CN109507756A - 一种gnss水汽站气压与温度无仪器获取方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种GNSS水汽站气压与温度无仪器获取方法及系统，其中，方法包括以下步骤：获取待求GNSS水汽站的三维大地坐标；根据预设条件检索对应待求GNSS水汽站的三维大地坐标的其他GNSS水汽站的周围气温数据和周围气压数据；根据待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的海拔高度差对周围气温数据进行线性高度订正和对周围气压数据进行非线性高度订正；计算待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的距离，并根据距离求出待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的权函数；计算待求GNSS水汽站的气压数据和气温数据。在本发明的技术方案中，能够为GNSS水汽站提供高精度的气压与温度，尤其是在未布设温度和气压传感器的GNSS气象站网中，提高GNSS水汽解算中GNSS水汽站的利用率。

Description

一种GNSS水汽站气压与温度无仪器获取方法及系统

技术领域

本发明涉及GNSS气象学应用领域，尤其涉及一种GNSS水汽站气压与温度无仪器获取方法和一种GNSS水汽站气压与温度无仪器获取系统。

背景技术

水汽分布及其变化是灾害性天气形成和演变过程中的重要影响因子，是气象学和天气预报研究的重要问题。GNSS解算水汽技术以其高时空分辨率、高精度、全天候、近实时等优点成为新一代大气遥感技术中最有发展前景的方法之一，被广泛应用于暴雨灾害的预警和气候变化的监测。

在地基GPS反演水汽的实际应用中，站点温度和气压的精确测定至关重要。精确确定站点气压，可以依据干延迟模型计算准确的干延迟，有利于从天顶总延迟中剥离出准确的天顶湿延迟；精确确定温度有利于计算加权平均温度模型，提高天顶湿延迟到水汽可降水量PWV的换算精度。因我国地域辽阔、经济和社会发展的差异较大，并不是每个GPS台站附近都安装有气象要素观测仪。如何精确确定这些台站附近的气压和温度，成为地基GPS气象站网布设的一个重要的问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提供一种GNSS水汽站气压与温度无仪器获取方法，其能够为GNSS水汽站提供高精度的气压与温度，尤其是在未布设温度和气压传感器的GNSS气象站网中，提高GNSS水汽解算中GNSS水汽站的利用率。

本发明的另一个目的在于提供一种GNSS水汽站气压与温度无仪器获取系统，其能够为GNSS水汽站提供高精度的气压与温度，尤其是在未布设温度和气压传感器的GNSS气象站网中，提高GNSS水汽解算中GNSS水汽站的利用率。

为实现上述目的，本发明第一方面的技术方案提供了一种GNSS水汽站气压与温度无仪器获取方法，包括以下步骤：获取待求GNSS水汽站的三维大地坐标；根据预设条件检索对应待求GNSS水汽站的三维大地坐标的其他GNSS水汽站的周围气温数据和周围气压数据；根据待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的海拔高度差对周围气温数据进行线性高度订正和对周围气压数据进行非线性高度订正，得到气温订正值和气压订正值；计算待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的距离，并根据距离求出待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的权函数；根据权函数、气温订正值和气压订正值计算待求GNSS水汽站的气压数据和气温数据。

在该技术方案中，该方法主要针对未安装气温传感器和气压传感器的GNSS水汽站，仅需要其周边区域内有气温传感器和气压传感器的GNSS水汽站，就能求得GNSS水汽反演所必需的气压和温度，使用简单，结果精度高，对于提高GNSS水汽反演站网的密度具有重要意义。

在上述技术方案中，优选地，预设条件包括其他GNSS水汽站的数量为4～6个，其他GNSS水汽站与待求GNSS水汽站的最大距离小于或等于300km。

在该技术方案中，该方法主要针对未安装气温传感器和气压传感器的GNSS水汽站，仅需要位于待求GNSS水汽站周边300km以内有气温传感器和气压传感器的4-6个其他GNSS水汽站，就能求得GNSS水汽反演所必需的气压和温度，使用简单，结果精度高，对于提高GNSS水汽反演站网的密度具有重要意义。

在上述任一技术方案中，优选地，气温订正值的表达式为：ΔT＝Δh×0.0065，ΔT为气温订正值，Δh为海拔高度差；气压订正值的表达式为：ΔP为气压订正值，P₁为周围气压数据，T_i为周围气温数据，Δh为海拔高度差。

在上述任一技术方案中，优选地，计算待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的距离的表达式为：X＝(N+H)*cosB*cosL；Y＝(N+H)*cosB*sinL；ΔS为距离；N为椭球面卯酉圈的曲率半径，e为椭球面的第一偏心率，(B，L，H)为其他GNSS气象站的三维大地坐标；权函数的表达式为：其中，ω_i为其他GNSS水汽站中第i个GNSS气象站的权函数，μ的值为2，n为GNSS水汽站的总数。

在上述任一技术方案中，优选地，根据权函数、气温订正值和气压订正值计算待求GNSS水汽站的气压数据和气温数据的表达式为：

其中，P、T为待求GNSS水汽站的气压数据和气温数据，ΔT_i′和ΔP_i′分别为气温订正值和气压订正值，P′和T_i′分别为第i个其他GNSS气水汽站的周围气压数据和周围气温数据。

本发明第二方面的技术方案提供了一种GNSS水汽站气压与温度无仪器获取系统，包括：获取模块，被设置为用于获取待求GNSS水汽站的三维大地坐标；检索模块，被设置为用于根据预设条件检索对应待求GNSS水汽站的三维大地坐标的其他GNSS水汽站的周围气温数据和周围气压数据；订正模块，被设置为用于根据待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的海拔高度差对周围气温数据进行线性高度订正和对周围气压数据进行非线性高度订正，得到气温订正值和气压订正值；权函数构建模块，被设置为用于计算待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的距离，并根据距离求出待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的权函数；计算模块，被设置为用于根据权函数、气温订正值和气压订正值计算待求GNSS水汽站的气压数据和气温数据。

在该技术方案中，该系统主要针对未安装气温传感器和气压传感器的GNSS水汽站，仅需要其周边区域内有气温传感器和气压传感器的GNSS水汽站，就能求得GNSS水汽反演所必需的气压和温度，使用简单，结果精度高，对于提高GNSS水汽反演站网的密度具有重要意义。

在上述技术方案中，优选地，预设条件包括其他GNSS水汽站的数量为4～6个，其他GNSS水汽站与待求GNSS水汽站的最大距离小于或等于300km。

在该技术方案中，该系统主要针对未安装气温传感器和气压传感器的GNSS水汽站，仅需要位于待求GNSS水汽站周边300km以内有气温传感器和气压传感器的4-6个其他GNSS水汽站，就能求得GNSS水汽反演所必需的气压和温度，使用简单，结果精度高，对于提高GNSS水汽反演站网的密度具有重要意义。

在上述任一技术方案中，优选地，气温订正值的表达式为：ΔT＝Δh×0.0065，ΔT为气温订正值，Δh为海拔高度差；气压订正值的表达式为：ΔP为气压订正值，P₁为周围气压数据，T_i为周围气温数据，Δh为海拔高度差。

在上述任一技术方案中，优选地，计算待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的距离的表达式为：X＝(N+H)*cosB*cosL；Y＝(N+H)*cosB*sinL；ΔS为距离；N为椭球面卯酉圈的曲率半径，e为椭球面的第一偏心率，(B，L，H)为其他GNSS气象站的三维大地坐标；权函数的表达式为：其中，ω_i为其他GNSS水汽站中第i个GNSS气象站的权函数，μ的值为2，n为GNSS水汽站的总数。

在上述任一技术方案中，优选地，根据权函数、气温订正值和气压订正值计算待求GNSS水汽站的气压数据和气温数据的表达式为：

其中，P、T为待求GNSS水汽站的气压数据和气温数据，ΔT′_i和ΔP′_i分别为气温订正值和气压订正值，P′和T′_i分别为第i个其他GNSS气水汽站的周围气压数据和周围气温数据。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1示出了本发明实施例所涉及获取方法的流程框图；

图2示出了本发明实施例所涉及获取系统的结构框图；

图3示出了本发明具体实施例所涉及具体计算步骤的原理图；

图4示出了本发明具体实施例所涉及气压残差图；

图5示出了本发明具体实施例所涉及气温残差图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1至图5描述根据本发明一些实施例的GNSS水汽站气压与温度无仪器获取方法及系统。

如图1所示，按照本发明一个实施例的GNSS水汽站气压与温度无仪器获取方法，包括以下步骤：

S100，获取待求GNSS水汽站的三维大地坐标；

S200，根据预设条件检索对应待求GNSS水汽站的三维大地坐标的其他GNSS水汽站的周围气温数据和周围气压数据；

S300，根据待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的海拔高度差对周围气温数据进行线性高度订正和对周围气压数据进行非线性高度订正，得到气温订正值和气压订正值；

S400，计算待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的距离，并根据距离求出待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的权函数；

S500，根据权函数、气温订正值和气压订正值计算待求GNSS水汽站的气压数据和气温数据。

在该实施例中，该方法主要针对未安装气温传感器和气压传感器的GNSS水汽站，仅需要其周边区域内有气温传感器和气压传感器的GNSS水汽站，就能求得GNSS水汽反演所必需的气压和温度，使用简单，结果精度高，对于提高GNSS水汽反演站网的密度具有重要意义。

如图2所示，按照本发明另一个实施例的GNSS水汽站气压与温度无仪器获取系统1000，包括：

获取模块100，被设置为用于获取待求GNSS水汽站的三维大地坐标；

检索模块200，被设置为用于根据预设条件检索对应待求GNSS水汽站的三维大地坐标的其他GNSS水汽站的周围气温数据和周围气压数据；

订正模块300，被设置为用于根据待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的海拔高度差对周围气温数据进行线性高度订正和对周围气压数据进行非线性高度订正，得到气温订正值和气压订正值；

权函数构建模块400，被设置为用于计算待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的距离，并根据距离求出待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的权函数；

计算模块500，被设置为用于根据权函数、气温订正值和气压订正值计算待求GNSS水汽站的气压数据和气温数据。

在该实施例中，该系统主要针对未安装气温传感器和气压传感器的GNSS水汽站，仅需要其周边区域内有气温传感器和气压传感器的GNSS水汽站，就能求得GNSS水汽反演所必需的气压和温度，使用简单，结果精度高，对于提高GNSS水汽反演站网的密度具有重要意义。

具体而言，按照本发明上述任一实施例所涉及的GNSS水汽站气压与温度无仪器获取方法或系统，预设条件包括其他GNSS水汽站的数量为4～6个，其他GNSS水汽站与待求GNSS水汽站的最大距离小于或等于300km。

在该实施例中，针对未安装气温传感器和气压传感器的GNSS水汽站，仅需要位于待求GNSS水汽站周边300km以内有气温传感器和气压传感器的4-6个其他GNSS水汽站，就能求得GNSS水汽反演所必需的气压和温度，使用简单，结果精度高，对于提高GNSS水汽反演站网的密度具有重要意义。

在上述任一实施例中，优选地：

气压订正值的表达式为：

ΔP为气压订正值，P₁为周围气压数据，T_i为周围气温数据，Δh为海拔高度差；

气温订正值的表达式为：

ΔT＝Δh×0.0065 (2)；

ΔT为气温订正值，Δh为海拔高度差。

在上述任一实施例中，优选地：

计算待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的距离的表达式为：

ΔS为距离；N为椭球面卯酉圈的曲率半径，e为椭球面的第一偏心率，(B，L，H)为其他GNSS气象站的三维大地坐标；

权函数的表达式为：

其中，ω_i为其他GNSS水汽站中第i个GNSS气象站的权函数，μ的值为2，n为GNSS水汽站的总数。

在上述任一实施例中，优选地：

根据权函数、气温订正值和气压订正值计算待求GNSS水汽站的气压数据和气温数据的表达式为：

其中，P、T为待求GNSS水汽站的气压数据和气温数据，ΔT′_i和ΔP′_i分别为气温订正值和气压订正值，P′和T′_i分别为第i个其他GNSS气水汽站的周围气压数据和周围气温数据。

具体实施例

以某GNSS水汽站为例，具体计算步骤如下：

步骤1，参见图3，A为待求GNSS水汽站，其大地坐标为(Ba，La，Ha)，B1～B5为A周围的5个有气象数据(气温和气压)的其他GNSS水汽站，其大地坐标分别为(B1，L1，H1)～(B5，L5，H5)(因坐标保密需要，真实值不列出)。B1～B5五个站点某一时刻的气压和温度分别为P1～P5，T1～T5。

步骤2，采用上式(1)和(2)，对B1～B5五个站点的气压和温度进行高度订正，其中Δh为Ha与H1～H5的差值，求出B1～B5五个站点的气压和温度的气压订正值和气温订正值，分别为△P1～△P5，△T1～△T5。

步骤3，采用上式(3)，将GNSS水汽站的大地坐标转换成WGS84下的空间直角坐标，并求出B1～B5与A的空间距离，分别为S1～S5。

采用上式(4)，求出B1～B5五个站点的权函数，分别为ω₁～ω₅。

步骤4，采用上式(5)，求出待求站点A的气压和温度：

Pa＝ω₁(P1+△P1)+ω₂(P2+△P2)+ω₃(P3+△P3)+ω₄(P4+△P4)+ω₅(P5+△P5)；

Ta＝ω₁(T1+△T1)+ω₂(T2+△T2)+ω₃(T3+△T3)+ω₄(T4+△T4)+ω₅(T5+△T5)。

以该GNSS水汽站90天数据为例，利用本发明方法求得的气压和温度，其均方根误差分别为0.68hPa、0.74K。气压和温度的残差参见附图4和附图5。上述均方根误差值和附图，都说明本发明提出的一种GNSS水汽站气压与温度无仪器获取方法和系统具有精度高的优点。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种GNSS水汽站气压与温度无仪器获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取待求GNSS水汽站的三维大地坐标；

根据预设条件检索对应所述待求GNSS水汽站的三维大地坐标的其他GNSS水汽站的周围气温数据和周围气压数据；

根据所述待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的海拔高度差对所述周围气温数据进行线性高度订正和对所述周围气压数据进行非线性高度订正，得到气温订正值和气压订正值；

计算所述待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的距离，并根据所述距离求出所述待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的权函数；

根据所述权函数、所述气温订正值和所述气压订正值计算所述待求GNSS水汽站的气压数据和气温数据。

2.根据权利要求1所述的GNSS水汽站气压与温度无仪器获取方法，其特征在于：所述预设条件包括所述其他GNSS水汽站的数量为4～6个，所述其他GNSS水汽站与所述待求GNSS水汽站的最大距离小于或等于300km。

3.根据权利要求1或2所述的GNSS水汽站气压与温度无仪器获取方法，其特征在于，

所述气温订正值的表达式为：ΔT＝Δh×0.0065，ΔT为所述气温订正值，Δh为所述海拔高度差；

所述气压订正值的表达式为：ΔP为所述气压订正值，P₁为所述周围气压数据，T_i为所述周围气温数据，Δh为所述海拔高度差。

4.根据权利要求1或2所述的GNSS水汽站气压与温度无仪器获取方法，其特征在于，

计算所述待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的距离的表达式为：

X＝(N+H)*cosB*cosL；Y＝(N+H)*cosB*sinL；

ΔS为所述距离；N为椭球面卯酉圈的曲率半径，e为椭球面的第一偏心率，(B，L，H)为所述其他GNSS气象站的三维大地坐标；

所述权函数的表达式为：

其中，ω_i为所述其他GNSS水汽站中第i个GNSS气象站的权函数，μ的值为2，n为GNSS水汽站的总数。

5.根据权利要求1或2所述的GNSS水汽站气压与温度无仪器获取方法，其特征在于，根据所述权函数、所述气温订正值和所述气压订正值计算所述待求GNSS水汽站的气压数据和气温数据的表达式为：

其中，P、T为所述待求GNSS水汽站的气压数据和气温数据，ΔT_i′和ΔP_i′分别为所述气温订正值和所述气压订正值，P′和T_i′分别为第i个所述其他GNSS气水汽站的所述周围气压数据和所述周围气温数据。

6.一种GNSS水汽站气压与温度无仪器获取系统，其特征在于，包括：

获取模块，被设置为用于获取待求GNSS水汽站的三维大地坐标；

检索模块，被设置为用于根据预设条件检索对应所述待求GNSS水汽站的三维大地坐标的其他GNSS水汽站的周围气温数据和周围气压数据；

订正模块，被设置为用于根据所述待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的海拔高度差对所述周围气温数据进行线性高度订正和对所述周围气压数据进行非线性高度订正，得到气温订正值和气压订正值；

权函数构建模块，被设置为用于计算所述待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的距离，并根据所述距离求出所述待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的权函数；

计算模块，被设置为用于根据所述权函数、所述气温订正值和所述气压订正值计算所述待求GNSS水汽站的气压数据和气温数据。

7.根据权利要求6所述的GNSS水汽站气压与温度无仪器获取系统，其特征在于：所述预设条件包括所述其他GNSS水汽站的数量为4～6个，所述其他GNSS水汽站与所述待求GNSS水汽站的最大距离小于或等于300km。

8.根据权利要求6或7所述的GNSS水汽站气压与温度无仪器获取系统，其特征在于，

所述气温订正值的表达式为：ΔT＝Δh×0.0065，ΔT为所述气温订正值，Δh为所述海拔高度差；

所述气压订正值的表达式为：ΔP为所述气压订正值，P₁为所述周围气压数据，T_i为所述周围气温数据，Δh为所述海拔高度差。

9.根据权利要求6或7所述的GNSS水汽站气压与温度无仪器获取系统，其特征在于，

计算所述待求GNSS水汽站与其他GNSS水汽站的距离的表达式为：

X＝(N+H)*cosB*cosL；Y＝(N+H)*cosB*sinL；

ΔS为所述距离；N为椭球面卯酉圈的曲率半径，e为椭球面的第一偏心率，(B，L，H)为所述其他GNSS气象站的三维大地坐标；

所述权函数的表达式为：

其中，ω_i为所述其他GNSS水汽站中第i个GNSS气象站的权函数，μ的值为2，n为GNSS水汽站的总数。

10.根据权利要求6或7所述的GNSS水汽站气压与温度无仪器获取系统，其特征在于，根据所述权函数、所述气温订正值和所述气压订正值计算所述待求GNSS水汽站的气压数据和气温数据的表达式为：

其中，P、T为所述待求GNSS水汽站的气压数据和气温数据，ΔT_i′和ΔP_i′分别为所述气温订正值和所述气压订正值，P′和T_i′分别为第i个所述其他GNSS气水汽站的所述周围气压数据和所述周围气温数据。