CN108008416B - 一种估算斜路径对流层延迟的积分方法 - Google Patents

一种估算斜路径对流层延迟的积分方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108008416B
CN108008416B CN201711259561.3A CN201711259561A CN108008416B CN 108008416 B CN108008416 B CN 108008416B CN 201711259561 A CN201711259561 A CN 201711259561A CN 108008416 B CN108008416 B CN 108008416B
Authority
CN
China
Prior art keywords
atmospheric
pressure
delay
refractive index
observation station
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201711259561.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108008416A (zh
Inventor
叶世榕
夏朋飞
李显杰
姜卫平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan University WHU
Original Assignee
Wuhan University WHU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan University WHU filed Critical Wuhan University WHU
Priority to CN201711259561.3A priority Critical patent/CN108008416B/zh
Publication of CN108008416A publication Critical patent/CN108008416A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108008416B publication Critical patent/CN108008416B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/03—Cooperating elements; Interaction or communication between different cooperating elements or between cooperating elements and receivers
    • G01S19/07—Cooperating elements; Interaction or communication between different cooperating elements or between cooperating elements and receivers providing data for correcting measured positioning data, e.g. DGPS [differential GPS] or ionosphere corrections

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)

Abstract

本发明提出一种估算斜路径对流层延迟的积分方法，其特征在于仅仅通过GNSS观测站提供的大气温度、压强和水汽压数据即可在保证精度的前提下准确获取不同仰角情况下的斜路经对流层延迟；一种估算斜路径对流层延迟的积分方法，其特征在于仅仅通过GNSS观测站提供的大气温度、压强和水汽压数据即可在保证精度的前提下准确获取不同仰角情况下的斜路径对流层延迟；本发明的估算积分方法不需要估算出天顶总延迟，也不需要根据投影函数获取不同卫星高度角的斜路径延迟。计算量相对简单。

Description

一种估算斜路径对流层延迟的积分方法
技术领域
本发明属于GNSS定位及GNSS气象学领域，特别涉及一种利用观测站提供的温度、压强及水汽压值便可估算出不同仰角的电磁波对流层斜路径延迟值的。
背景技术
GNSS电磁波信号穿越对流层时，由于相对折射介质的变化，电磁波在传播的过程中会发生弯曲，由此产生的路径延迟为对流层延迟。在对流层基本不存在色散效应，故电磁波对流层延迟不可能采用双频改正的方法来消除。通常可以利用数学模型或者大气产品来精确地估算出斜路径对流层延迟量。获取不同卫星仰角的斜路径延迟后，便可以有效地应用于GNSS相对定位及GNSS大气科学。传统估算斜路径对流层延迟的方法就是事先利用对流层延迟经典模型(例如：Saastamoinen模型；Hopfiled模型等)估算出天顶总延迟，然后根据投影函数获取不同卫星高度角的斜路径延迟。由于只提供了地面的温度、压强和水汽压三个参数，故经典对流层延迟估算的天顶对流层延迟的精度有限。另外，受到大气折射率不连续性的影响，低卫星高度角(一般为15°以下)的投影函数的精度较差，故求得的斜路径对流层延迟的精度较差。
发明内容
针对上述问题，本文提出一种估算斜路径对流层延迟的积分方法，利用GNSS测站提供的温度、压强和水汽压等气象参数便可高精度地估算出不同仰角情况下的斜路径对流层延迟。根据估算的斜路径对流层延迟首先可应用GNSS定位，比如差分相对定位、单点定位等，也可以服务于GNSS气象学，比如分析大气状态及气象方面的研究，此外，也可为修正雷达、干涉仪系统等信号提供背景场。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种估算斜路径对流层延迟的积分方法，其特征在于仅仅通过GNSS观测站提供的大气温度、压强和水汽压数据即可在保证精度的前提下准确获取不同仰角情况下的斜路径对流层延迟；具体包括如下步骤：
步骤1：获取电磁波穿越对流层时，受大气折射而产生的对流层延迟量
Figure GDA0002226703860000011
Figure GDA0002226703860000012
其中rA为地面观测站A到地心的距离；A0＝nArAsin(θA)＝nrsin(θ)；nA为地面观测站A处的折射指数；θ为电磁波初始仰角；B为信号发射站；n为折射率；r为电磁波传播路径上任意一点到地心的距离；n(r)为r处的折射率；
步骤2：对步骤1中对流层延迟量ΔR公式利用二阶泰勒公式展开，使得原本的估算对流层斜路径延迟的不可直接积分的函数变得可积分；
步骤3：获取GNSS观测站大气温度、大气压强和大气水汽压值参数：T表示大气温度；TA为地面观测站A处的大气温度；e代表为水汽压强；eA表示地面观测站A处的水汽压强；P为大气压强；PA表示地面观测站A处的大气压强；γ定义为大气混合比指数；
步骤4：然后利用大气压强、大气水汽压和大气温度与大气折射率之间的函数关系估算出折射率；根据大气压强、大气水汽压及大气温度随高程分布信息，将获取的大气折射率按高程分布，并将大气折射率随高程分布的分布信息转换为大气压强、大气水汽压及大气温度随高程变化的函数：
步骤5：将步骤4的函数代入步骤2中经过泰勒展开的对流层延迟量ΔR公式中，在已知观测站高度处大气温度、压强和相对湿度的情况下，获取精确估算的不同电磁波仰角的斜路径对流层延迟值。
上述技术方案中，步骤2利用二阶泰勒公式展开将对流层延迟量ΔR分为
Figure GDA0002226703860000021
Figure GDA0002226703860000022
和
Figure GDA0002226703860000023
三个部分进行积分。
上述技术方案中，步骤4中静水折射指数与大气压强的关系、湿度折射指数与水汽压的关系以及水汽压和大气压强的关系，在垂直方向上近似表示为：
T＝TA+β(h-hA)
Figure GDA0002226703860000025
在不同的高程上，折射率表示为大气压，水汽压及温度的函数：
其中，β为温度递减率；γ为大气混合比指数；k1、k2、k3分别为常数，且k1＝77.6K/hPa,k2＝70.4K/hPa,k3＝3.739*105K/hPa。
上述技术方案中，步骤5最终得到对流层延迟量ΔR为：
Figure GDA0002226703860000027
相对于传统估算斜路径对流层延迟的方法，本发明的估算积分方法不需要估算出天顶总延迟，也不需要根据投影函数获取不同卫星高度角的斜路径延迟。计算量相对简单。同时由于使用估算数据来测算最后斜路径延迟，经典对流层延迟估算的天顶对流层延迟的精度有限。
再次，本发明由于观测时只需要观测站高度处大气温度、压强和相对湿度，即可根据沿高程分布的大气折射率，获取精确估算的不同电磁波仰角的斜路径对流层延迟值。相对于经典方法受到大气折射率不连续性的影响，低卫星高度角(一般为15°以下)的投影函数的精度较差，本发明考虑了不同仰角数据，因而求得的斜路径对流层延迟的精度较高。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。
首先利用二阶的泰勒公式将估算对流层斜路径延迟的积分公式展开，使得原本的估算对流层斜路径延迟的不可直接积分的函数变得可积分。然后利用大气压强、大气水汽压和大气温度与大气折射率之间的函数关系估算出折射率，并根据大气压强，大气水汽压及大气温度随高程分布信息，将大气折射率随高度分布的分布信息转换为大气压强、大气水汽压及大气温度随高程变化的函数。最终便可估算出不同电磁波仰角的斜路径对流层延迟。
新的积分方法估算对流层斜路径延迟的过程如下：
视在距离Rc是无线设备观测得到的目标距离，它等于电磁波在空间的单程传播时间t与光速c的乘积，即公式(1)：
Rc＝c·t (1)
当电磁波穿越折射指数为n的介质中，电磁波的传播速度为c/n，则电磁波通过一小段距离dl的时间dt为公式(2)：
其中n为dl处的折射指数。于是，电磁波由发射站A到目标B的传播时间为公式(3)：
Figure GDA0002226703860000041
当电磁波初始仰角为θ时，dl可以表示为：
Figure GDA0002226703860000042
其中，dr为dl处到地心距离减去曲率半径后的高度。
由公式(3)和(4)可知：
Figure GDA0002226703860000043
于是，视在距离Rc可以表示为：
Figure GDA0002226703860000044
由Snell定律可知，上式sinθ为：
式中A0＝nArAsin(θA)＝nrsin(θ)；nA为地面观测站A处的折射指数；rA为地面观测站A到地心的距离。
由公式(6)可知，电磁波在真空中的传播距离可以表示为：
Figure GDA0002226703860000046
则电磁波斜路径对流层延迟ΔR：
Figure GDA0002226703860000047
公式(9)很难直接进行积分计算，故需要对公式(9)进行处理使之变得可积。
若令
Figure GDA0002226703860000048
则公式(9)可变为：
Figure GDA0002226703860000049
令x＝(Y2-1)/(sinθA)2则x+1＝1+(Y2-1)/(sinθA)2，利用二阶泰勒公式展开：
Figure GDA00022267038600000410
则：
Figure GDA0002226703860000051
由于折射指数n通常情况下近似等于1，则：
Figure GDA0002226703860000053
Figure GDA0002226703860000054
故可得：
Figure GDA0002226703860000055
则公式(10)可变换为：
Figure GDA0002226703860000056
公式(17)将分为
Figure GDA0002226703860000057
和三个部分进行积分。
在垂直方向上，静水折射指数与大气压强的关系、湿度折射指数与水汽压的关系以及水汽压和大气压强的关系可近似表示为：
T＝TA+β(h-hA) (18)
Figure GDA0002226703860000059
其中，T表示大气温度；TA为地面观测站A处的大气温度；e代表为水汽压强；eA表示地面观测站A处的水汽压强；P为大气压强；PA表示地面观测站A处的大气压强；γ定义为大气混合比指数。
在不同的高程上，折射率可以表示为大气压，水汽压及温度的函数：
Figure GDA0002226703860000061
由于r＝h+rA，rA表示地面观测站A处的地球曲率半径。则公式(21)可变换为：
Figure GDA0002226703860000062
则：
Figure GDA0002226703860000063
由式(18)、(19)和(20)可知：
Figure GDA0002226703860000064
Figure GDA0002226703860000065
Figure GDA0002226703860000066
故：
Figure GDA0002226703860000067
Figure GDA0002226703860000068
其中，
Figure GDA0002226703860000069
由式(24)可知:
Figure GDA00022267038600000610
则
Figure GDA00022267038600000611
由式(26)可知：
Figure GDA00022267038600000612
故
Figure GDA00022267038600000613
其中，
Figure GDA00022267038600000614
则：
Figure GDA0002226703860000071
Figure GDA0002226703860000072
联合公式(27)、(30)和(31)，公式(17)可以表示为：
由公式(32)可知：在已知测站高度处温度、压强和相对湿度的情况下，便可估算出不同电磁波仰角的斜路径对流层延迟值。此外，也可以利用探空产品、无线掩星产品、ERA-Interim产品等计算不同仰角情况下的对流层延迟值。利用这些估算的对流层延迟值可以建立区域性对流层延迟模型，不仅可以有效地服务于GNSS定位，还可以应用于GNSS气象学的研究。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种估算斜路径对流层延迟的积分方法，其特征在于仅仅通过GNSS观测站提供的大气温度、大气压强和大气水汽压强数据即可在保证精度的前提下准确获取不同仰角情况下的斜路径对流层延迟；具体包括如下步骤：
步骤1：获取电磁波穿越对流层时，受大气折射而产生的对流层延迟量；其中rA为地面观测站A到地心的距离；A0＝nArAsin(θA)＝nrsin(θ)；nA为地面观测站A处的折射指数；θ为电磁波初始仰角；B为信号发射站；n为折射率；r为电磁波传播路径上任意一点到地心的距离；n(r)为r处的折射率；视在距离Rc是无线设备观测得到的由地面观测站A到目标B的目标距离；R为电磁波在真空中的传播距离；
步骤2：
对步骤1中对流层延迟量ΔR公式利用二阶泰勒公式展开，使得原本的估算对流层斜路径延迟的不可直接积分的函数变得可积分；
步骤3：获取GNSS观测站大气温度、大气压强和大气水汽压强参数：T表示大气温度；TA为地面观测站A处的大气温度；e代表为大气水汽压强；eA表示地面观测站A处的大气水汽压强；P为大气压强；PA表示地面观测站A处的大气压强；γ定义为大气混合比指数；
步骤4：然后利用大气压强、大气水汽压强和大气温度与大气折射率之间的函数关系估算出折射率；根据大气压强、大气水汽压强及大气温度随高程分布信息，将获取的大气折射率按高程分布，并将大气折射率随高程分布的分布信息转换为大气压强、大气水汽压强及大气温度随高程变化的函数；
步骤5：将步骤4的函数代入步骤2中经过泰勒展开的对流层延迟量ΔR公式中，在已知观测站高度处大气温度、大气压强和大气水汽压强的情况下，获取精确估算的不同电磁波仰角的斜路径对流层延迟值。
2.根据权利要求1所述的估算斜路径对流层延迟的积分方法，其特征在于步骤2利用二阶泰勒公式展开将对流层延迟量ΔR分为
Figure FDA0002226703850000012
和
Figure FDA0002226703850000013
三个部分进行积分。
3.根据权利要求1所述的估算斜路径对流层延迟的积分方法，其特征在于步骤4中静水折射指数与大气压强的关系、湿度折射指数与大气水汽压强的关系以及大气水汽压强和大气压强的关系，在垂直方向上近似表示为：
T＝TA+β(h-hA)
Figure FDA0002226703850000021
Figure FDA0002226703850000022
在不同的高程上，折射率表示为大气压强，大气水汽压强及温度的函数：
Figure FDA0002226703850000023
其中，β为温度递减率；γ为大气混合比指数；k1、k2、k3分别为常数，且k1＝77.6K/hPa,k2＝70.4K/hPa,k3＝3.739*105K/hPa。
4.根据权利要求1所述的估算斜路径对流层延迟的积分方法，其特征在于步骤5最终得到对流层延迟量ΔR为：
Figure FDA0002226703850000024
Figure FDA0002226703850000031
其中，nA为地面观测站A处的折射指数；TA为地面观测站A处的大气温度。
CN201711259561.3A 2017-12-04 2017-12-04 一种估算斜路径对流层延迟的积分方法 Active CN108008416B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711259561.3A CN108008416B (zh) 2017-12-04 2017-12-04 一种估算斜路径对流层延迟的积分方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711259561.3A CN108008416B (zh) 2017-12-04 2017-12-04 一种估算斜路径对流层延迟的积分方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108008416A CN108008416A (zh) 2018-05-08
CN108008416B true CN108008416B (zh) 2020-01-14

Family

ID=62056120

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711259561.3A Active CN108008416B (zh) 2017-12-04 2017-12-04 一种估算斜路径对流层延迟的积分方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108008416B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109901203B (zh) * 2019-03-27 2020-12-18 北京航空航天大学 一种对流层折射率高精度预测的地基增强系统
CN112098953A (zh) * 2020-09-21 2020-12-18 中国人民解放军63921部队 一种大气折射修正量计算快速迭代方法及装置
CN113009531A (zh) * 2021-02-22 2021-06-22 中国三峡建设管理有限公司 一种小尺度高精度的低空对流层大气折射率模型
CN113093241B (zh) * 2021-03-12 2024-02-02 东南大学 一种考虑高度角的单测站对流层斜延迟计算方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103176188B (zh) * 2013-03-19 2014-09-17 武汉大学 一种区域地基增强ppp-rtk模糊度单历元固定方法
CN103163533B (zh) * 2013-03-27 2014-10-22 武汉大学 一种gnss全球与区域电离层延迟无缝融合表达和改正方法
CN106814373B (zh) * 2017-01-22 2019-09-10 武汉大学 大气加权平均温度估算及对流层延迟积分方法
CN106802425B (zh) * 2017-01-22 2019-07-23 武汉大学 一种估算天顶对流层延迟的积分方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108008416A (zh) 2018-05-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108008416B (zh) 一种估算斜路径对流层延迟的积分方法
CN111273318B (zh) 一种基于抛物线的区域对流层湿延迟计算方法
CN104965207B (zh) 一种区域对流层天顶延迟的获取方法
KR101914550B1 (ko) 레이더의 표적 위치 추적 방법
CN103076616B (zh) 大气对流层电离层电波折射误差一体化实时修正装置
CN110031877B (zh) 一种基于grnn模型的区域nwp对流层延迟改正方法
US9625614B2 (en) Systems and methods for atmospheric modeling based on GPS measurement
CN106814373B (zh) 大气加权平均温度估算及对流层延迟积分方法
CN113050134A (zh) 基于卫星导航信息的海面风场反演观测方法
US11156713B2 (en) Method for estimating a precipitation rate, in particular for rain or snow
CN107544081B (zh) 顾及电离层约束的rtk定位方法
CN107843895A (zh) 一种双多普勒雷达三维风场反演方法
CN104020456A (zh) 一种基于多特显点线阵成像雷达系统幅相误差校正方法
CN113534194B (zh) 联合gnss与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法
CN105929380A (zh) 一种卫星激光高度计全波形激光雷达数据去噪方法
CN113960635A (zh) 一种顾及日变化的对流层延迟改正方法
CN113093241A (zh) 一种考虑高度角的单测站对流层斜延迟计算方法
CN113009531A (zh) 一种小尺度高精度的低空对流层大气折射率模型
JP4901365B2 (ja) 測位システム、測位方法および測位用プログラム
CN105572648A (zh) 一种合成孔径雷达回波数据距离徙动校正方法和装置
Moshkov et al. Features of radio wave refraction in the near-polar regions
CN115144878B (zh) 基于ppp的短距离大高差nrtk对流层延迟改正方法
Vennebusch et al. Temporal and spatial stochastic behaviour of high-frequency slant tropospheric delays from simulations and real GPS data
CN115061170B (zh) 短距离大高差环境网络rtk方法
CN114925496B (zh) 一种海洋环境噪声预报方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant