我国珠江三角洲地区首个基于PPP技术的GPS水汽实时监测系统外文翻译资料

 2022-08-27 10:10:31

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第七章

我国珠江三角洲地区首个基于PPP技术的GPS水汽实时监测系统

Zhi zhao Liu and Min Li

摘 要：第一个基于全球定位系统精确单点定位(PPP)技术的珠江三角洲地区可降水量实时监测系统(PWVRMS)已经研制成功。PWVRMS系统在利用国际GNSS服务(IGS)直接预测卫星精确轨道的同时，实时估计GPS卫星时钟误差数据。目前，天文台每日每10分钟处理珠江三角洲地区三个网的GPS数据:香港Sat Ref GPS网、澳门MoSRef GPS网和广东CORS网。相比传统的双差分技术,利用PPP技术的优点是,(1)每个站的PWV估计是完全独立的,不受其他站的数据质量的影响;(2)计算更快且简单。该PWVRMS系统是利用无线电探空水蒸汽数据进行评估的。尽管GPS站距探空仪4.1公里，但是GPS PWV精度还是有2.20毫米。如果GPS站与探空站配置，预计实际的GPS PWV精度会更高。实时PWV产品可广泛应用于天气预报、气候研究、水浸或遥感图像校正等领域。目前，珠江三角洲气象站为香港天文台、澳门地球物理暨气象局、深圳市气象局和广东省气象局等珠江三角洲地区的气象机构提供实时水汽数据，供他们提供天气预报服务和研究之用。

关键词：全球定位系统（GPS）、可降水量（PWV）、精密单点定位（PPP）、实时监控

7.1介绍

可降水量(PWV)是一种变化较大的大气成分，是天气预报和气候研究的关键参数之一。它是最重要的温室气体之一，在辐射平衡、云层形成、降水过程、水循环、地表通量和土壤湿度等方面发挥着关键作用。[1-3]水蒸气还直接参与大气化学，改变凝结物的组成，增加有机气溶胶总量的形成[4]。气溶胶对人类的发病率、死亡率和能见度有重要影响[5-7]。

最传统的水汽观测技术可能是探空仪，它有悠久的观测历史，至今仍被广泛使用[8,9]。据估计，全球大约有850个探空站在运行[10]。探空仪具有良好的垂直分辨率，精度可达到0.1gcm-2[11,12]。从探空数据中提取水蒸气的算法相对简单。然而，无线电探空观测非常昂贵，而且无线电探空站的地理密度也很低，这主要是由于操作费用高。例如，香港只有一个可运作的无线电探空站，而面积却超过1104平方公里[13]。全球标准运作气象站通常每天发射两次无线电探空仪，每天只测量两次水蒸气。12小时的时间分辨率足以进行短期天气预报。较低的时间和空间分辨率的无线电探空数据明显限制了水汽测量在天气预报建模中的使用。

另一种广泛使用的水汽测量方法是利用遥感卫星。从遥感卫星上提取水蒸气已经被研究了几十年[14-15]。基于卫星的遥感可以以非常低的成本产生大面积的水蒸气。然而，水蒸气的精度相对较低。例如，广泛使用的MODIS水汽产品mod05和mod07是用香港的探空数据估算的，其均方根误差分别为1.309和1.353cm。与探空仪类似，卫星水汽的时间分辨率也很差。以MODIS卫星为例，MODIS TERRA卫星每天只在上午十时三十分飞越香港一次。因此，遥感卫星水汽信息的时间密度不足以支持短期天气预报或临近预报。

为了克服上述水汽观测技术的不足，近20年来，人们发展了一种从全球定位系统(GPS)中提取水汽的技术[16-19]。全球定位系统产生的水汽可以在几个方面补充探空仪和卫星遥感的水汽观测技术。首先，它的地理密度比无线电探空仪高得多。目前，许多地区和国家的GPS网已经在世界范围内部署。例如，国际GNSS服务(IGS)例行操作和分析来自约350个站的GPS数据[20]。其次，GPS水汽的时间分辨率更高。在GPS数据分析中，通常每1- 2 小时估计一个水汽参数。第三，GPS水汽具有较好的精度。水汽总量(IWV)可以估计到1-2mm的精度[21,22]。因此，在过去的几十年里，基于GPS的水汽观测系统在许多国家得到了迅速发展[23]。在中国大陆，已经部署了许多省市GPS网进行水汽监测和天气预报服务，如[24-26]。

然而，在过去，基于GPS的水汽反演算法主要是基于双差分(DD)运算符，在DD运算符中，至少有一个参考GPS站需要形成参考和GPS水汽站的差分算法。如果GPS网相对较小(例如小于500km)，由于对流层延迟在空间高度相关，只能获得站间的相对水汽[27]。为了从相对的水汽中恢复绝对的水汽含量，天文台会配备一台水汽辐射计及一个全球定位系统(GPS)站，以恢复绝对的水汽含量或所有全球定位系统(GPS)站。在[17]中，通过将一个参考GPS站与用户站至少间隔500kmin来获取绝对水汽。当需要高度可靠、准确、实时地获取水蒸气时，这一要求对GPS水汽检索造成了许多不便或甚至潜在的威胁。首先，在实时水汽反演中，参考站的GPS数据需要实时传输到GPS数据处理中心进行计算。这需要一种非常可靠的通信方法，但操作和维护成本可能很高。通过互联网传输数据是可行的，但数据丢失的情况并不少见。其次，由于采用了双差分算法，参考站的GPS数据质量问题直接影响DD算法的形成和水汽反演。如果这个问题再加上传输过程中的数据丢失，那么这个问题就会变得更严重。第三，参考站通常不由管理GPS水汽网的操作员管理。如果参考站出现故障或参考站的配置需要调整，则完全不在操作员的控制范围之内。

与传统的双差分方法不同，本文提出了利用精密单点定位(PPP)技术从GPS台站网中估算绝对水汽。通过这种PPP技术，在不引入任何参考站的情况下，可以独立地进行绝对水汽估计。这样就完全消除了参考站可能产生的副作用。

7.2节详细介绍了基于PPP的水汽反演算法。7.3介绍了中国珠江三角洲地区(包括香港、澳门和广州)的GPS网络。7.4节介绍了基于该PPP检索算法的珠三角地区GPS水汽实时监测系统。监测系统运行6个月后的结果。结论见第7.5节。

7.2从GPS对流层延迟中提取水汽的原理

GPS信号在穿过电离层和对流层时，会经历大气距离延迟。电离层在几米到几十米的量级上产生色散延迟。但如果使用两个频率的无电离层GPS信号组合，这种情况几乎可以完全消除。然而对流层是一种非色散介质，对流层距离延迟不能像电离层那样得到修正。相反，它通常使用实证模型进行修正。一般来说，对流层距离延迟可分解为两个分量:干分量和湿分量，因此沿射线路径的对流层总延迟可写成[16,17,28,29]:

(7.1)

Delta;L是对流层延迟沿射线路径e是卫星仰角,和是天顶干延迟(ZHD)和天顶湿延迟(ZWD),和分别为干和湿的映射函数，这两个函数表示出了天顶延迟映射到倾斜射线路径的方向。卫星高度90度，天顶对流层延迟(ZTD) )可表示为

= (7.2)

与湿延迟相比，干延迟更为稳定，对非球面总延迟的贡献约为80%。因此，ZHD通常使用经验模型来估计。尽管湿延迟只占对流层总延迟的20%，但它的变化却非常迅速。由于对流层延迟的湿分量具有较大的变异性，因此模拟对流层延迟的精度不如干延迟的精确。因此，在GPS数据分析中，天顶湿延迟通常与其他大地参数一起作为一个未知参数进行估计。一旦获得ZWD，这个延迟可以很容易地转化为集成可降水量(PWV)，使用如下公式[16,25,28]

(7.3)

其中转换因子F是对流层加权平均温度的函数，并与大气温度有关

在精确单点定位数据分析中，天顶对流层延迟为。对每个站的坐标以及GPS站坐标等其他参数进行参数化和估计。利用经验模型去掉了天顶静水分量，从而由式(7.2)得到了天顶湿延迟，然后由式(7.3)得到了PWV。

7.3基于PPP的水汽估算模型与策略

PPP技术使用无差异的GPS载波相位观测。为了消除GPS信号中的电离层延迟，通常采用无电离层组合观测，可描述为:

(7.4)

其中，、分别为GPS L1和L2载频;、分别为L1和L2频率下的GPS载波相位观测值;dt和分别为接收机时钟误差和卫星时钟误差;N1和N2分别为L1和L2频率上的整数相位二义性;为天顶对流层延迟;M是映射函数; delta;是多径效应; 为无电离层观测的噪声项。

PPP技术的实现需要对GPS卫星进行高精度轨道和卫星时钟校正。在我们的研究中，我们基于来自全球80个GPS站点的实时GPS数据流估计精确的卫星时钟校正。80个GPS站的观测频率为1Hz。利用IGS超快速卫星轨道数据，每6 h更新一次，预报24 h，获得精确的GPS卫星轨道。与此同时，GPS站的坐标被严格限制在每周的定位方案中。

7.3.1映射函数

最常用的映射函数有Hopfield、Saastamoinen、Chao、NMF、WMF 1和Global mapping Function(GMF)，本研究使用的是GMF。通过对VMF1模型参数在15°times;15°网格下的球面调和展开得到。系数的计算只与场址坐标和观测日有关[29,30]

7.3.2天顶静水压延迟模型

利用经验模型从天顶对流层延迟中去除天顶干延迟后，仍然存在天顶湿延迟。本研究采用Saastamoinen模型计算天顶干延迟：

(7.5)

式中，为站点纬度，以弧度为单位;为站高，单位为km；P为地面气压，单位hPA;为ZHD，单位cm。

7.3.3将ZWD转换为PWV

在式(7.3)中，天顶湿延迟可以通过转换因子F转换为可降水量，F是大气加权“平均温度”的函数，可计算为[16,32]:

(7.6)

所有的量都是常数，除了是一个变量。Bevis等人在对北美地区数据进行了大量研究后认为和之间存在线性相关关系。Chen等人利用香港本地的无线电探空数据，对和进行线性拟合，得出香港地区和的相关性如下:

=106.7 0.605 (7.7)

因此，我们可以用Tm计算转换因子，ZWD可以进一步转换为PWV。

7.4香港的水汽观测

在热带大气中已观测到水汽的易变性。香港是一个典型的沿海城市，位于热带地区，被南海紧紧包围，全年都有较高的湿度，水汽也有显著的变化。香港每年夏季都会遭遇若干强热带台风。过去几十年的统计资料显示，在距离香港[33]300公里范围内，平均有3个台风登陆南海，且登陆频率有增加的趋势。据信香港受到来自热带和中纬度的亚洲夏季风(ASM)的影响[34]。

目前，香港只有一个无线电探空站在服务中，范围超过1104平方公里。在香港的天气预报服务范围内，地面探空站每天只进行两次水汽观测。缺乏高时间分辨率的水汽对夏季多雨多台风的天气预报尤为重要。其他沿海城市，如澳门、广州和珠江三角洲地区的其他城市，基本上都是这样的情况。珠江三角洲是受台风影响最频繁的地区之一。因此，更准确的水汽观测和更高的时间分辨率，对于改善香港和珠江三角洲地区的天气预报非常重要。

香港理工大学多年来一直致力于全球定位系统的研究和发展。鉴于香港现有的水汽观测资料有限，我们启动了基于全球定位系统的水汽实时监测系统。实时GPS数据最初由香港特别行政区(香港特别行政区)地政总署水测测绘处提供，后来更多珠江三角洲地区的GPS数据纳入该监测系统。与武汉大学合作，在武汉大学开发的PANDA(位置与导航数据分析)软件包平台上，利用精密单点定位(PPP)技术开发了该水汽监测系统

自2012年4月19日起，基于PPP的可降水量实时监测系统开始在全自动化状态下连续运行(以24/7模式)。自2012年7月15日起，基于PPP模式的珠江三角洲地区可降水量实时监测系统全面建立。这是第一个在珠江三角洲地区这样一个系统,它是第一个水汽监测系统开发平台的熊猫软件处理[35],这个系统已经提供大量准确、可靠和高tempo-spatial决议水汽观测气象机构在珠江三角洲地区。这些PWV产品目前以实时方式与香港天文台、澳门地球物理暨气象局、广东省气象局和深圳市气象局共享。准确的实时PWV数据将有助于珠江三角洲地区的短期天气预报和气候变化监测。

7.5基于PPP的GPS可降水量实时监测系统

GPS PWV实时监控系统结构如图7.1所示。基于PPP模式的珠江三角洲地区可降水量实时监测系统分为三个部分;卫星钟差实时估计、天顶对流层参数评估和PWV实时反演。

7.6卫星时钟误差的实时估计

导航卫星的高精度轨道和时钟误差校正是基于PPP的水汽反演的关键。GPS卫星的精

图7.1基于PPP的珠江三角洲地区可降水量实时监测系统

IGS全球实时数据

IGS的快速产品

PWV实时监测网络

GNSS卫星实施轨道和时钟误差

实时对流层参数

ZTD参数评价

IGS全球实时数据

天顶湿延迟

实时可降水量

天顶干延迟

ZTD流体静力组件模型

实时温度权重

确轨道可由IGS释放的超高速轨道获得。IGS超高速卫星轨道数据每6小时更新一次，24

小时预报。预测轨道精度可达到5cm[36]水平，满足PPP水汽反演精度要求。IGS超快速卫星时钟误差改正/数据的数据间隔为15.0min，精度仅为3.0ns(RMS)，相当于90cm距离。考虑到IGS超快速卫星时钟误差的大小和时钟误差变化快的性质，这类时钟校正数据不适合实时计算PPP。提出了利用PANDA软件实时估计GPS卫星钟差数据的方法。

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