一种改进的区域对流层模型在TRACK中的应用*

洪卓众 邓 健 孔令杰 柏 飞

1)厦门理工学院，厦门 361000

2)兰州理工学院，兰州 730050

3)新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院 830006

一种改进的区域对流层模型在TRACK中的应用*

洪卓众1)邓 健1)孔令杰2)柏 飞3)

1)厦门理工学院，厦门 361000

2)兰州理工学院，兰州 730050

3)新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院 830006

利用GAMIT软件估算香港连续参考站一年的对流层天顶延迟，建立了符合香港地区的以气象要素为参数的对流层改正湿延迟模型，且嵌入TRACK模块。经检验，TRACK模块中采用新模型比传统的Saastamoinen模型对提高GPS测量精度的贡献更为显著。

区域对流层模型;GAMIT;TRACK;天顶延迟;气象要素

1 引言

目前，全球定位系统(GPS)的应用越来越广泛，其定位要求也越来越高［1－10］。对流层延迟作为影响GPS定位精度的主要因素，其主要改正方法有:单参数法、多参数法、随机过程法、分段线性法和模型改正法。其中单参数法对于观测时间较短的GPS数据处理可以得到比较理想的结果，但当观测时段较长时则变得不理想。多参数法是采用每隔一定时间间隔引入一个天顶方向折射参数，但该方法存在时间的选取和不能完全反映对流层折射延迟随时间变化特征的缺陷［1］。随机过程方法求出的测站天顶方向的湿延迟分量与水汽辐射计观测的该延迟分量没有显著差异，且可以明显改善基线的垂直分量重复性和模糊度分解［2］。分段线性法是假定两个节点之间的历元上，测站天顶方向的对流层延迟随时间呈线性变化，因此可用一定步长的离散随机过程来表示对流层随时间的变化特征，该方法测定的天顶延迟精度达到毫米级，得到广泛应用。关于对流层模型，目前最为常用的模型有Saastamoinen模型等，其在对流层干延迟方面能改正90%以上，但是在湿延迟方面只能改正20%左右［3，4］，不能满足目前高精度GPS的定位要求。基于此，本文采用GAMIT软件估算香港连续运行参考站的2009年的天顶湿延迟，通过分析天顶湿延迟与气象要素的关系，建立了符合香港地区的以气象要素为参数的区域对流层湿延迟模型，并将该模型嵌入GAMIT软件中的TRACK模块进行实际应用检验。

2 对流层改正模型的建立

2.1 传统Saastamoinen模型

Saastamoinen模型将对流层分成两层积分，第一层是从地表到12 km左右的对流层顶，该层将气体温度随高程升高的递减率假设为6.5℃/km;第二层是从对流层顶到50 km左右的平流层顶，该层把气体温度假设为常数。

式中，P为大气压，ew为水汽压，φ为测站纬度，H为测站高程。

2.2 香港区域对流层延迟模型

香港区域模型也分为干延迟模型和湿延迟模型，其中干延迟模型继续沿用传统Saastamoinen模型的干延迟模型(式(1));湿延迟模型采用GAMIT软件反演的香港地区12个CORS站2009年共365天的天顶湿延迟ZWD和各站实测温度T、干气压P、水气压E以及纬度、高程的关系，参照UNB3M模型初步确定为:

式中，lat代表测站的纬度，h代表测站的高程，T代表测站的开尔文温度，E代表测站的水汽压，可以由相对湿度RH和压强P计算而得，计算公式:

式中T为测站的开尔文温度，B的取值为0.006 2，P为干大气压强，RH为相对湿度，h为测站高程。

采用香港2009年共365天的天顶湿延迟ZWD、温度T、干气压P、水气压E，及各站的纬度和高程，进行多元非线性回归分析，最后将模型确定为:

3 香港区域对流层模型在TRACK模块中的应用

将香港区域对流层模型嵌入到TRACK模块中，利用香港CORS站数据，分别采用传统的对流层模型——Saastamofnen模型和香港区域模型(利用MIT映射函数，其他参数设置相同)进行对比试验，具体如下:

以HKWS站为基准点，HKPC站为流动点，该基线实际长为34 km左右，采用TRACK模块的长基线模式，以GAMIT软件解算的HKWS站的坐标为固定基准，分别选择2009年冬季003天和夏季184天的HKPC的数据进行处理，分别得出两时间段的HKPC的三维坐标，并以GAMIT软件解算的HKPC站的三维坐标作为真值进行精度评定。解算结果见图1～4和表1。

从图1、2可以看出两时间段应用区域对流层模型解算出来的点位均方根均比Saastamofnen模型有所减小;表1中，003天和184天采用区域模型的平

图1 003天两种模型下的均方根分布Fig.1 RMS distribution in two models on 003 day

图2 184天两种模型下的均方根分布Fig.2 RMS distribution in two models on 184 day

图3 003天两种模型下的偏差分布Fig.3 Bias distribution in two models on 003 day

图4 184天两种模型下的偏差分布Fig.4 Bias distribution in two models on 184 day

表1 TRACK采用两种模型计算的偏差和均方根统计(单位:mm)Tab.1 Bias and RMS statistics in TRACK using two models(unit:mm)

平均均方根分别为5.505 mm和11.139 mm，均比Saastamofnen的6.017 mm 和11.186 mm 小，这也说明不管是冬季还是夏季，使用区域模型均有利于进一步提高TRACK模块GPS数据处理的精度。其中，184天的精度提高幅度比003天的小，这主要是由于香港处在亚热带地区，属于亚热带海洋系季风气候，夏季对流层活动比较活跃，随机性较强，因此对流层模型对其贡献较小，精度提高程度较低。为了检验采用两个模型计算的结果的可靠性，本文以采用GAMIT软件计算出的两个流动站的坐标为真值(由于对流层的对高程因素影响比较大，因此本文只考虑大地高)与TRACK模块采用这两种模型算出的结果进行对比。从图3和4及表1的残差数据统计可以明显地看出，在两个时间段采用区域对流层模型解算出来的结果更加接近于GAMIT算出来的结果。这也说明虽然两站距离较短，对流层相关性较强，但还是没法通过差分完全消除，采用合理的对流层模型有助于提高GPS单历元双差解算的精度。

4 结语

香港区域对流层模型是利用GPS反演得到的精确对流层天顶延迟以气象因素为参数进行建模。经过实际应用中检验，该模型有利于香港实时区域对流层模型的建立，同时对其他区域对流层模型研究也有一定的借鉴意义。但由于所用的数据还较少，区域模型在时延性上精度还有待进一步提高。

1 张双城.地基GPS遥感水汽空间分布技术及其应用的研究［D］.武汉大学，2008.(Zhang Shuangcheng.Research and application of remote sensing water vapor using ground_based GPS/Met［D］.Wuhan University，2008)

2 魏子卿，葛茂荣.GPS相对定位的数学模型［M］.北京:测绘出版社，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 丁晓光.对流层延迟改正在GPS数据处理中的应用与研究［D］.长安大学，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 宋淑丽，朱文耀，陈钦明.中国区域对流层改正模型(SHAO)的初步建立［R］.CSNC2010第一届中国卫星导航学术年会，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网气象应用研究［D］.中国科学院测量与地球物理研究所，2006.(Wang Yong.Research of ground-based GPS network using on weather［D］.Institute of Geodesy and Geophysics，CAS，2006)

8 张双城，等.GPS对流层的最新进展及对比分析［J］.大地测量与地球动力学，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

国家自然科学基金(41204032，40902081)

洪卓众，男，1982年出生，硕士，主要研究方向:GNSS数据处理及GPS气象学.E－mail:hongzhuozhong@163.com