多系统PPP天顶对流层延迟时空序列精度评估及分析

利用2021-09全球80个MGEX测站进行PPP实验,以国际GNSS服务组织(IGS)发布的ZTD产品为参考进行比较分析。结果表明,多系统联合估计ZTD在精度上具有较大优势,GPS+BDS双系统比单GPS系统平均RMSE精度提高约0.6 mm, GPS+BDS+GLONASS+Galileo四系统比双系统精度提高约0.9 mm,单系统条件下GPS的ZTD估计精度高于BDS。在精度空间分布上,随着纬度升高ZTD估计精度提升较为明显,当纬度大于50°时,四系统PPP估计的ZTD精度优于5 mm。在纬度基本不变的情况下,观测站海拔升高可提升ZTD估计精度。在模糊度固定的情况下,ZTD估计精度明显提升,单GPS系统估计ZTD的平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)分别为7.6 mm和8.4 mm,相比于浮点解分别提高约11%和12%,平均收敛时间加快20 min。

多模型融合的对流层天顶延迟估计方法

为提高对流层天顶延迟(Zenith Tropospheric Delay,ZTD)估计精度,基于传统对流层天顶延迟建模思路,提出Saastamoinen,Askne和GPT3多模型融合的对流层天顶延迟估计方法。分别采用Saastamoinen和Askne模型估计干延迟和湿延迟,并引入GPT3模型提供温度、气压、水汽压、大气加权平均温度和水汽垂直递减率等气象参数。利用全球大地测量观测系统(Global Geodetic Observing System,GGOS)Atmosphere和国际GNSS服务机构(International GNSS Service,IGS)提供的亚洲区域2016~2018年66个IGS站的对流层天顶延迟数据对本文方法进行评估,结果表明,以GGOS Atmospheres数据为参考时,Sas+Ask+GPT3模型精度(均方根为4.53 cm)较同等条件下的Sas+Ask+UNB3m和Sas+GPT3模型分别提高约29%和19%,以IGS对流层天顶延迟数据为参考时,Sas+Ask+GPT3模型精度(均方根为4.35 cm)较另两种模型分别提高约25%和14%。Sas+Ask+GPT3模型误差具有冬季小、夏季大的季节性特征,且夏季误差明显低于另两种模型。在空间分布上,模型误差随高程或纬度的增加而降低。研究表明,本文方法可用于亚洲区域对流层天顶延迟的高精度实时修正。

数据融合的对流层天顶延迟估计方法

为提高对流层天顶延迟(Zenith tropospheric delay,ZTD)的估计性能,提出了基于数据融合的ZTD估计方法。估计干延迟采用Saastamoinen模型,估计湿延迟采用Askne模型,地表气象测量设备提供给两模型所需的气压、温度以及水汽压,Askne模型所需的加权温度、温度变化率和湿度变化率由全球气压和温度2w(Global pressure and temperature 2w,GPT2w)模型提供。当气象测量设备不可用时,上述所有气象参数均来自于GPT2w模型。利用国际GPS服务(International GPS service, IGS)提供的数据进行验证,结果表明:当地表测量设备存在时,所提方法较Saastamoinen模型提高了8mm;当全部气象参数来自GPT2w时,本方法较GPT2w+Saastamoinen模型提高了8.1mm;对于季节分明的测站,误差趋势同样具备季节性;对于海拔高和气候干燥的的测站,估计误差较小。

高速铁路CP0基线解算中天顶对流层参数估计研究

对流层延迟是GPS测量的重要误差源之一，对模糊度解算及基线精度均有较大影响。高速铁路 CP0框架控制网基线解算中采用 PWL 分段线性法估计天顶对流层湿延迟参数的方法提高对流层折射改正精度，因此研究PWL 分段线性法中参数估计的时间间隔对CP0基线解算的影响是十分必要的。介绍GPS对流层延迟的改正原理，通过设计不同解算方案采用工程测量数据对天顶对流层湿延迟参数估计的合理时间间隔进行研究。结果表明，每4-6h估计一个天顶对流层湿延迟参数效果较好，能真实反映出对流层折射影响随时间变化的趋势，从而提高基线解的精度。

改进的对流层天顶延迟估计方法

针对传统对流层延迟模型在估计天顶湿延迟方面存在精度不高和稳定性差的问题,提出了基于改进Hopfield模型的对流层天顶延迟估计方法。该方法利用中纬度大气模式中的气象参数公式,重新推导了Hopfield模型中静力项和湿项延迟表达式,并利用全球对流层延迟气象参数格网值进行内插获取温度变化率和水汽压系数。选取亚洲地区不同经纬度的八个国际GPS服务(IGS,International GPS Service)站的气象数据,分别采用传统模型和改进模型进行对流层天顶延迟估计,计算结果表明改进模型的精度优于传统模型,尤其是湿项延迟方面,估算精度提高了一个数量级。

非组合PPP算法估计天顶对流层延迟及精度分析

为提高天顶对流层延迟的估计精度和可靠性,利用非组合精密单点定位(UPPP)模型估计了WUHN和BJFS站的天顶对流层延迟,将结果与传统的精密单点定位(PPP)模型的计算结果进行对比,结果表明:UPPP计算的天顶对流层延迟的内符合精度为2.75 mm,偏差为0.19 mm,该结果与IGS产品一致,外符合精度分别为8.58 mm,6.51 mm;以IGS的高精度对流层产品为真值,传统PPP模型和非组合PPP模型估计ZTD的精度(STD)分别为7.7 mm和5.9 mm;UPPP方法不仅在精度上和传统PPP方法保持相当甚至更高的精度,而且它还提供电离层产品以减弱噪声影响,提高数据利用率。

基于区域CORS网精密天顶对流层延迟建模方法研究

利用区域CORS网参考站已知天顶对流层信息,提出一种不需要气象数据的天顶对流层新模型。利用广西CORS网实测数据,分析了新模型与反距离加权法和移去恢复法的精度,结果表明新模型精度有显著提高。

天顶对流层延迟计算方法研究

依据精密单点定位(PPP)原理编写天顶对流层延迟估计程序,分别利用所编程序和GAMIT软件进行实测数据解算,将所得数据与IGS网站提供数据进行对比分析,结果显示PPP与双差法估计对流层延迟都有较高精度;但在双差法解算过程中发现,无远距离测站参与解算会影响对流层延迟估计的精度。

基于BDS与GPS精密单点定位的天顶对流层延迟估计比较

在BDS与GPS现有星座条件下,针对若干IGS和MGEX跟踪站的实测数据,利用CODE事后GPS产品与WHIGG计算的BDS精密轨道和钟差,对GPS单系统、BDS单系统及两者组合系统进行精密单点定位(PPP)处理,估计出相应的天顶对流层总延迟量,并进行分析比较。实验表明,与IGS提供的对流层产品相比,利用GPS单系统处理,能较准确地反映出天顶对流层延迟量,其精度为mm级;BDS单系统结果较GPS单系统略差,其精度优于2cm;GPS与BDS组合系统的结果与GPS单系统结果相近。

连续运行GPS观测网络的对流层天顶延迟估计

对基于连续运行GPS观测网络的对流层天顶延迟估算模型和参数的选择,及其对估计结果的影响进行研究。在选用相同的对流层改正模型、卫星截止高度角和相同的对流层天顶延迟参数个数的条件下,分段线性方法比分段常数法和单参数方法更能客观反映对流层随时间的变化趋势。在选择相同的天顶延迟模型的条件下,观测时间越长,用于对流层天顶延迟估算的数据越多,对天顶方向的对流层折射估计越有利。天顶延迟参数个数的选择对对流层折射有较大影响。参数过少,则不能充分反映对流层随时间的变化;参数过多,则降低了解的强度。一般对中长基线而言,选择每2～4h一个天顶延迟参数,能较真实地反映对流层的变化,提高基线解的精度。

沿海GPS/GLONASS提取天顶对流层延迟方法研究

基于中国沿海GNSS观测网20个测站31d的数据,从数据处理模式、系统组合和卫星截止高度角等方面研究沿海地区GPS/GLONASS数据提取天顶对流层延迟的方法,以CODE提供的对流层产品和探空数据资料作为标准值来评价对流层延迟的精度。结果表明,截止高度角为10°时,采用双差网解GPS/GLONASS组合系统提取的天顶对流层延迟精度略优于双差网解GPS单系统和精密单点定位GPS/GLONASS组合系统,各方法提取结果不存在明显的系统偏差;截止高度角设置对天顶对流层精度影响较大,截止高度角为30°时,采用双差网解GPS单系统提取的结果精度最优,但其精度较低截止高度角时明显降低。

轨道和钟差对天顶对流层延迟估计的影响

为了分析不同分析中心提供的精密轨道和钟差产品对BDS/GPS ZTD估计的影响,采用WHU和GFZ提供的精密轨道和钟差产品,利用PPP法处理8个MEGX跟踪站2014年6至9月的观测数据。实验结果表明:BDS/GPS ZTD估值与IGS ZTD参考值趋势一致,但利用不同产品估计的BDS ZTD存在一定差异;采用同源产品估计的BDS ZTD和GPS ZTD之间存在系统性偏差,且系统性偏差大小与跟踪站位置有关。可以预见,随着BDS的完善,利用PPP完全可以估计出无明显系统误差、精度达到mm级的BDS ZTD。

BDS/GPS组合天顶对流层延迟估计的精度分析

为了详细分析BDS/GPS组合ZTD的精度,选取8个MGEX跟踪站2014年6月至9月的观测数据,利用精密单点定位法分别在未固定跟踪站坐标和固定跟踪站坐标的情况下估计BDS ZTD、GPS ZTD和BDS/GPS组合ZTD,并与IGS提供的对流层产品进行对比分析。实验结果表明:BDS ZTD现阶段的标准差优于34mm,GPS ZTD与BDS/GPS组合现阶段的标准差相当,均优于14mm;与未固定跟踪站情形下估计的BDS ZTD相比,固定跟踪站坐标的方式虽然可以提高利用BDS估计ZTD的稳定性,但不能提高精度。

COSMIC-2近实时廓线反演对流层延迟及其质量分析

为了进一步提高全球大气探测和极端天气预报的精度,提出一种气象、电离层与气候星座观测系统2代(COSMIC-2)近实时廓线反演对流层延迟方法:指出随着气象、电离层与气候星座观测系统2代(COSMIC-2)掩星探测深度的加深,通过掩星手段为地表全球卫星导航系统(GNSS)观测站提供近实时先验天顶对流层延迟(ZTD)产品成为可能;采用COSMIC-2掩星Level 2近实时产品wetPf2大气湿度廓线获取掩星ZTD,并以欧洲中期数值天气预报中心第五代再分析资料(ERA5)作为参考,分高程、纬度、季节评估其反演精度。结果表明,COSMIC-2掩星反演天顶对流层延迟ZTD整体精度较高,10 km高程以下全球定位系统(GPS)信号反演ZTD精度较格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)信号更优;掩星反演ZTD精度随高程增加而提升,在0~1 km高程范围内精度最低,均方根(RMS)分别为11.33 mm(GPS)、11.54 mm(GLONASS);中低纬度区域(25°N—35°N)反演ZTD精度低于低纬(15°N—25°N)和中纬(35°N—45°N)区域,其中中纬区域精度最高,RMS分别为4.74 mm(GPS)、4.70 mm(GLONASS);掩星反演ZTD精度同样受季节影响,GPS/格洛纳斯全球卫星导航系统(GLONASS)双模信号均在夏季反演精度最差,冬季反演精度最高,冬季RMS分别为4.15 mm(GPS)、4.18 mm(GLONASS)。

基于北斗的精密单点定位估计对流层天顶延迟精度分析

通过全球导航卫星(GNSS)系统获取对流层天顶延迟对于气象和电波折射修正具有重要应用价值。利用自主研发的静态精密单点定位软件CRPPP,基于国际GNSS地球动力学服务局(IGS)发布的北斗系统(BDS)精密星历和精密钟差,给出了BDS估算天顶延迟结果。以IGS发布的全球定位系统(GPS)结果为参考对比,BDS估算天顶延迟结果平均偏差优于5mm,均方根误差(rms)优于2.3cm.同时,给出了西沙地区GPS与BDS估计结果,结果表明:利用北斗系统估计的对流层天顶延迟精度与GPS相当。

融合大气数值模式的高精度对流层天顶延迟计算方法

针对现有对流层天顶延迟模型改正法因水汽参数难以精确获取所导致的时空分辨率与精度上的不足问题,提出了一种融合WRF(weather research and forecasting model)大气数值模式的对流层天顶延迟估计方法。通过分析WRF模式的数值模拟机理及其数据结构特征,采用直接积分与模型改正相结合的混合计算方式,实现了全球任意位置上小时级的对流层天顶延迟估计。验证结果表明,该方法计算的小时级ZTD再分析值精度为13.6mm,日均值精度更是可达9.3mm,比传统模型UNB3m的49.6mm以及目前标称精度最高模型GPT2w的34.6mm,精度分别提高了约5倍和3.5倍。在30h的预报时段内,预报值精度也可达22mm。无论是ZTD再分析值还是预报值比现有模型的估计值精度均有明显提高。

BDS全球定位服务能力及天顶对流层延迟估计性能评估

基于自行解算的GPS/BDS精密轨道和钟差产品,选取全球均匀分布的9个MGEX观测站1周的观测数据,使用GAMP软件进行BDS静态精密单点定位(PPP)解算,以评估BDS全星座的全球定位服务能力及天顶对流层延迟(ZTD)的估计性能。实验结果表明,BDS静态PPP解算收敛后水平方向精度优于1 cm,高程方向精度在1 cm左右,定位精度已与GPS相当;其天顶对流层估计精度优于1 cm,与GPS PPP解算的ZTD误差的RMS值相差在1 mm以内。总体来说,BDS全星座已具备与GPS相当的全球定位服务能力和ZTD反演性能。

GPS/Galileo实时天顶对流层延迟估计研究

采用14个MGEX测站观测数据,利用实时PPP估计方法计算得到Galileo、GPS和GPS/Galileo组合ZTD估值。14个测站的Galileo和GPSZTD估值的相关系数绝大多数大于0.9,且Galileo-GPSZTD差值的RMS为8~16mm,RMS的平均值为12.3mm,证明Galileo和GPS解的符合性良好,Galileo实时估计的ZTD精度满足要求。同时,IGS最终ZTD产品被用来评价各解算结果的精度,结果显示,GPS/Galileo联合解算时,相对于GPS单系统精度提高了5%~35%,相对于Galileo单系统精度提高了25%~51%。

一种新的估算天顶对流层延迟的积分方法

提出了一种新的估算天顶对流层延迟的积分算法,新算法在传统积分算法的基础上进行了改进,顾及了大气干折射率与大气压强、大气湿折射率与大气水汽压在空间分布上呈现近似指数变化的形式,并得到了更佳的计算结果。选取了中国地区2018年85个探空测站观测数据进行试算,结果表明,探空观测数据垂直采样平均间隔小于400 m时,两种积分算法估算的天顶对流层延迟ZTD(Zenith Total Delay)之差优于0.3 cm;探空观测数据垂直采样平均间隔大于900 m时,两种积分算法估算的ZTD之差约为1.89 cm。最后,选用GNSS精密单点定位获得的ZTD作为参考值,对新的积分算法进行了验证,结果表明,探空观测数据垂直采样平均间隔大于900 m时,与传统的积分方法相比,新积分方法获得的ZTD更接近参考值。

ERA-Interim资料计算对流层天顶延迟方法及精度分析

利用CDDIS提供的6个IGS站点2018年高精度对流层天顶延迟(ZTD)参考值,对利用ERA-Interim资料计算的ZTD值进行了精度评估。结果显示,ERA-Interim资料计算的ZTD与IGS提供的ZTD产品相比误差在cm级,不同纬度的计算ZTD及其偏差有不同的季节特征。IGS ZTD和ERA-Interim ZTD分别用于GNSS单点定位改正,伪距结果显示两者改正偏差的差异在亚毫米级,且结果在各个方向都得到了改善,U方向最明显,能达到0.5 m左右。