CN116559912A - 融合地基gnss水平梯度的空基掩星大气反演系统构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种融合地基GNSS水平梯度的空基掩星大气反演系统构建方法，能够构建高精度的大气水平梯度反演模型，建立可融合该水平梯度模型的空基掩星大气反演系统，以此来消除空基掩星低层大气反演中的球对称假设。首次提出了构建基于两者融合的高精度低层大气剖面反演系统的方法，以最大化发挥它们之间的互补性，同时提出利用实测的空基实验数据，完成基于新提出方法的掩星大气反演，与实验期间探空气球结果做比对，完成对该反演系统的有效性的分析论证和改善，最终构建一套融合地基GNSS大气反演结果的空基掩星探测系统。
Description
技术领域
本发明涉及大气反演技术领域，具体涉及一种融合地基GNSS水平梯度的空基掩星大气反演系统构建方法。
背景技术
随着地基GNSS技术的发展，以及包含我国北斗在内的新一代的GNSS的不断发展和完善，基于多系统的地基GNSS观测值在空间分布上更加均匀，为研究大气各向异性分布提供了丰富的观测信息。北斗卫星导航系统作为我国自主开发的卫星导航系统，在大气探测领域有着极为广泛应用前景，特别是我国北斗系统的地球同步轨道静止卫星(Geosynchronous Earth Orbit，GEO)，因其信号穿过大气的路径保持不变，从而可以将斜路径总延迟作为一个参数直接估计，而不需要借助天顶延迟和映射函数的方式。理论上讲，利用GEO直接求解的斜路径延迟比映射法得到的斜路径大气延迟具有更高的精度，可以对其它GNSS卫星(非GEO)求解的梯度参数精度进行分析验证。同时，多系统GNSS的发展也使得掩星接收机在数目不变的情况下，掩星事件数目成倍增加，大大提高掩星反演大气折射率的精度和时空分辨率。
但是，目前地基GNSS大气反演的研究重点在于如何获得高精度的大气可降水量(precipitable water vapor，PWV)，对于不同地形和天气状况下的水平梯度模型缺乏深入研究。同时，对于如何融合外部大气梯度信息，以提高空基掩星在10km以下具有丰富水汽含量的低层大气反演精度，也缺乏系统的理论研究和实验验证。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种融合地基GNSS水平梯度的空基掩星大气反演系统构建方法，能够构建高精度的大气水平梯度反演模型，建立可融合该水平梯度模型的空基掩星大气反演系统，以此来消除空基掩星低层大气反演中的球对称假设。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种融合地基GNSS水平梯度的空基掩星大气反演系统构建方法，包括如下步骤：
基于ERA5大气再分析资料的水平梯度特性进行建模分析，得到大气水平梯度的时空变化特性；估计地基GNSS大气水平梯度参数；基于克里金插值方法进行大气水平梯度格网建模；
利用传统掩星反演方法求得总的大气弯曲角、碰撞参数及掩星切点，同时采用传统方法确定大气折射率；对ERA5利用射线追踪的方法求解大气弯曲角和大气折射率，对比分析采用球对称假设的方式确定的大气弯曲角和大气折射率，研究球对称假设对掩星反演的误差影响的规律；确定最优的球基掩星反演方法，在完成总弯曲角计算后，利用Abel变换求解大气折射率；对融合先验梯度信息的Abel逆变换大气反演方法采用模拟的新的空基掩星事件对其进行精度验证，若精度验证不合格则重新仿真空基掩星实验，融合新的先验梯度信息，寻求最优的融合先验信息的球基掩星反演方法，直到精度验证合格，最终确定最佳的融合先验信息的球基掩星反演方法。
其中，在利用GNSS相位和振幅观测值进行信号弯曲角计算过程中，首先利用大气梯度模型对大气折射中心进行修正，使得局部大气在修正的大气折射中心和掩星切点连线两侧大致符合大气球对称假设，从而利用传统掩星反演方法求得总的大气弯曲角、碰撞参数及掩星切点。
其中，通过在大气弯曲角积分公式中添加大气水平梯度信息，推导包含该先验信息的Abel逆变换公式，得到融合先验梯度信息的大气折射率计算公式。
其中，基于ERA5大气再分析资料的水平梯度特性进行建模分析的具体分析方法为：对ERA5利用ray-tracing方法求解测站上空不同观测高度角和方位角的斜路径大气延迟和测站天顶总延迟，对包含梯度模型、斜路径延迟和天顶延迟的方程利用最小二乘求解一阶梯度参数；对忽略高阶梯度参数的一阶梯度模型的精度进行分析，在该一阶梯度基础上考虑引入高阶梯度参数模型，比对一阶梯度模型和高阶模型的精度以及其在不同天气和地形条件下的适用性；利用确定的最佳大气水平梯度模型分析在不同地形和天气条件下，大气水平梯度的时空变化特性。
其中，估计地基GNSS大气水平梯度参数的具体过程为：对现有的GNSS数据处理软件中的大气梯度模型进行修改；基于区域CORS网，采用选定的最佳时间分辨率对该区域测站上空的大气梯度参数进行估计；研究直接计算北斗GEO卫星大气斜路径延迟的方法，同ERA5计算的结果进行比对，分析GEO卫星的观测特点在反演斜路径延迟上具有的优势；利用大气再分析资料求得区域大气梯度参数作为参考值，对不同数据处理策略解算的大气梯度参数的精度差异进行综合分析，确定基于地基GNSS反演大气水平梯度的最优方法。
其中，利用基于GNSS反演的大气梯度参数值建立梯度参数的格网模型，利用未参与建模的GNSS测站反演的大气梯度值验证格网模型的精度，如果精度验证不合格，则重新选取合适的数据处理策略，重复估计地基GNSS大气水平梯度参数中，确定最优的地基GNSS反演大气水平梯度的方法，直到精度验证合格，最终确定最佳的GNSS水平梯度反演及建模的方法。
有益效果：
1、本发明通过研究高精度的大气水平梯度值反演及建模，提出了一种融合地基GNSS水平梯度模型的空基GNSS掩星大气反演系统构建方法，充分顾及了无论是地基还是空基GNSS大气反演中，存在的在某些方面的优势和局限性，利用地基和空基GNSS技术的观测特点，首次提出了构建基于两者融合的高精度低层大气剖面反演系统的方法，以最大化发挥它们之间的互补性，同时提出利用实测的空基实验数据，完成基于新提出方法的掩星大气反演，与实验期间探空气球结果做比对，完成对该反演系统的有效性的分析论证和改善，最终构建一套融合地基GNSS大气反演结果的空基掩星探测系统。融合空基和地基GNSS掩星获取的大气资料在局部地区的大气探测、气象服务、海洋/大气耦合过程研究中具有十分重要的科研和应用价值。
2、本发明利用地基GNSS不同方位角和高度角观测值，求解蕴含大气三维各向异性分布信息的斜路径大气总延迟，包含天顶对流层延迟(Zenith Tropospheric Delay，ZTD)，映射函数以及表达大气水平梯度参数的函数模型，构建高精度的大气水平梯度反演模型，建立可融合该水平梯度模型的空基掩星大气反演系统，以此来消除空基掩星低层大气反演中的球对称假设，同时可利用空基GNSS掩星观测实验数据综合分析和验证新方法的有效性。
3、本发明中，为了构建融合大气水平梯度信息的空基GNSS大气反演方法，本公开首先分析大气水平梯度的时空变化特性，为研究基于地基GNSS的大气梯度模型提供基础数据和理论参考；同时分析大气球对称假设对空基GNSS反演的弯曲角及大气折射率误差的影响，为构建融合地基GNSS水平梯度的空基GNSS掩星大气反演系统的理论体系奠定基础。
4、基于GNSS反演的大气梯度参数只是测站上方的梯度参数，为方便后续融合梯度模型的掩星大气反演，需要利用这些站点的参数值建立梯度参数的格网模型，本发明利用未参与建模的GNSS测站反演的大气梯度值验证格网模型的精度，如果精度验证不合格，则重新选取合适的数据处理策略，满足精度要求。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
基于低轨卫星的导航定位系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)掩星技术具有高垂直分辨率、高精度、全球覆盖和全天候观测等优点，其反演得到的大气参数在气象预报以及气候变化研究中发挥着十分重要的作用，在科研、国民经济上都有重要价值。但受低轨掩星观测特点及星座数目限制，星基GNSS掩星无法实现对特定区域的有效连续监测；同时，受卫星载荷重量限制的制约，星基GNSS掩星天线的信号增益有限，在水汽含量丰富的对流层底部容易发生信号失锁。然而，以飞艇、高空气球飞行器或者飞机为载体的空基GNSS掩星大气探测技术，则可有效克服传统星基掩星地面位置难以控制和低层大气观测质量相对较差的问题，从而实现对特定区域大气剖面的连续监测。相较于卫星平台，空基观测平台对载荷的重量限制相对宽松，可设计并订制高增益的掩星天线实现对流层底部的连续稳定观测。因此，空基GNSS掩星获取的大气资料在局部地区的大气探测、气象服务、海洋/大气耦合过程研究中具有十分重要的科研和应用价值。
传统空基掩星大气反演算法是建立在地球大气分布满足局部球对称假设的基础之上，即在地球引力场和自转条件下，假设流体静力学成立，那么大气折射率的梯度仅存在径向变化，而在水平方向无变化。虽然球对称假设从长时间和大范围统计结果来看是合理的，但在地形复杂的地区，例如海陆交界、山峦起伏或云层覆盖存在锋面和逆温层的地区，大气折射率水平不均匀性还是很明显的，如果不考虑这种不均匀性的影响，将会在反演得到的弯曲角和大气折射率中引入明显的误差。在不考虑水汽存在的情况下，大气球对称假设对于星基掩星反演结果会引入大约2％的误差，在水汽含量丰富的低层大气中，球对称假设引入的误差会明显增大且存在较大的变化，近地面处的最大误差可能达到10％左右。忽略大气水平梯度不仅会影响弯曲角的计算结果，还会使得星基GNSS掩星事件的掩星切点和碰撞参数出现较大计算偏差。在空基GNSS掩星探测中，球对称假设对于反演结果的影响会更大，这主要因为：(1)一次典型的星基GNSS掩星事件中掩星切点穿越0-10km高度范围只需大约30s时间，这个过程中掩星切点的水平方向漂移只有大约0-60km；但是对于空基掩星大气探测，一次掩星事件中掩星切点穿越0-10km高度范围需要大约几分钟到数十分钟，整个过程中掩星切点的水平漂移可达到200-500km。因此空基掩星事件反演需要在更大空间范围内假设球对称成立，从而使得水平梯度的存在对于反演精度的影响更为显著和难以忽略。(2)空基掩星反演算法是在星基掩星基础上发展起来的，较之于星基掩星引入了部分弯曲角概念。部分弯曲角是指空基掩星接收机高度之下的大气层折射造成的信号弯曲，它是通过同时观测负仰角和正仰角的射线，根据两个射线的弯曲角之差确定，这个过程仍是建立在大气无水平梯度的假设之上的。以上两种因素使得空基掩星反演对大气球对称假设更为依赖，也使得反演结果对大气水平梯度的影响更为敏感。无论是采用几何光学反演，还是正则变换和后向传播等方法，都无法避免球对称假设与实际大气状况不符所带来的误差。
本公开提出了一种构建融合地基GNSS水平梯度的空基掩星大气反演系统的理论方法如图1所示，首先依据模拟实验数据分析大气水平梯度对于10km以下低层大气反演的误差影响，同时建立基于多系统GNSS的大气水平梯度最优模型和数据解算策略；确定基于多地面测站反演的大气梯度格网化建模方法，利用先验梯度模型以提高弯曲角、碰撞参数和掩星切点的计算精度，提出具有普适性的融合先验大气梯度模型的Abel变换算法；利用实验数据完成方法的验证和优化。详细内容如下：
(1)基于ERA5大气再分析资料的水平梯度特性进行建模分析，得到大气水平梯度的时空变化特性。具体如下：
球对称假设不考虑大气水平梯度影响，则信号传播的斜路径的中性大气延迟可表示为天顶方向上对流层总延迟与映射函数的乘积。而大气水平梯度的影响则可以在上述基础上添加一阶梯度模型加以描述。这种基于天顶对流层总延迟、映射函数和一阶梯度参数的模型广泛应用地基GNSS的数据处理当中。针对大气水平梯度的时空变化特性及建模方法，利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的ERA5大气再分析资料展开研究。具体分析方法为：(a)对ERA5利用ray-tracing方法求解测站上空不同观测高度角和方位角的斜路径大气延迟和测站天顶总延迟，对包含梯度模型、斜路径延迟和天顶延迟的方程利用最小二乘求解一阶梯度参数；(b)对忽略高阶梯度参数的一阶梯度模型的精度进行分析，在该一阶梯度基础上考虑引入可以更加精确描述大气不均匀分布的高阶梯度参数模型，比对常用一阶梯度模型和高阶模型的精度以及其在不同天气和地形条件下的适用性；(c)利用确定的最佳大气水平梯度模型分析在不同地形和天气条件下，大气水平梯度的时空变化特性，为后续GNSS反演梯度参数和建模提供理论参考。
(2)估计地基GNSS大气水平梯度参数。具体如下：
根据上述内容的相关结论，对现有的GNSS数据处理软件中的大气梯度模型进行修改；基于区域CORS网，采用选定的最佳时间分辨率对该区域测站上空的大气梯度参数进行估计；研究直接计算北斗GEO卫星大气斜路径延迟的方法，同ERA5计算的结果进行比对，分析GEO卫星的观测特点在反演斜路径延迟上具有的优势；利用大气再分析资料求得区域大气梯度参数作为参考值，对不同数据处理策略(差分网解和精密单点定位)解算的大气梯度参数的精度差异进行综合分析，确定基于地基GNSS反演大气水平梯度的最优方法。
(3)基于克里金插值方法进行大气水平梯度格网建模。具体如下：
基于GNSS反演的大气梯度参数只是测站上方的梯度参数，为方便后续融合梯度模型的掩星大气反演，需要利用这些站点的参数值建立梯度参数的格网模型，利用未参与建模的GNSS测站反演的大气梯度值验证格网模型的精度，如果精度验证不合格，则重新选取合适的数据处理策略，重复步骤(2)中的确定最优的地基GNSS反演大气水平梯度的方法，直到精度验证合格，最终确定最佳的GNSS水平梯度反演及建模的方法。
(4)融合先验大气梯度模型的空基掩星大气反演仿真分析。通过ERA5仿真空基掩星事件，根据以下步骤开展：
(a)在利用GNSS相位和振幅观测值进行信号弯曲角计算过程中，首先利用大气梯度模型对大气折射中心进行修正，使得局部大气在修正的大气折射中心和掩星切点连线两侧大致符合大气球对称假设，从而利用传统掩星反演方法求得总的大气弯曲角、碰撞参数及掩星切点，同时采用传统方法确定大气折射率。(b)对ERA5利用射线追踪的方法求解大气弯曲角和大气折射率，对比分析采用球对称假设的方式确定的大气弯曲角和大气折射率，研究球对称假设对掩星反演的误差影响的规律，为确定最佳的掩星大气反演方法提供理论研究基础。(c)对球对称假设对掩星反演的误差影响有了充分研究后，需要确定最优的球基掩星反演方法，在完成总弯曲角计算后，需要利用Abel变换求解大气折射率。传统的Abel变换是假定折射率在水平方向无梯度，从而将弯曲角的积分公式简化为只包含大气折射率在径向方向的梯度信息。通过在大气弯曲角积分公式中添加大气水平梯度信息，推导包含该先验信息的Abel逆变换公式，从而得到融合了先验梯度信息的大气折射率计算公式。(d)对融合先验梯度信息的Abel逆变换大气反演方法采用模拟的新的空基掩星事件对其进行精度验证，若精度验证不合格则重新仿真空基掩星实验，融合新的先验梯度信息，寻求最优的融合先验信息的球基掩星反演方法，直到精度验证合格，最终确定最佳的融合先验信息的球基掩星反演方法。
针对本发明方法，还进行了实验验证与算法优化。具体如下：
利用实测的空基实验数据，完成基于新提出方法的掩星大气反演。与实验期间探空气球结果做比对，完成对方法的有效性的分析论证和精度验证，若精度验证不合格则重新进行上述步骤，直到精度验证合格最终构建出一套最优的融合地基GNSS大气反演结果的空基和星基GNSS掩星探测方法。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (6)
1.一种融合地基GNSS水平梯度的空基掩星大气反演系统构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
基于ERA5大气再分析资料的水平梯度特性进行建模分析，得到大气水平梯度的时空变化特性；估计地基GNSS大气水平梯度参数；基于克里金插值方法进行大气水平梯度格网建模；
利用传统掩星反演方法求得总的大气弯曲角、碰撞参数及掩星切点，同时采用传统方法确定大气折射率；对ERA5利用射线追踪的方法求解大气弯曲角和大气折射率，对比分析采用球对称假设的方式确定的大气弯曲角和大气折射率，研究球对称假设对掩星反演的误差影响的规律；确定最优的球基掩星反演方法，在完成总弯曲角计算后，利用Abel变换求解大气折射率；对融合先验梯度信息的Abel逆变换大气反演方法采用模拟的新的空基掩星事件对其进行精度验证，若精度验证不合格则重新仿真空基掩星实验，融合新的先验梯度信息，寻求最优的融合先验信息的球基掩星反演方法，直到精度验证合格，最终确定最佳的融合先验信息的球基掩星反演方法。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在利用GNSS相位和振幅观测值进行信号弯曲角计算过程中，首先利用大气梯度模型对大气折射中心进行修正，使得局部大气在修正的大气折射中心和掩星切点连线两侧大致符合大气球对称假设，从而利用传统掩星反演方法求得总的大气弯曲角、碰撞参数及掩星切点。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过在大气弯曲角积分公式中添加大气水平梯度信息，推导包含该先验信息的Abel逆变换公式，得到融合先验梯度信息的大气折射率计算公式。
4.如权利要求1-3任意一项所述的方法，其特征在于，基于ERA5大气再分析资料的水平梯度特性进行建模分析的具体分析方法为：对ERA5利用ray-tracing方法求解测站上空不同观测高度角和方位角的斜路径大气延迟和测站天顶总延迟，对包含梯度模型、斜路径延迟和天顶延迟的方程利用最小二乘求解一阶梯度参数；对忽略高阶梯度参数的一阶梯度模型的精度进行分析，在该一阶梯度基础上考虑引入高阶梯度参数模型，比对一阶梯度模型和高阶模型的精度以及其在不同天气和地形条件下的适用性；利用确定的最佳大气水平梯度模型分析在不同地形和天气条件下，大气水平梯度的时空变化特性。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，估计地基GNSS大气水平梯度参数的具体过程为：对现有的GNSS数据处理软件中的大气梯度模型进行修改；基于区域CORS网，采用选定的最佳时间分辨率对该区域测站上空的大气梯度参数进行估计；研究直接计算北斗GEO卫星大气斜路径延迟的方法，同ERA5计算的结果进行比对，分析GEO卫星的观测特点在反演斜路径延迟上具有的优势；利用大气再分析资料求得区域大气梯度参数作为参考值，对不同数据处理策略解算的大气梯度参数的精度差异进行综合分析，确定基于地基GNSS反演大气水平梯度的最优方法。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，利用基于GNSS反演的大气梯度参数值建立梯度参数的格网模型，利用未参与建模的GNSS测站反演的大气梯度值验证格网模型的精度，如果精度验证不合格，则重新选取合适的数据处理策略，重复估计地基GNSS大气水平梯度参数中，确定最优的地基GNSS反演大气水平梯度的方法，直到精度验证合格，最终确定最佳的GNSS水平梯度反演及建模的方法。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117630999A (zh) * | 2024-01-26 | 2024-03-01 | 长沙北斗产业安全技术研究院股份有限公司 | 一种基于自适应移动式空地协同增强定位方法及系统 |
| CN118348618A (zh) * | 2024-06-18 | 2024-07-16 | 天津云遥宇航科技有限公司 | 基于gnss掩星数据切点轨迹确定台风眼位置的方法 |
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2023
- 2023-02-17 CN CN202310132765.XA patent/CN116559912A/zh active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117630999A (zh) * | 2024-01-26 | 2024-03-01 | 长沙北斗产业安全技术研究院股份有限公司 | 一种基于自适应移动式空地协同增强定位方法及系统 |
| CN117630999B (zh) * | 2024-01-26 | 2024-04-05 | 长沙北斗产业安全技术研究院股份有限公司 | 一种基于自适应移动式空地协同增强定位方法及系统 |
| CN118348618A (zh) * | 2024-06-18 | 2024-07-16 | 天津云遥宇航科技有限公司 | 基于gnss掩星数据切点轨迹确定台风眼位置的方法 |
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