范士杰，劉焱雄，高興國，馮義楷，張健

（1.武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北武漢 430079;2.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580; 3.國家海洋局第一海洋研究所，山東青島 266061;4.海島（礁）測繪技術(shù)國家測繪局重點實驗室，山東青島 266510）

海上動態(tài)GPS大氣可降水量信息反演

范士杰1，2，3，4，劉焱雄3，高興國3，馮義楷3，張健3

（1.武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北武漢 430079;2.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580; 3.國家海洋局第一海洋研究所，山東青島 266061;4.海島（礁）測繪技術(shù)國家測繪局重點實驗室，山東青島 266510）

基于精密單點定位（PPP）技術(shù)，對海洋上空大氣可降水量（PWV）信息反演方法進(jìn)行研究。采用隨機游走過程估計方法，動態(tài)模擬船載GPS接收機天頂對流層濕延遲（ZWD）在時間和空間尺度上的隨機變化。利用渤海灣船載動態(tài)GPS測量數(shù)據(jù)和同步氣象觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合海洋動態(tài)環(huán)境，以渤海灣MM5模式積分水汽為參考值，詳細(xì)分析不同隨機過程噪聲約束和衛(wèi)星截至高度角等因素對PWV提取精度的影響。結(jié)果表明，選取的隨機過程噪聲約束以及7°～10°的衛(wèi)星截至高度角，海上船載動態(tài)PWV反演結(jié)果與MM5模式積分水汽基本一致，其偏差的絕對值均小于3 mm，均方根誤差優(yōu)于1.2 mm。

GPS氣象學(xué);精密單點定位;隨機游走過程;天頂對流層濕延遲;大氣可降水量;信息反演

近二十年來，地基GPS氣象學(xué)研究取得了豐碩的成果［1-3］，并進(jìn)入業(yè)務(wù)運行階段［4］。GPS水汽探測技術(shù)為海洋水汽遙感提供了新的途徑。但是，國內(nèi)外現(xiàn)有的地基GPS水汽遙感方法主要針對陸地穩(wěn)固的GPS站，并不完全適用于以浮標(biāo)或船舶為載體的海洋動態(tài)環(huán)境［5-6］。筆者利用渤海灣船載動態(tài)GPS測量數(shù)據(jù)和同步氣象觀測數(shù)據(jù)，基于精密單點定位（precise point positioning，PPP）技術(shù)，對海洋上空動態(tài)GPS大氣可降水量（precipitable water vapor，PWV）信息反演方法進(jìn)行研究。

1 基于PPP的海上動態(tài)PWV反演方法

GPS觀測模型中的對流層延遲與頻率無關(guān)，在定位中通常作為“噪聲”予以消除。但是，氣象學(xué)家們認(rèn)為對流層延遲中包含大氣溫度、氣壓和水汽含量等有用信息，因此在GPS數(shù)據(jù)處理中常?；谀承┘僭O(shè)和采用某種數(shù)學(xué)模型，估算出天頂對流層延遲的大小，進(jìn)而提取大氣可降水量信息。目前常用的地基GPS天頂對流層延遲估計方法有雙差網(wǎng)解法［7］和非差精密單點定位方法［8-10］。雙差方法不適用于海上動態(tài)GPS觀測，而精密單點定位方法具有模型簡單、站間觀測不相關(guān)、直接估計絕對時延、適合實時或近實時數(shù)據(jù)處理等優(yōu)點，因此本文中選用該方法進(jìn)行海上動態(tài)PWV信息的反演。

基于PPP技術(shù)進(jìn)行海上動態(tài)PWV反演，首先要估計GPS天頂對流層濕延遲（ZWD），其數(shù)據(jù)處理策略如下:利用IGS精密星歷和衛(wèi)星鐘差，固定衛(wèi)星軌道和消去衛(wèi)星鐘差;采用雙頻無電離層組合觀測模型消除電離層延遲的一階項影響;接收機鐘差參數(shù)作白噪聲處理;利用經(jīng)驗?zāi)Ｐ停ㄈ鏢aastamoinen模型）計算GPS天頂靜水力學(xué)延遲（zenith hydrostatic delay，ZHD），而GPS天頂濕延遲分量作為待估參數(shù);結(jié)合海洋動態(tài)觀測環(huán)境和海上水汽信息的時空變化，采用隨機游走過程方法模擬其時空變化［9-10］，在濾波處理時附加ZWD參數(shù)的動態(tài)噪聲約束;映射函數(shù)采用GMF模型［11］;若考慮水汽分布的不均勻性和不對稱性，則引入大氣水平梯度改正參數(shù)［12］，同時考慮地球自轉(zhuǎn)改正、相對論效應(yīng)、相位纏繞、潮汐改正（包括海洋潮汐、極移潮汐）、衛(wèi)星和接收機天線相位中心改正等誤差影響;最后采用序貫最小二乘方法逐歷元解算接收機坐標(biāo)和鐘差、對流層天頂濕延遲、大氣水平梯度改正及載波相位模糊度等參數(shù)。

通過物理轉(zhuǎn)換可得到GPS大氣可降水量LPWV計算式為

式中，F(xiàn)為轉(zhuǎn)換因子［1］;ρ為水的密度;Rv為水汽常量;k1、k2和k3為大氣折射因子;w為水汽分子與干空氣分子的質(zhì)量比;Tm為對流層加權(quán)平均溫度;DZW為天頂對流層濕延遲量。

2 數(shù)據(jù)獲取

以渤海灣為試驗區(qū)域，選取大連—秦皇島—煙臺—大連的環(huán)形航線，全長約800 km，如圖1所示。以調(diào)查船作為動態(tài)觀測平臺，在調(diào)查船上裝備GNSS接收機和自動氣象站等設(shè)備。采用TOPCON NET G3A型高精度雙頻GNSS接收機和TPSCR.G3 NONE扼流圈天線，以有效抑制多路徑效應(yīng)的影響;自動氣象站包括相對濕度傳感器、溫度傳感器和氣壓計。

圖1 海上動態(tài)GPS測量的航線Fig.1 Route ofmarine kinematic GPS survey

利用船載高精度雙頻GNSS接收機、自動氣象站等設(shè)備，2010年11月22～24日在渤海灣海域沿選定航線，進(jìn)行了海上船載動態(tài)GPS測量和同步氣象數(shù)據(jù)（氣溫、氣壓、相對濕度）的聯(lián)合采集，為動態(tài)GPS海洋水汽信息遙感獲取原始測量數(shù)據(jù)。GNSS接收機的數(shù)據(jù)采樣率為1 s，衛(wèi)星截至高度角為5°;自動氣象站的氣溫、氣壓和相對濕度的采樣率均為1 s。

3 數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析

基于PPP技術(shù)，采用IGS事后精密星歷和鐘差產(chǎn)品，借助研制的PPP軟件UNIP，采用本文中所述數(shù)據(jù)處理策略和方法，對渤海灣船載動態(tài)GPS測量和同步氣象觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，動態(tài)反演航線上空GPS大氣可降水量信息及其時空變化。同時，采用渤海灣MM5模式三維氣象場數(shù)據(jù)，建立區(qū)域折射率和水汽信息的空間格網(wǎng)。根據(jù)三維格網(wǎng)點上的折射率，內(nèi)插出任意方向上的折射率，進(jìn)行分段積分后即可得到氣象場內(nèi)任意方向的對流層濕延時（或水汽延時）。宋淑麗［13］對上海GPS綜合應(yīng)用網(wǎng)反演的PWV序列和MM5模式每小時預(yù)報結(jié)果進(jìn)行了比較，高興國［14］計算了環(huán)黃渤海地基GPS/PWV信息，并與MM5模式數(shù)值氣象預(yù)報資料計算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明MM5模式積分水汽延時是可信的，具有較理想的精度。因此，本文中以MM5模式積分水汽為參考值，對海上動態(tài)GPS/PWV反演結(jié)果進(jìn)行對比和分析。

在PPP數(shù)據(jù)處理中，存在多種因素會影響GPS天頂濕延遲及大氣可降水量的估算精度。本文中結(jié)合海洋動態(tài)觀測環(huán)境，主要對隨機過程動態(tài)噪聲約束和衛(wèi)星截至高度角的選取等進(jìn)行討論和分析。

3.1 隨機過程動態(tài)噪聲約束對PWV的影響

由于對流層中的物質(zhì)分布在時間和空間上有較大的隨機性，因此對流層折射延遲也具有較大的時空隨機性。目前，隨機過程方法是最理想的對流層折射估計方法。本文中結(jié)合海洋動態(tài)觀測環(huán)境，采用隨機游走過程模擬天頂濕延遲的時空變化，在PPP濾波處理時附加ZWD參數(shù)的動態(tài)噪聲約束，以提高ZWD參數(shù)的估計精度，更加準(zhǔn)確地提取大氣可降水量信息。

在隨機游走過程方法中，ZWD參數(shù)估計的結(jié)果與動態(tài)噪聲約束δw有關(guān)。本文分別選取δw值為2、衛(wèi)星截至高度角均為10°?；趧討B(tài)精密單點定位技術(shù)，采用不同的參數(shù)動態(tài)噪聲約束，對海上船載動態(tài)PWV信息進(jìn)行反演。為了減小MM5模式三維氣象場數(shù)據(jù)插值誤差的影響，本文中只提取每小時間隔的PWV結(jié)果與MM5模式對應(yīng)歷元的積分水汽進(jìn)行對比，見圖2（其中，tUTC為協(xié)調(diào)世界時）。以MM5模式積分水汽為參考值，分別計算不同隨機過程噪聲約束的PWV結(jié)果的偏差并進(jìn)行誤差統(tǒng)計，見表1。

圖2 不同噪聲約束的PWV結(jié)果與MM 5模式積分水汽的對比Fig.2 PWV resu lts for different noise constrain ts and integralw ater vapor for MM 5 model

由圖2和表1可知:相對于MM5模式積分水汽，隨機過程噪聲約束分別為2和5 mm/h的PWV結(jié)果與MM5模式積分水汽基本一致，其偏差的絕對值均小于3 mm，均方根誤差分別為1.1 mm和1.2 mm，結(jié)果較為理想。隨機過程噪聲約束為10和20結(jié)果較差，出現(xiàn)了較大的偏差和異常跳動。因此，采用隨機過程估計方法進(jìn)行海上動態(tài)PWV信息反演時，隨機過程噪聲約束δw的選擇至關(guān)重要。一般情況下，噪聲約束值應(yīng)根據(jù)GPS接收機的運動狀態(tài)和大氣水汽的時空變化進(jìn)行合理選擇。本文中渤海灣試驗數(shù)據(jù)為船載低動態(tài)GPS觀測數(shù)據(jù)，試驗航線的對流層天頂濕延遲的時空變化較為平緩（圖2），試驗期間的平均變化量均小于1 cm/h。因此，太大的隨機過程噪聲約束會造成PPP的ZWD估值的畸變，從而使得PWV反演結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差。

表1 不同噪聲約束PWV偏差的誤差統(tǒng)計Table 1 Error statistics of PWV differences for different noise constraints mm

3.2 衛(wèi)星截至高度角對PWV的影響

衛(wèi)星截至高度角是GPS數(shù)據(jù)處理中的一項重要指標(biāo)，是對參與解算GPS觀測值的篩選。低高度角觀測值包含更多的對流層延遲信息，有利于對流層延遲估計及PWV信息提取。但是，低高度角觀測值同樣存在對流層映射函數(shù)投影誤差較大［15］、觀測質(zhì)量不佳等不足。因此，衛(wèi)星截至高度角的合理選取也是海上動態(tài)GPS大氣可降水量（PWV）信息提取的一個關(guān)鍵問題。

利用渤海灣船載動態(tài)GPS觀測數(shù)據(jù)，采用研制的動態(tài)PPP軟件，隨機過程噪聲約束為分別選擇衛(wèi)星截至高度角為7°、10°、15°和20°進(jìn)行海上動態(tài)PWV信息提取，并與MM5模式積分水汽進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3所示。以MM5模式積分水汽為參考值，分別計算不同衛(wèi)星截至高度角對應(yīng)PWV結(jié)果的偏差，誤差統(tǒng)計見表2。

由圖3和表2可知:不同衛(wèi)星截至高度角計算得到的PWV值稍有不同。7°和10°截至高度角對應(yīng)的PWV結(jié)果較優(yōu)，與MM5模式積分水汽符合較好，均方根誤差均為1.1 mm，而15°和20°截至高度角對應(yīng)的PWV結(jié)果在部分時段出現(xiàn)異常跳動，造成與MM5模式積分水汽的較大偏差。因此，選取7°～10°的低截至高度角，能夠得到與MM5模式積分水汽更為一致的結(jié)果，比較適用于海上動態(tài)PWV信息的提取。但是，利用低高度角觀測值進(jìn)行PPP數(shù)據(jù)處理時，必須解決好映射函數(shù)的投影誤差以及觀測值的粗差和周跳探測等問題。

圖3 不同衛(wèi)星截至高度角PWV結(jié)果與MM 5積分水汽的對比Fig.3 PWV results for different cut-off elevation angle and integralw ater vapor for MM 5 model

表2 不同衛(wèi)星截至高度角PWV偏差的誤差統(tǒng)計Tab le 2 Error statistics of PWV differences for different cut-off elevation angle mm

4 結(jié)束語

利用渤海灣船載動態(tài)GPS測量數(shù)據(jù)和同步氣象觀測數(shù)據(jù)，基于動態(tài)精密單點定位技術(shù)，采用自行研制的PPP軟件UNIP，對海上動態(tài)GPS大氣可降水量信息反演進(jìn)行研究。以渤海灣MM5模式積分水汽為參考值，詳細(xì)討論了隨機過程動態(tài)噪聲約束、衛(wèi)星截至高度角等因素對海上PWV信息提取精度的影響。選取的隨機過程噪聲約束以及7°～10°的衛(wèi)星截至高度角，采用UNIP軟件進(jìn)行海上船載動態(tài)PWV信息提取，能夠得到與MM5模式積分水汽較為一致的結(jié)果，其PWV偏差的絕對值均小于3 mm，均方根誤差優(yōu)于1.2 mm。

基于PPP的海上動態(tài)PWV信息提取技術(shù)，可實現(xiàn)海洋水汽信息的連續(xù)、近實時和高精度監(jiān)測，對于改進(jìn)海洋上空中尺度數(shù)據(jù)預(yù)報初始濕度場的精度和提高中尺度數(shù)值預(yù)報的準(zhǔn)確性，以及海洋氣象和災(zāi)害預(yù)報等，具有重要意義和應(yīng)用價值。

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Retrievalm ethod ofm arine kinem atic GPS precipitable water vapor

FAN Shi-jie1，2，3，4，LIU Yan-xiong3，GAO Xing-guo3，F(xiàn)ENG Yi-kai3，ZHANG Jian3
（1.School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan 430079，China; 2.School of Geosciences in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China; 3.The First Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Qingdao 266061，China; 4.Key Laboratory of Surveying and Mapping Technology on Island and Reef，State Bureau of Surveying and Mapping，Qingdao 266510，China）

The retrievalmethod ofmarine kinematic GPS precipitablewater vapor（PWV）was researched using precise point positioning（PPP）technique.The random variation of GPS zenith wet dalay in the time and spatial scaleswas simulated by the evaluationmethod of random walk process.The ship-borne GPS data and simultaneousmeteorological observation in Bohai sea were processed.Then the integralwater vapor for MM5modelwas used as reference，and the influence of PWV retrieval precision for different random process noise constraintand cut-off elevation angle was analyzed.The results show that the absolute differences ofmarine kinematic GPS/PWV are all less than 3mm and the rootmean square error is1.2 mm，using random process noise constraint ofand cut-off elevation angle of7°－10°.The ship-borne kinematic GPS/ PWV agreeswell with the integralwater vapor for MM5 model.

GPSmeteorology;precise point positioning;random walk process;zenith wet delay;precipitablewater vapor; information retrieval

P 228.4

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.03.013

1673-5005（2012）03-0084-04

2011－09－06

國家“863”計劃項目（2009AA12Z127）;海島（礁）測繪技術(shù)國家測繪局重點實驗室項目（2010B03）

范士杰（1969－），男（漢族），山東冠縣人，副教授，博士研究生，主要研究方向為GPS精密定位、GPS氣象學(xué)。

（編輯 修榮榮）