CN215953863U - 北斗/gnss水汽实时反演装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种北斗/GNSS水汽实时反演装置，包括北斗/GNSS天线、嵌入式核心板，以及与所述嵌入式核心板连接的基带信号处理模块、B2b信号解析模块、网络通信模块、气象数据采集器、北斗三号短报文模块、显示模块和电源模块，所述嵌入式核心板包括依次连接的PPP模块、水汽反演模块和存储模块，所述PPP模块与所述基带信号处理模块、所述B2b信号解析模块和所述网络通信模块相连，所述北斗/GNSS天线通过射频前端模块与所述基带信号处理模块连接，所述北斗/GNSS天线连接所述B2b信号解析模块，所述网络通信模块、所述气象数据采集器、所述北斗三号短报文模块连接所述水汽反演模块。本申请装置集探测与处理一体化，能实时反演水汽产品，对环境要求较低。

Description

北斗/GNSS水汽实时反演装置

技术领域

本申请属于GNSS气象学技术领域，尤其涉及北斗/GNSS水汽实时反演装置。

背景技术

大气温室效应和水循环是地球生命存在的两个关键因素，水汽在两个因素中扮演着极其重要的角色，水汽的蒸发、凝结和移动带来潜热能的储存、释放和转移是天气和气候系统变化的主要驱动力，实现高时效、高精度的大气水汽探测对于强对流极端天气的监测、预警和预报具有重要意义。

传统的水汽观测方式如无线探空仪、微波辐射计存在时间分辨率过低或空间分辨率过低等缺陷，地基GNSS反演水汽的手段则能够有效弥补传统手段的缺陷，然而目前的地基GNSS水汽反演的设备存在以下问题。

(1)大多采用中心服务器集中处理的模式，即台站处通过数据通信网络定时、实时或按数据中心的要求(询问方式)将观测数据传输至中心服务器，中心服务器再集中处理得到水汽产品。集中式处理时效一般在半小时至一小时左右，时效性不足，且一旦中心服务器出现故障，容易造成产品的整体缺失，不利于系统的业务化连续运行。

(2)专利CN 104714239A公开了一种北斗卫星大气层水汽含量测量仪，但该发明创造没有实现水汽反演接收机的嵌入式开发，仅在台站处外置一台计算机，且水汽反演模块与接收机分离，测量仪器组成较为复杂，功耗与成本都较高。

(3)目前的水汽反演大部分针对GPS，仅有少部分针对北斗，随着中国北斗三号全球系统组网的建成，有必要开发以北斗三号全球系统为主的GNSS多系统的水汽反演设备。

(4)无法脱离地面通信网络。当前的实时水汽监测都必须依靠网络接入实时钟差和实时卫星轨道产品，同时产品的传输也必须依赖网络遵照协议进行传输，那么在海洋、无人区或网络环境较差的山区等地，此类水汽监测设备受到网络条件的制约无法实现数据高精度解算和产品回传。

实用新型内容

本申请提供北斗/GNSS水汽实时反演装置，该装置集探测与处理一体化，能实时反演水汽产品，对环境要求较低，不依赖通信网络。

根据本申请实施例的一方面，提供一种北斗/GNSS水汽实时反演装置，包括北斗/GNSS天线、嵌入式核心板，以及与所述嵌入式核心板连接的基带信号处理模块、B2b信号解析模块、网络通信模块、气象数据采集器、北斗三号短报文模块、显示模块和电源模块，所述嵌入式核心板包括依次连接的PPP模块、水汽反演模块和存储模块，所述PPP模块与所述基带信号处理模块、所述B2b信号解析模块和所述网络通信模块相连，所述北斗/GNSS天线、所述射频前端模块、所述基带信号处理模块依次连接，所述北斗/GNSS天线连接所述B2b信号解析模块，所述网络通信模块、所述气象数据采集器、所述北斗三号短报文模块连接所述水汽反演模块。

在一些示例中，所述嵌入式核心板连接还连接有串口通信模块。

在一些示例中，所述北斗/GNSS天线接收包括北斗、GPS、GLONASS、 GALILEO的信号。

本申请的北斗/GNSS水汽实时反演装置具有以下特点：

(1)实现以北斗为主的GNSS多系统的水汽反演，这打破了水汽反演以GPS 为主的垄断局面，该反演装置能够完全实现国产化，为中国北斗水汽反演的建设提供了技术装备支撑。

(2)本申请的装置采用嵌入式核心板作为处理平台，实现从信号接收、信号处理、水汽反演、水汽产品播发完全一体式的运行模式，不需要外置计算机，也不要远距离传输数据进行集中式处理。

(3)本申请的装置实现了水汽的实时反演，高精度、短时效的PPP处理模块保证了反演水汽产品的实时性。

(4)本申请的装置能够在无通信网络环境下，依靠北斗三号B2b与短报文服务，实现北斗/GNSS水汽的反演与传输。不依赖通信网络使得该装置对环境要求较低，具有良好的适应能力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1示出了北斗/GNSS水汽实时反演装置框图。

图2示出了北斗/GNSS数据预处理流程图。

图3示出了ZTD估计具体技术路线。

图4示出了气压改正流程图。

具体实施方式

图1展示了一种北斗/GNSS水汽实时反演装置框图，所述装置包括射频前端模块2、基带信号处理模块3、B2b信号解析模块4、网络通信模块5、气象数据采集器8、北斗三号短报文模块10、嵌入式核心板13、串口通信模块14、显示模块15以及电源模块16。

基带信号处理模块3、B2b信号解析模块4、网络通信模块5、气象数据采集器8、北斗三号短报文模块10、串口通信模块14、显示模块15、电源模块16 与嵌入式核心板13相连。

嵌入式核心板13是整个装置的控制中心，用于自动控制原始数据流的运算存储、对流层产品、水汽产品的生成，以及与显示模块15的人机交互。显示模块15为液晶触摸显示屏，通过搭载板载加速度计支持旋转和倾斜功能。嵌入式核心板13包含依次连接的PPP模块6、水汽反演模块9和存储模块12。PPP模块6同时与基带信号处理模块3、B2b信号解析模块4和网络通信模块5相连。北斗/GNSS天线1、射频前端模块2、基带信号处理模块3依次连接。北斗/GNSS 天线1还连接B2b信号解析模块4。水汽反演模块9同时与网络通信模块5、气象数据采集器8、北斗三号短报文模块10相连。气象数据采集器8与气象传感器7相连。

北斗/GNSS天线1接收北斗/GNSS卫星原始信号，并将原始信号传给射频前端模块2，射频前端模块2对原始信号进行噪放、下变频处理，并将处理后得到的基带信号传给基带信号处理模块3，基带信号处理模块3对基带信号处理得到供PPP模块6使用的基带数字信号。其中射频前端模块2、基带信号处理模块 3均支持多系统信号处理。北斗/GNSS天线1接收的信号为多系统(包括北斗、 GPS、GLONASS、GALILEO)的信号，PPP模块6处理的是北斗或多系统的数据。

网络通信模块5用于传输接收高精度的北斗/GNSS卫星钟差和精密轨道实时数据流，并将接收到的钟差和轨道实时数据流传给PPP模块6。网络通信模块5可通过3G/4G/5G无线接收设备接入或者使用SIM卡完成与外界通信。

北斗/GNSS天线1还接收北斗三号GEO卫星B2b增强信号，并将信号传至 B2b信号解析模块4，B2b信号解析模块4按照B2b接口协议对接收到的B2b信号进行解码恢复得到北斗/GNSS的轨道钟差产品，并将轨道钟差产品传至PPP 模块6。

PPP模块6先对来自网络通信模块5的数据流、B2b信号解析模块4传输的 B2b数字信号以及基带信号处理模块3的基带数字信号进行编译和解码，其次使用编译解码得到的北斗/GNSS实时卫星钟差和精密轨道数据、北斗/GNSS实时观测数据进行精密单点定位得到实时对流层产品，之后将实时对流层产品传至水汽反演模块9。

气象传感器7将采集到的模拟信号传至气象数据采集器8，气象数据采集器 8将接收到的模拟信号转换成数字信号后传送至水汽反演模块9，水汽反演模块 9将接收到实时对流层产品和数字信号进行处理得到实时水汽产品，并将其传至北斗三号短报文模块10和存储模块12。北斗三号短报文模块10将实时水汽产品编译成短报文数据格式，并通过与其相连的北斗收发天线(短报文收发天线) 11将短报文播发出去。存储模块12用于实时存储北斗/GNSS原始观测数据、网络实时数据流、水汽解算结果等相关数据，为数据存储提供空间支持。

B2b信号解析模块4、网络通信模块5接收的是实时卫星钟差和轨道数据， PPP模块6进行的是实时非差精密单点定位处理，水汽反演模块9生成的是实时水汽产品。PPP模块6优先使用网络通信模块5接入的北斗/GNSS卫星钟差轨道数据流，在网络通信模块5网络较差或无网络环境时接入B2b信号解析模块4，保证网络较差或无网络环境北斗/GNSS的实时水汽反演正常运转。

水汽反演模块9生成的水汽产品优先使用网络通信模块5进行传输，在网络通信模块5网络较差或无网络环境时接入北斗三号短报文模块10进行短报文传输。

本申请北斗/GNSS水汽实时反演装置的软件平台以集成的、可移植的嵌入式核心板13为作为嵌入式软件平台，嵌入式核心板13为Linux操作系统。串口通信模块14主要用于嵌入式核心板13软件开发的调试工作和本地数据的通信。

电源模块16为反演装置各个功能模块提供稳定的电压。电源模块16为支持太阳能供电的蓄电池，在断电时保证设备或装置依旧能够正常运行。

下文将对本申请北斗/GNSS水汽实时反演装置的实时高精度卫星轨道钟差产品接入和质量控制、北斗/GNSS观测数据质量控制、象观测数据质量控制、北斗/GNSS高时效、高精度ZTD获取、高精度Tm-Ts模型建立、高精度大气水汽的反演进行详细说明。

(1)实时高精度卫星轨道钟差产品接入和质量控制

近年来，由于用户对实时产品的迫切需求，国内外众多研究院和商业机构能够提供实时服务，多个国际IGS分析中心(BKG、JPL、GFZ、WHU等)均提供 SSR信息格式播发包含实时轨道、钟差改正的NTRIP数据流。从传输时延和效率来考虑，本申请北斗/GNSS水汽实时反演装置可从中国国家北斗地基增强系统或武汉大学等数据源接入实时高精度北斗/GNSS卫星轨道钟差实时数据流，实时数据流接入后遵循RTCM协议对其进行解码，并按照一定的处理间隔对接入的卫星轨道钟差产品的粗差和异常值进行剔除。

(2)北斗/GNSS观测数据质量控制

完备的数据质量控制是获得高精度定位结果和保证状态估计器稳定性和可靠性的关键。实时PPP模式的GNSS数据预处理一般涉及到两方面的质量控制：与观测值质量相关的观测数据周跳探测和粗差剔除，以及与导航卫星观测时段相关的连续观测弧长分析。

周跳和粗差探测影响观测值模糊度解算和参数估计，是观测数据质量分析的主要研究内容，广泛采用的方法有高次差法、多项式拟合法、观测值线性组合法、小波分析法、TurboEdit自动编辑算法。另一方面，因数据中断、周跳探测、粗差剔除等原因会导致观测数据的不连续性。而模糊度参数通常需要长时间的连续观测才可能收敛到高精度，因此分析连续观测时长判断与剔除短弧度观测数据，也是基于非差模式的GNSS数据质量控制必不可少的组成部分。多模GNSS数据预处理可采用Blewitt在1990年提出的TurboEdit方法，该方法充分利用双频观测值各种线性组合的特点，可根据导航卫星频率自动选择阈值、周跳探测、修复和粗差剔除、短弧度分析等，而且不受钟差的稳定性、动态环境和对流层的影响。

基于TurboEdit算法实现的多模GNSS观测数据预处理过程主要包括GF组合观测值探测和MW组合观测值探测。GF组合观测值公式如下：

MW组合观测值公式如下：

N_δ＝N₁-N₂＝φ_δ-P_δ/λ_δ (4)

式中,λ₁和λ₂是GNSS L1和L2信号载波波长；f₁和f₂是L1和L2信号载波频率；φ₁和φ₂是L1和L2频率上载波相位观测值，P₁和P₂为相应伪距观测值；ρ是接收机与卫星之间的几何距离；I是L1信号上的电离层延迟量；N₁和N₂是L1和L2信号的整周未知数；γ＝f₁ ²/f₂ ²是L1和L2信号的频率平方的比值。

对于GF组合，直接比较当前历元观测值与前一历元观测值的差值绝对值 |φ_GF(i)-φ_GF(i-1)|进行周跳探测。组合观测值除了包括N₁与N₂模糊度线性组合外, 还包括电离层延迟以及其他诸如多路径效应等误差。其历元间差值受周跳、电离层变化、多路径变化等共同影响。对于MW组合，采用Blewitt在1990年推荐的递推公式进行滤波。

<N_δ>_i＝<N_δ>_i-1+(1/i)(N_δi-<N_δ>_i-1) (5)

将当前历元i的宽巷观测值N_δi与前i-1历元宽巷模糊度均值<N_δ>_i-1进行比较判断是否发生周跳。同理，MW组合周跳检验量|N_δi-<N_δ>_i-1|的阈值与观测数据采样率及高度角相关。北斗/GNSS数据预处理流程图如图2所示。

(3)象观测数据质量控制

气象数据的质量控制包括2种：一种是对历史数据的质量控制；另一种是实时质量控制。世界气象组织认为，自动气象站资料实时质量控制应在2个层面控制：一是在观测台站进行基本质量控制，二是在数据处理中心进行，本本申请北斗/GNSS水汽实时反演装置实施的是实时的质量控制，实时数据质量控制方法包括界限值检查、极值检查、时间一致性检查、内部一致性检查。

(4)北斗/GNSS高时效、高精度ZTD获取

利用PPP处理程序，采用逐历元卡尔曼滤波的解算方式获取一定时间分辨率的对流层天顶延迟产品。对流层天顶总延迟(ZTD)包含两部分，即天顶静力延迟ZHD(也称为天顶干延迟)和天顶非静力延迟ZWD(也称为天顶湿延迟)。在给定测站精确气压的情况下，ZHD可以通过模型(如Saastamoinen模型)精确求得(优于1mm)，而1hPa的气压误差可造成近3mm的ZHD误差。在ZTD 解算中可以使用先验温度气压模型(如GPT和GPT2模型)提供的先验气压计算测站处的先验ZHD，将ZWD作为待估参数进行估计，将两者之和作为最终 ZTD估值。由于干延迟投影函数和湿延迟投影函数差异小(虽然低高度角的差异增大，但可通过对观测值高度角加权的策略减小其影响)，先验ZHD的误差绝大部分能被待估的ZWD吸收，因此，即使在测站处气象观测缺失的情况下，通过先验气压温度模型提供ZHD仍然能够获得高精度的ZTD产品。ZTD估计的具体技术路线如图3所示。

(5)高精度Tm-Ts模型建立

本申请北斗/GNSS水汽实时反演装置使用的加权平均温度模型为基于数值天气资料建立的高精度的Tm-Ts转换格网模型，例如可以根据近十年的气象再分析资料(如ERA-Interim)求解建立的Tm-Ts转换格网模型。

(6)高精度大气水汽的反演技术

从ZTD转换为大气可降水含量(PWV)主要有两步，首先需要从ZTD中扣除干延迟(ZHD)分量获取湿延迟分量(ZWD)，再将ZWD转换为台站处的 PWV。先验气温气压模型(如GPT和GPT2模型)获得的气压精度一般在5hPa 左右，少数区域误差大于10hPa，因此为了获取高精度的ZWD产品，必须采用气象观测值来计算ZHD。然而通常气象观测设备和GNSS天线有一定的高度差异，地表附近10m的高程差异对应的气压差异超过了1hPa，进而给ZHD引入近3mm的误差。为了获得尽可能高精度ZWD产品，需要考虑高度差异的影响，将气象观测值改正到GNSS天线处。而对水平位置的差异带来的水平梯度变化可忽略其影响。对于气压改正的流程如图4所示，图中下标g表示GNSS天线，下标s表示气象观测设备。P、T、h分别表示气压(hPa)、温度(K)和高程(m)。重力加速度，干空气气体常数，温度随高度变化率。

具体的PWV反演流程如下：

根据获得的测站处气压P_s，基于Saastamoinen模型计算天顶静力延迟ZHD 将ZHD从ZTD中分离，获得天顶湿延迟ZWD

ZWD＝ZTD-ZHD (7)

根据获得的T_m，计算转换系数Π

其中，ρ_w表示液体水的密度；R_v为水汽的气体常数(461.51J/K/kg)；k′₂和k₃为大气折射率常数，其值分别为(17±10)K/hPa和k₃＝(377600±400)K²/hPa。

将ZWD转换为PWV

PWV＝Π·ZWD (9)。

Claims (3)

1.一种北斗/GNSS水汽实时反演装置，其特征在于，包括北斗/GNSS天线、嵌入式核心板，以及与所述嵌入式核心板连接的基带信号处理模块、B2b信号解析模块、网络通信模块、气象数据采集器、北斗三号短报文模块、显示模块和电源模块，所述嵌入式核心板包括依次连接的PPP模块、水汽反演模块和存储模块，所述PPP模块与所述基带信号处理模块、所述B2b信号解析模块和所述网络通信模块相连，所述北斗/GNSS天线通过射频前端模块连接所述基带信号处理模块，所述北斗/GNSS天线连接所述B2b信号解析模块，所述网络通信模块、所述气象数据采集器、所述北斗三号短报文模块连接所述水汽反演模块。

2.根据权利要求1所述的北斗/GNSS水汽实时反演装置，其特征在于，所述嵌入式核心板连接还连接有串口通信模块。

3.根据权利要求1或2所述的北斗/GNSS水汽实时反演装置，其特征在于，所述北斗/GNSS天线接收包括北斗、GPS、GLONASS、GALILEO的信号。

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