CN105785407A - 一种适用于中国地区的无气象参数对流层延迟改正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于中国地区的无气象参数对流层延迟改正方法，包括以下的步骤：S1：确定中国地区对流层延迟随时间的变化关系；S2：确定中国地区对流层延迟随海拔的变化关系；S3：确定中国地区对流层延迟随经纬度的变化关系；S4：计算对流层延迟，确定双线性模型。本发明模型结构简单，只需要输入测站处的经度、纬度、高程和年积日就可以直接获得测站处的对流层延迟预报值。本发明模型在中国地区偏差较小，更加符合中国地区对流层延迟时间序列的变化规律。且在高海拔地区也同样具有较高精度，优于传统的EGNOS模型。

Description

一种适用于中国地区的无气象参数对流层延迟改正方法
技术领域
本发明涉及全球导航系统领域，是一种适用于中国地区的无气象参数对流层延迟改正方法。
背景技术
对流层延迟是影响卫星导航定位精度特别是高程方向上的精度的主要原因。目前对流层延迟改正的主要方法是模型改正法。模型改正法根据不同的假设和影响因素建立能够反映对流层延迟的函数关系式。根据模型计算时是否需要气象参数可以分为需要气象参数模型以及无气象参数模型。但是在实际的GNSS导航定位应用中，大多数用户(包括部分IGS跟踪站)无法获得测站处的气象参数。因此，需要建立对流层延迟的预报模型来满足GNSS实时的导航定位应用。目前，利用气象观测资料进行气象参数的数值预报并计算天顶对流层延迟是一种有效的预报对流层延迟的手段。此类模型主要包括美国的UNB系列模型和欧洲的EGNOS模型。这两种模型在计算对流层延迟时不需要实测的气象数据，而是提供时空变化只与纬度和年积日有关且年变化呈余弦函数的五个气象参数，这五个气象参数的振幅和年积日通过气象资料拟合求得。然而上述模型是采用北美地区气象分析资料建立的局部地区或全球范围内的对流层延迟，在中国地区的精度以及适用性方面的研究较少。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提出一种计算简单、精度高的适用于中国地区的无气象参数对流层延迟改正方法。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的适用于中国地区的无气象参数对流层延迟改正方法，包括以下的步骤：
S1：确定中国地区对流层延迟随时间的变化关系：使用基于二次函数的抛物线模型来表示中国地区对流层延迟随时间变化的关系，其中，抛物线模型如式(1)所示：
式(1)中，doy为年积日，a、c为系数，ZTD为中国地区对流层延迟；
S2：确定中国地区对流层延迟随海拔的变化关系：如式(2)所示：
ZTDh＝ZTD0·ec1·h(2)
式(2)中，ZTDh为高程在h处的对流层延迟，ZTD0为对应平面位置上高程为0的对流层延迟，c1为系数；
S3：确定中国地区对流层延迟随经纬度的变化关系：如式(3)所示：
ZTD＝(a1·E+b1)·(c1·N+d1)+e(3)
式(3)中，E为经度，N为纬度，a1、b1、c1、d1和e为系数。
S4：计算对流层延迟，如式(4)所示，确定双线性模型，如式(5)所示：
(doy＜182.625时，Dmin＝28；doy＞182.625时，Dmin＝393)
式(5)中，δ为测站处最终的对流层延迟预报值，Dmin为对流层延迟达到最小的年积日。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明模型结构简单，只需要输入测站处的经度、纬度、高程和年积日就可以直接获得测站处的对流层延迟预报值。本发明模型在中国地区偏差较小，更加符合中国地区对流层延迟时间序列的变化规律。且在高海拔地区也同样具有较高精度，优于传统的EGNOS模型。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的kunm站的抛物线模型与EGNOS模型及余弦函数模型的拟合结果比较；
图2为本发明具体实施方式的lhaz站的抛物线模型与EGNOS模型及余弦函数模型的拟合结果比较；
图3为本发明具体实施方式的shao站的抛物线模型与EGNOS模型及余弦函数模型的拟合结果比较；
图4为本发明具体实施方式的xian站的抛物线模型与EGNOS模型及余弦函数模型的拟合结果比较；
图5为本发明具体实施方式的bjfs站的双线性模型与EGNOS模型的拟合结果比较；
图6为本发明具体实施方式的chan站的双线性模型与EGNOS模型的拟合结果比较；
图7为本发明具体实施方式的guao站的双线性模型与EGNOS模型的拟合结果比较；
图8为本发明具体实施方式的kunm站的双线性模型与EGNOS模型的拟合结果比较；
图9为本发明具体实施方式的lhaz站的双线性模型与EGNOS模型的拟合结果比较；
图10为本发明具体实施方式的shao站的双线性模型与EGNOS模型的拟合结果比较；
图11为本发明具体实施方式的tnml站的双线性模型与EGNOS模型的拟合结果比较；
图12为本发明具体实施方式的urum站的双线性模型与EGNOS模型的拟合结果比较；
图13为本发明具体实施方式的xian站的双线性模型与EGNOS模型的拟合结果比较；
图14为本发明具体实施方式的ulab站的双线性模型与EGNOS模型的拟合结果比较；
图15为本发明具体实施方式的wuhn站的双线性模型与EGNOS模型的拟合结果比较。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明作更进一步的说明。
本发明公开了一种适用于中国地区的无气象参数对流层延迟改正方法，包括以下的步骤：
S1：确定中国地区对流层延迟随时间的变化关系：使用基于二次函数的抛物线模型来表示中国地区对流层延迟随时间变化的关系，其中，抛物线模型如式(1)所示：
式(1)中，doy为年积日，a、c为系数，ZTD为中国地区对流层延迟；
由于中国地区对流层延迟在时间上具有年周期性特征，并且中国中高纬度地区对流层延迟夏季变化剧烈，冬季变化缓慢，因此使用抛物线模型能能够准确的反映中国地区对流层延迟在时间上的变化规律。图1-图4为中国地区几个IGS站上单站抛物线模型与常用的EGNOS模型以及余弦函数模型的比较。表1为中国地区的几个IGS站上抛物线模型的系数。
表1六个IGS站的抛物线模型拟合结果
S2：确定中国地区对流层延迟随海拔的变化关系：如式(2)所示：
ZTDh＝ZTD0·ec1·h(2)
式(2)中，ZTDh为高程在h处的对流层延迟，ZTD0为对应平面位置上高程为0的对流层延迟，c1为系数，表2为中国地区的部分气象站台上c1的拟合结果；
表2指数衰减系数c1的拟合结果
海平面处的对流层延迟抛物线模型的系数可以表示为：
表3为中国地区的IGS站归化至海平面处的抛物线模型系数。
表3各个IGS站归化至海平面处的抛物线模型系数
S3：确定中国地区对流层延迟随经纬度的变化关系：如式(4)所示：
ZTD＝(a1·E+b1)·(c1·N+d1)+e(4)
式(4)中，E为经度，N为纬度，a1、b1、c1、d1和e为系数。
也即，海平面处抛物线模型的系数A和C随经纬度分别呈线性变化，如式(5)所示：
表4为式(5)中各个系数的拟合结果。
表4系数拟合结果
S4：利用前面3个步骤的计算结果，就可以计算出测站处的对流层天顶延迟，如式(6)所示：
将前面计算的结果代入(6)中，得到最终的中国地区对流层延迟双线性预报模型的计算公式，如式(7)所示：
(doy＜182.625时，Dmin＝28；doy＞182.625时，Dmin＝393)
式(7)中，δ为测站处最终的对流层延迟预报值，Dmin为对流层延迟达到最小的年积日。
以平均偏差(BIAS)和中误差(RMSE)作为模型比较分析验证的基本标准，它们的计算式分别为：
其中：N是用于测试数据的数量；为模型计算值；为真值，即IGS所提供ZTD产品。
由于双线性模型的模型系数是通过中国地区的九个IGS站的抛物线模型拟合得到的，可以通过双线性模型在这九个IGS站以及ulab站、wuhn站与EGNOS模型进行比较，分析双线性模型的精度。图5-图15为这11个IGS站上的双线性模型与EGNOS模型精度的比较。表5为双线性模型和EGNOS模型在中国地区11个IGS站与IGS值的比较结果。
表5双线性模型和EGNOS模型误差统计
从表5中可以看出，EGNOS模型在这11个站的平均偏差为1.0cm，最大偏差为4.5cm；双线性模型在这11个站的平均偏差为-0.1cm，最大偏差为-1.5cm。EGNOS模型在这11个站的中误差之平均值为±5.4cm(其中最大值为±8.0cm)；双线性模型在这11个站的中误差之平均值为±3.9cm(其中最大值为±6.2cm)。同时，EGNOS模型和双线性模型在tnml、shao、wuhn这三个站的模型精度都在±6cm以上。通过图10、图11、图15可以看出，这三个站的IGS数据较少且比较分散，因此模型精度较差。
通过以上分析我们发现：
(1)双线性模型在中国地区的11个IGS站上的平均偏差只有-0.1cm，且双线性模型的平均模型精度为3.9cm，相对于EGNOS模型(模型精度为5.4cm)提高了28％。从图5—图15可以看出，双线性模型更加符合中国地区对流层延迟时间序列的变化规律。
(2)双线性模型在高海拔地区同样具有较高的精度。EGNOS模型在海拔较高的kunm、lhaz站中误差分别为±5.9cm、±4.2cm，而双线性模型在kunm、lhaz站的中误差只有±3.5cm和±2.4cm，相对于EGNOS模型有很大的提高，同时也优于双线性模型在这11个站的平均中误差。
(3)相对于EGNOS模型，双线性模型简单，只需要输入测站的经度、纬度、高程以及年积日就可以直接获得测站处的对流层延迟预报值。因此，对于中国区域的对流层，可以利用本发明提出的方法计算其延迟数值。
凡是根据本发明技术实质对以上实施所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (1)

1.一种适用于中国地区的无气象参数对流层延迟改正方法，其特征在于：包括以下的步骤：
S1：确定中国地区对流层延迟随时间的变化关系：使用基于二次函数的抛物线模型来表示中国地区对流层延迟随时间变化的关系，其中，抛物线模型如式(1)所示：
式(1)中，doy为年积日，a、c为系数，ZTD为中国地区对流层延迟；
S2：确定中国地区对流层延迟随海拔的变化关系：如式(2)所示：
式(2)中，ZTDh为高程在h处的对流层延迟，ZTD0为对应平面位置上高程为0的对流层延迟，c1为系数；
S3：确定中国地区对流层延迟随经纬度的变化关系：如式(3)所示：
ZTD＝(a1·E+b1)·(c1·N+d1)+e(3)
式(3)中，E为经度，N为纬度，a1、b1、c1、d1和e为系数。
S4：计算对流层延迟，如式(4)所示，确定双线性模型，如式(5)所示：
(doy＜182.625时，Dmin＝28；doy＞182.625时，Dmin＝393)
式(5)中，δ为测站处最终的对流层延迟预报值，Dmin为对流层延迟达到最小的年积日。
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