CN113534194B - 联合gnss与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法 - Google Patents

联合gnss与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法，包括如下步骤：获取基础观测量，包括GNSS天线位置处气象参数，GNSS定位信息和天顶总延迟，测风激光雷达分层高度上的垂直风速；提取中间变量，包括利用压高方程计算气压廓线，利用映射函数计算斜路径总延迟，结合数值仿真和参数优化方法反演湿折射率廓线；计算Brunt‑Väisälä频率并反演虚位温廓线；求解最终输出变量，构造以各层高度处气温和比湿为未知量、湿折射率和虚位温为因变量的二元非线性方程组，求解得到各层高度处气温和比湿，形成对流层温湿廓线。本发明所公开的方法不依赖历史探空数据，安装维护成本低，适用于陆基观测平台和海基观测平台。

Description

联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法
技术领域
本发明涉及一种联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法。
背景技术
目前，获取对流层大气温湿廓线的方式可分为接触式探测和非接触式探测两种类型。常用的接触式探测方式主要是施放探空气球或探空火箭，其时空分辨率受限，在海上可操作性较低，大多应用于陆基观测平台。常用的非接触式探测方式包括微波辐射计、拉曼温湿激光雷达等，虽然能够达到较高的时间分辨率，但由于对安装平台稳定性要求高、依赖历史探空数据、结构复杂功耗大、安装维护成本高等局限性，亦难以应用于海基观测平台。
随着北斗卫星导航系统的建成，全球导航卫星系统(Global NavigationSatellite System，GNSS)已有100多颗卫星在轨运行。L频段导航卫星信号在对流层大气中传播，其时频特征承载了传播路径上气象参数的时空变化，可用于反演对流层温湿廓线。另外，小型化测风激光雷达与测风激光雷达海洋浮标的发展，为反演对流层温湿廓线提供了另一重要信号源。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法，该方法在目前成熟的气象要素传感器、GNSS接收机和测风激光雷达硬件设备基础上进行算法层面的功能扩展，实现不依赖于历史探空数据的单站对流层大气温湿廓线反演获取，设备安装维护成本较低。因该方法不依赖历史探空数据，安装维护成本低，不仅适用于陆基观测平台，也适用于海基观测平台。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法，包括如下步骤：
步骤一，获取基础观测量，包括：利用气象要素传感器测量GNSS天线位置处气象参数，包括气温、气压和比湿，利用GNSS接收机进行实时精密单点定位，并估计天顶总延迟，利用测风激光雷达测量分层高度上的垂直风速；
步骤二，提取中间变量，包括：根据GNSS天线位置处的气温和气压，利用压高方程计算气压廓线；根据天顶总延迟，利用映射函数计算斜路径总延迟；利用斜路径总延迟的理论值和观测值，结合数值仿真和参数优化方法反演湿折射率廓线；利用分层高度上的垂直风速计算
Figure GDA0003344542500000011
频率，并利用
Figure GDA0003344542500000012
频率反演虚位温廓线；
步骤三，求解最终输出变量，利用步骤二获得的气压廓线、湿折射率廓线和虚位温廓线，构造以各层高度处气温和比湿为未知量、各层高度处湿折射率和虚位温为因变量的二元非线性方程组，求解所述二元非线性方程组，剔除复数解和非物理含义解，得到各层高度处气温和比湿，形成对流层温湿廓线。
上述方案中，步骤一中，GNSS天线位置处气象参数包括气温T0、气压P0和比湿q0；实时精密单点定位包括GNSS天线位置处的经度lon、纬度lat和高程h0，由GNSS定位过程获得；天顶总延迟ZTD，由GNSS定位过程中通过参数估计获得；分层高度上的垂直风速表示为wi(t)，wi表示第i层高度处的垂直风速，为一个时间序列，t代表时间。
上述方案中，步骤二中，计算气压廓线的具体方法如下：
对流层大气高度hi处的气压Pi由下式进行计算：
Figure GDA0003344542500000021
其中，T0、P0分别为GNSS天线位置处的气温和气压，h0为GNSS天线位置处的高程。
上述方案中，步骤二中计算斜路径总延迟的具体方法如下：
(1)由Saastamoninen模型计算天顶干延迟ZHD：
Figure GDA0003344542500000022
其中，lat为GNSS天线位置处的纬度，P0为GNSS天线位置处的气压；
(2)提取天顶湿延迟ZWD：
ZWD＝ZTD-ZHD (3)
其中，ZTD为天顶总延迟；
(3)计算斜路径干延迟观测值
Figure GDA0003344542500000023
和斜路径湿延迟观测值
Figure GDA0003344542500000024
由映射函数将ZHD、ZWD分别映射到各卫星斜路径方向，得到：
Figure GDA0003344542500000025
其中，
Figure GDA0003344542500000026
为卫星Sati的仰角，
Figure GDA0003344542500000027
为干项映射函数，
Figure GDA0003344542500000028
为湿项映射函数；(4)计算各颗卫星的斜路径总延迟观测值
Figure GDA0003344542500000029
Figure GDA00033445425000000210
上述方案中，步骤二中反演湿折射率廓线的具体方法如下：
首先，构造候选的折射率廓线Ni，利用构造的折射率廓线Ni进行射线追踪或抛物方程仿真，得到各颗卫星的斜路径总延迟的理论值，记为
Figure GDA0003344542500000031
然后，计算斜路径总延迟的理论值和观测值之间的均方根误差，选择最小的均方根误差对应的折射率廓线为最优解
Figure GDA0003344542500000032
即
Figure GDA0003344542500000033
其中，
Figure GDA0003344542500000034
为各颗卫星的斜路径总延迟的观测值，
Figure GDA0003344542500000035
为各颗卫星的斜路径总延迟的理论值和观测值之间的均方根误差函数；
最后，计算湿折射率廓线：
折射率廓线的最优解
Figure GDA0003344542500000036
由干项
Figure GDA0003344542500000037
和湿项
Figure GDA0003344542500000038
组成，其中，干项
Figure GDA0003344542500000039
由Hopfield模型进行近似：
Figure GDA00033445425000000310
其中，hi是第i层的高度，h0为GNSS天线位置处的高度，T0为GNSS天线位置处的气温；湿项
Figure GDA00033445425000000311
由下式获得：
Figure GDA00033445425000000312
不同层高度处的湿项
Figure GDA00033445425000000313
形成湿折射率廓线。
上述方案中，步骤二中，计算
Figure GDA00033445425000000314
频率的具体方法如下：
对测风激光雷达测得高度hi处的垂直风速wi(t)进行傅里叶变换，频谱最大幅值对应的频率即为高度hi处的
Figure GDA00033445425000000315
频率NBV,i：
Figure GDA00033445425000000316
其中，
Figure GDA00033445425000000317
为傅里叶变换。
上述方案中，步骤二中，反演虚位温廓线的具体方法如下：
(1)计算GNSS天线位置处的虚位温θv,0：
Figure GDA00033445425000000318
其中，Pk为1000hPa，T0、P0和q0分别为GNSS天线位置处的气温、气压和比湿；
(2)反演第i层高度处的虚位温θv,i：
由
Figure GDA0003344542500000041
频率NBV,i与虚位温θv,i之间的关系，有：
Figure GDA0003344542500000042
其中，g为重力加速度，hi是第i层的高度，hi-1是第i-1层的高度，h0为GNSS天线位置处的高度，θv,i-1为第i-1层高度处的虚位温；
根据(11)式，由θv,0依次计算得到不同高度hi处的虚位温θv,i，形成虚位温廓线。
上述方案中，步骤三中，构造二元非线性方程组的具体方法如下：
由于各层高度hi处的虚位温θv,i、气温Ti、比湿qi、气压Pi和水汽压ei之间存在如下关系：
Figure GDA0003344542500000043
其中，Pk为1000hPa，，比湿qi单位为kg/kg；
由(12)式可知，虚位温θv,i是气温Ti、气压Pi和比湿qi的函数，由于气压Pi在步骤二中已经获得，此时将虚位温θv,i简化为气温Ti和比湿qi的二元函数，记为Fi 1(Ti,qi)：
Figure GDA0003344542500000044
湿折射率
Figure GDA0003344542500000045
是气温Ti、气压Pi和比湿qi的函数：
Figure GDA0003344542500000046
由于气压Pi在步骤二中已经获得，此时将湿折射率
Figure GDA0003344542500000047
简化为气温Ti和比湿qi的二元函数，记为Fi 2(Ti,qi)：
Figure GDA0003344542500000051
联立式(13)和(15)，得到以气温Ti和比湿qi为自变量，虚位温θv,i和湿折射率
Figure GDA0003344542500000052
为因变量的二元非线性方程组：
Figure GDA0003344542500000053
进一步的技术方案中，步骤三中，求解对流层温湿廓线的具体方法如下：
采用数值方法求解式(16)所列二元非线性方程组，对于多解情况，首先剔除复数解，其次依据气温Ti垂直分布趋势和比湿qi分布规律剔除非物理含义解，得到最终输出的不同高度处的气温Ti和比湿qi，形成对流层温湿廓线。
通过上述技术方案，本发明提供的一种联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法具有如下有益效果：
本发明将GNSS对流层延迟和测风激光雷达分层高度上的垂直风速两种基础观测量相结合，在GNSS接收机和测风激光雷达原有的定位和测风功能基础上，扩展出对流层大气温湿廓线反演探测的新功能。考虑到目前的陆基和海基气象观测平台，通常安装有气象要素传感器、GNSS接收机和测风激光雷达中的一种或多种，本发明能够在气象观测平台已有仪器设备基础上，通过补充缺少的气象要素传感器、GNSS接收机或测风激光雷达，并增加数据处理单元和算法软件，较为便捷地实现单站对流层大气温湿廓线反演探测功能。该方式设备安装和维护的成本低，能够为大规模组网观测，尤其是海洋浮标网系统观测提供技术支撑。
本发明通过实时精密单点定位方式实现GNSS对流层延迟的实时获取，通过测风激光雷达实时测量分层高度上的垂直风速，并结合气象要素传感器实时测量的气象要素对上述两种基础观测量进行处理。在实际的应用场景中，根据对流层温湿廓线数据使用者对数据实时性的需求配置具备相应计算能力的数据处理单元，并根据数据使用者对精度的需求设置数据处理过程中参数优化算法的取值范围、约束条件、收敛标准等，实现对流层温湿廓线的实时或近实时输出。相对于传统探空探测方式，具有更高的时空分辨率和显著的灵活性。
本发明在对GNSS对流层延迟观测量进行数据处理的过程中采用参数优化方式获取对流层大气湿折射率廓线，结合对测风激光雷达分层高度上的垂直风速观测量进行数据处理并获取的虚位温廓线，构造二元非线性方程组并进行数值求解，得到最终输出的温湿廓线。该方式不依赖于历史探空数据，相对于其他建立在历史探空数据基础上的训练或回归建模方法，例如微波辐射计普遍采用的神经网络建模反演工作模式，该方法具有更高的普适性，例如对于缺乏历史探空资料的海基观测平台，则同样适用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所涉及的主要设备组成与安装形式示意图；
图2为本发明实施例所公开的一种联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法流程示意图；
图中，1、GNSS天线；2、测风激光雷达；3、气压传感器；4、温湿度传感器；5、GNSS接收机；6、数据处理单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种联合GNSS与测风激光雷达2的对流层温湿廓线反演方法，如图1所示，采用的设备组成包括GNSS天线1、测风激光雷达2、气压传感器3、温湿度传感器4、GNSS接收机5和数据处理单元6。该设备可以安装在陆基观测平台或海基观测平台。其中，气压传感器3、温湿度传感器4、GNSS天线1和测风激光雷达2一般需安装至相同高度从而不互相遮挡，彼此间相对位置可根据安装平台的具体情况做适当调整。
具体地，由GNSS天线1接收GNSS卫星信号，通过GNSS接收机5进行定位并提取对流层天顶延迟；由测风激光雷达2测量分层高度处垂直风速；由气象要素传感器(气压传感器3和温湿度传感器4)测量安装位置处气温、比湿和气压。
由数据处理单元6接收来自气象要素传感器的气温、比湿和气压参数，接收来自GNSS接收机5的定位信息并计算各颗卫星斜路径总延迟，接收来自测风激光雷达2的分层高度处垂直风速，并进行后续的计算。
一种联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法，其输入数据采集自气压传感器3、温湿度传感器4、GNSS接收机5和测风激光雷达2，该方法的算法软件运行于数据处理单元6。对于已经具备气压传感器3、温湿度传感器4、GNSS接收机5或测风激光雷达2的测站，仅需增加数据处理单元6与相应的算法软件，即可较为便捷地实现对流层大气温湿廓线反演功能，设备安装维护成本较低。
如图2所示，反演方法包括如下步骤：
步骤一，获取基础观测量，包括：利用气象要素传感器测量GNSS天线1位置处气象参数，利用GNSS接收机5进行GNSS天线1位置处的实时精密单点定位，并估计天顶总延迟，利用测风激光雷达2测量分层高度上的垂直风速；
其中，GNSS天线位置处气象参数包括气温T0、气压P0和比湿q0；实时精密单点定位包括GNSS天线1位置处的经度lon、纬度lat和高程h0，由GNSS定位过程获得；天顶总延迟ZTD，由GNSS定位过程中通过参数估计获得；分层高度上的垂直风速表示为wi(t)，wi表示第i层高度处的垂直风速，为一个时间序列，t代表时间。
步骤二，提取中间变量，包括：根据GNSS天线位置处的气温和气压，利用压高方程计算气压廓线；根据天顶总延迟，利用映射函数计算斜路径总延迟；利用斜路径总延迟的理论值和观测值，结合数值仿真和参数优化方法反演湿折射率廓线；利用分层高度上的垂直风速计算
Figure GDA0003344542500000071
频率，并利用
Figure GDA0003344542500000078
频率反演虚位温廓线；
1、计算气压廓线的具体方法如下：
对流层大气高度hi处的气压Pi由下式进行计算：
Figure GDA0003344542500000072
其中，T0、P0分别为GNSS天线位置处的气温和气压，h0为GNSS天线位置处的高程。
2、计算斜路径总延迟的具体方法如下：
(1)由Saastamoninen模型计算天顶干延迟ZHD：
Figure GDA0003344542500000073
其中，lat为GNSS天线位置处的纬度，P0为GNSS天线位置处的气压；
(2)提取天顶湿延迟ZWD：
ZWD＝ZTD-ZHD (3)
其中，ZTD为天顶总延迟；
(3)计算斜路径干延迟观测值SHDsati,obs和斜路径湿延迟观测值SWDsati,obs：
由映射函数将ZHD、ZWD分别映射到各卫星斜路径方向，得到：
Figure GDA0003344542500000074
其中，
Figure GDA0003344542500000075
为卫星Sati的仰角，
Figure GDA0003344542500000076
为干项映射函数，
Figure GDA0003344542500000077
为湿项映射函数；(4)计算各颗卫星的斜路径总延迟观测值
Figure GDA0003344542500000081
Figure GDA0003344542500000082
3、反演湿折射率廓线的具体方法如下：
首先，构造候选的折射率廓线Ni，利用构造的折射率廓线Ni进行射线追踪或抛物方程仿真，得到各颗卫星的斜路径总延迟的理论值，记为
Figure GDA0003344542500000083
然后，计算斜路径总延迟的理论值和观测值之间的均方根误差，选择最小的均方根误差对应的折射率廓线为最优解
Figure GDA0003344542500000084
即
Figure GDA0003344542500000085
其中，
Figure GDA0003344542500000086
为各颗卫星的斜路径总延迟的观测值，
Figure GDA0003344542500000087
为各颗卫星的斜路径总延迟的理论值和观测值之间的均方根误差函数；
最后，计算湿折射率廓线：
折射率廓线的最优解
Figure GDA0003344542500000088
由干项
Figure GDA0003344542500000089
和湿项
Figure GDA00033445425000000810
组成，其中，干项
Figure GDA00033445425000000811
由Hopfield模型进行近似：
Figure GDA00033445425000000812
其中，hi是第i层的高度，h0为GNSS天线位置处的高度，T0为GNSS天线位置处的气温；湿项
Figure GDA00033445425000000813
由下式获得：
Figure GDA00033445425000000814
不同高度处的湿项
Figure GDA00033445425000000815
形成湿折射率廓线。
4、计算
Figure GDA00033445425000000816
频率的具体方法如下：
对测风激光雷达2测得高度hi处的垂直风速wi(t)进行傅里叶变换，频谱最大幅值对应的频率即为高度hi处的
Figure GDA00033445425000000817
频率NBV,i：
Figure GDA00033445425000000818
其中，
Figure GDA00033445425000000819
为傅里叶变换。
5、反演虚位温廓线的具体方法如下：
(1)计算GNSS天线位置处的虚位温θv,0：
Figure GDA0003344542500000091
其中，Pk为1000hPa，T0、P0和q0分别为GNSS天线1位置处的气温、气压和比湿；
(2)反演第i层高度处的虚位温θv,i：
由
Figure GDA0003344542500000092
频率NBV,i与虚位温θv,i之间的关系，有：
Figure GDA0003344542500000093
其中，g为重力加速度，hi是第i层的高度，hi-1是第i-1层的高度，h0为GNSS天线1位置处的高度，θv,i-1为第i-1层高度处的虚位温；
根据(11)式，由θv,0依次计算得到不同高度hi处的虚位温θv,i，形成虚位温廓线。
步骤三，求解最终输出变量，利用步骤二获得的气压廓线、湿折射率廓线和虚位温廓线，构造以各层高度处气温和比湿为未知量、各层高度处湿折射率和虚位温为因变量的二元非线性方程组，求解所述二元非线性方程组，剔除复数解和非物理含义解，得到各层高度处气温和比湿，形成对流层温湿廓线。
其中，构造二元非线性方程组的具体方法如下：
由于各层高度hi处的虚位温θv,i、气温Ti、比湿qi、气压Pi和水汽压ei之间存在如下关系：
Figure GDA0003344542500000094
其中，Pk为1000hPa，，比湿qi单位为kg/kg；
由(12)式可知，虚位温θv,i是气温Ti、气压Pi和比湿qi的函数，由于气压Pi在步骤二中已经获得，此时将虚位温θv,i简化为气温Ti和比湿qi的二元函数，记为Fi 1(Ti,qi)：
Figure GDA0003344542500000095
湿折射率
Figure GDA0003344542500000101
是气温Ti、气压Pi和比湿qi的函数：
Figure GDA0003344542500000102
由于气压Pi在步骤二中已经获得，此时将湿折射率
Figure GDA0003344542500000103
简化为气温Ti和比湿qi的二元函数，记为Fi 2(Ti,qi)：
Figure GDA0003344542500000104
联立式(13)和(15)，得到以气温Ti和比湿qi为自变量，虚位温θv,i和湿折射率
Figure GDA0003344542500000105
为因变量的二元非线性方程组：
Figure GDA0003344542500000106
采用数值方法求解式(16)所列二元非线性方程组，对于多解情况，首先剔除复数解，其次依据气温Ti垂直分布趋势和比湿qi分布规律剔除非物理含义解，得到最终输出的不同高度处的气温Ti和比湿qi，形成对流层温湿廓线。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，获取基础观测量，包括：利用气象要素传感器测量GNSS天线位置处气象参数，包括气温、气压和比湿；利用GNSS接收机进行实时精密单点定位并估计天顶总延迟；利用测风激光雷达测量分层高度上的垂直风速；
步骤二，提取中间变量，包括：根据GNSS天线位置处的气温和气压，利用压高方程计算气压廓线；根据天顶总延迟，利用映射函数计算斜路径总延迟；利用斜路径总延迟的理论值和观测值，结合数值仿真和参数优化方法反演湿折射率廓线；利用分层高度上的垂直风速计算
Figure FDA0003344542490000014
频率，并利用
Figure FDA0003344542490000015
频率反演虚位温廓线；
步骤三，求解最终输出变量，利用步骤二获得的气压廓线、湿折射率廓线和虚位温廓线，构造以各层高度处气温和比湿为未知量、各层高度处湿折射率和虚位温为因变量的二元非线性方程组，求解所述二元非线性方程组，剔除复数解和非物理含义解，得到各层高度处气温和比湿，形成对流层温湿廓线。
2.根据权利要求1所述的一种联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法，其特征在于，步骤一中，GNSS天线位置处气象参数包括气温T0、气压P0和比湿q0；实时精密单点定位包括GNSS天线位置处的经度lon、纬度lat和高程h0，由GNSS定位过程获得；天顶总延迟ZTD，由GNSS定位过程中通过参数估计获得；分层高度上的垂直风速表示为wi(t)，wi表示第i层高度处的垂直风速，为一个时间序列，t代表时间。
3.根据权利要求1所述的一种联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法，其特征在于，步骤二中，计算气压廓线的具体方法如下：
对流层大气高度hi处的气压Pi由下式进行计算：
Figure FDA0003344542490000011
其中，T0、P0分别为GNSS天线位置处的气温和气压，h0为GNSS天线位置处的高程。
4.根据权利要求1所述的一种联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法，其特征在于，步骤二中，计算斜路径总延迟的具体方法如下：
(1)由Saastamoninen模型计算天顶干延迟ZHD：
Figure FDA0003344542490000012
其中，lat为GNSS天线位置处的纬度，P0为GNSS天线位置处的气压；
(2)提取天顶湿延迟ZWD：
ZWD＝ZTD-ZHD (3)
其中，ZTD为天顶总延迟；
(3)计算斜路径干延迟观测值
Figure FDA0003344542490000021
和斜路径湿延迟观测值
Figure FDA0003344542490000022
由映射函数将ZHD、ZWD分别映射到各卫星斜路径方向，得到：
Figure FDA0003344542490000023
其中，
Figure FDA0003344542490000024
为卫星Sati的仰角，
Figure FDA0003344542490000025
为干项映射函数，
Figure FDA0003344542490000026
为湿项映射函数；
(4)计算各颗卫星的斜路径总延迟观测值
Figure FDA0003344542490000027
Figure FDA0003344542490000028
5.根据权利要求1所述的一种联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法，其特征在于，步骤二中，反演湿折射率廓线的具体方法如下：
首先，构造候选的折射率廓线Ni，利用构造的折射率廓线Ni进行射线追踪或抛物方程仿真，得到各颗卫星的斜路径总延迟的理论值，记为
Figure FDA0003344542490000029
然后，计算斜路径总延迟的理论值和观测值之间的均方根误差，选择最小的均方根误差对应的折射率廓线为最优解
Figure FDA00033445424900000210
即
Figure FDA00033445424900000211
其中，
Figure FDA00033445424900000212
为各颗卫星的斜路径总延迟的观测值，
Figure FDA00033445424900000213
为各颗卫星的斜路径总延迟的理论值和观测值之间的均方根误差函数；
最后，计算湿折射率廓线：
折射率廓线的最优解
Figure FDA00033445424900000214
由干项
Figure FDA00033445424900000215
和湿项
Figure FDA00033445424900000216
组成，其中，干项
Figure FDA00033445424900000217
由Hopfield模型进行近似：
Figure FDA00033445424900000218
其中，hi是第i层的高度，h0为GNSS天线位置处的高度，T0为GNSS天线位置处的气温；湿项
Figure FDA00033445424900000219
由下式获得：
Figure FDA0003344542490000031
不同层高度处的湿项
Figure FDA0003344542490000032
形成湿折射率廓线。
6.根据权利要求1所述的一种联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法，其特征在于，步骤二中，计算
Figure FDA0003344542490000037
频率的具体方法如下：
对测风激光雷达测得高度hi处的垂直风速wi(t)进行傅里叶变换，频谱最大幅值对应的频率即为高度hi处的
Figure FDA0003344542490000038
频率NBV,i：
Figure FDA0003344542490000033
其中，
Figure FDA0003344542490000034
为傅里叶变换。
7.根据权利要求1所述的一种联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法，其特征在于，步骤二中，反演虚位温廓线的具体方法如下：
(1)计算GNSS天线位置处的虚位温θv,0：
Figure FDA0003344542490000035
其中，Pk为1000hPa，T0、P0和q0分别为GNSS天线位置处的气温、气压和比湿；
(2)反演第i层高度处的虚位温θv,i：
由
Figure FDA0003344542490000039
频率NBV,i与虚位温θv,i之间的关系，有：
Figure FDA0003344542490000036
其中，g为重力加速度，hi是第i层的高度，hi-1是第i-1层的高度，h0为GNSS天线位置处的高度，θv,i-1为第i-1层高度处的虚位温；
根据(11)式，由θv,0依次计算得到不同层高度hi处的虚位温θv,i，形成虚位温廓线。
8.根据权利要求1所述的一种联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法，其特征在于，步骤三中，构造二元非线性方程组的具体方法如下：
由于各层高度hi处的虚位温θv,i、气温Ti、比湿qi、气压Pi和水汽压ei之间存在如下关系：
Figure FDA0003344542490000041
其中，Pk为1000hPa，比湿qi单位为kg/kg；
由(12)式可知，虚位温θv,i是气温Ti、气压Pi和比湿qi的函数，由于气压Pi在步骤二中已经获得，此时将虚位温θv,i简化为气温Ti和比湿qi的二元函数，记为Fi 1(Ti,qi)：
Figure FDA0003344542490000042
湿折射率
Figure FDA0003344542490000043
是气温Ti、气压Pi和比湿qi的函数：
Figure FDA0003344542490000044
由于气压Pi在步骤二中已经获得，此时将湿折射率
Figure FDA0003344542490000045
简化为气温Ti和比湿qi的二元函数，记为Fi 2(Ti,qi)：
Figure FDA0003344542490000046
联立式(13)和(15)，得到以气温Ti和比湿qi为自变量，虚位温θv,i和湿折射率
Figure FDA0003344542490000047
为因变量的二元非线性方程组：
Figure FDA0003344542490000048
9.根据权利要求8所述的一种联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法，其特征在于，步骤三中，求解对流层温湿廓线的具体方法如下：
采用数值方法求解式(16)所列二元非线性方程组，对于多解情况，首先剔除复数解，其次依据气温Ti垂直分布趋势和比湿qi分布规律剔除非物理含义解，得到最终输出的不同高度处的气温Ti和比湿qi，形成对流层温湿廓线。
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