán)境參數(shù)設(shè)備的應(yīng)用局限性，實(shí)現(xiàn)了電離層、對流層大氣參數(shù)的一體化反演，具有高精度、全天候、實(shí)時(shí)穩(wěn)定、被動(dòng)接收不易發(fā)現(xiàn)等多個(gè)技術(shù)優(yōu)勢，可以為高軌衛(wèi)星高精度測定軌系統(tǒng)建設(shè)、雷達(dá)系統(tǒng)目標(biāo)探測、航空航天導(dǎo)航定位等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域提供環(huán)境保障服務(wù)和技術(shù)支持.