章 迪

武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079

對流層延遲是指電磁波信號穿透中性大氣層時速度和路徑均發(fā)生改變的效應(yīng)，具有非色散性，無法通過多頻組合方式消除；由于水汽具有典型的時空非平穩(wěn)特征，難以對非流體靜力學(xué)分量進(jìn)行精確建模。如何妥善處理對流層延遲，是提高GNSS定位精度的重點和難點問題。

通常將任意高度角方向的對流層斜延遲表達(dá)為天頂延遲與映射函數(shù)的乘積。鑒于GNSS參數(shù)估計過程中通過給定精確的天頂流體靜力學(xué)延遲(ZHD)，繼而對天頂非流體靜力學(xué)延遲(ZWD)進(jìn)行參數(shù)估計，論文重點針對ZHD模型和映射函數(shù)模型展開研究，對二者的發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀及存在的問題進(jìn)行了剖析；系統(tǒng)論述了在大氣折射率域進(jìn)行射線追蹤的原理和方法，研究了重要參數(shù)和關(guān)鍵算法；利用fortran語言開發(fā)了射線追蹤軟件WHURT。論文的主要研究工作和結(jié)論如下。

(1) 歸納總結(jié)了射線追蹤的基本原理，重點對大氣折射率計算、氣象元素內(nèi)插與外推、水汽壓轉(zhuǎn)換、高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換及地球曲率半徑等關(guān)鍵算法進(jìn)行了分析討論。開發(fā)了射線追蹤軟件WHURT，能基于探空氣球觀測數(shù)據(jù)或數(shù)值天氣模型精確計算任意高度角和方位角上的對流層延遲。

(2) 基于全球分布的91個探空站4年的氣象數(shù)據(jù)，對兩個ZHD模型(Saastamoinen和Hopfield模型)及多個氣象元素經(jīng)驗?zāi)Ｐ?STP、UNB3m、GPT、GPT2、GPT2w)的精度進(jìn)行了評估，結(jié)果表明各模型誤差均具有一定的緯度相關(guān)性。在氣象元素模型中，GPT2和GPT2w的精度最高。ZHD模型中Saastamoinen模型優(yōu)于Hopfield模型，但存在約-3 mm的系統(tǒng)偏差；擬合了改進(jìn)的Saastamoinen模型，與射線追蹤結(jié)果的吻合程度達(dá)到亞毫米級。

(3) 分析了目前GNSS數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用最為廣泛的3種映射函數(shù)(NMF、VMF1和GMF)在我國境內(nèi)的適用性。選取了我國境內(nèi)8個代表性探空氣球站點2012年全年的觀測數(shù)據(jù)，與WHURT計算結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)各映射函數(shù)計算的流體靜力學(xué)延遲偏差多表現(xiàn)為系統(tǒng)性，而非流體靜力學(xué)延遲偏差多呈現(xiàn)隨機性；NMF在中國站點普遍呈現(xiàn)季節(jié)性偏差，且誤差存在較強的緯度相關(guān)性，其中hNMF是緯度越高、誤差越大，wNMF是緯度越低、誤差越大；VMF1在絕大部分站點的精度最高，但在部分站點如ZHHH(武漢)、ZGCS(長沙)等也存在較大的季節(jié)性偏差；GMF的精度介于NMF與VMF1之間。

(4) 論述了映射函數(shù)擬合的基本原理和方法，研究了三階連分式系數(shù)的取位精度?；跉W洲中尺度氣象預(yù)報中心提供的高時空分辨率產(chǎn)品Era-Interiam，利用WHURT進(jìn)行射線追蹤得到了對流層斜延遲，結(jié)果表明：在不同方位角上，不論是流體靜力學(xué)還是非流體靜力學(xué)分量，對流層延遲的差異是普遍存在的，其中后者的各向異性明顯高于前者，在低高度角處可以達(dá)到分米級；通過對同一高度角不同方位斜延遲序列取均值后計算映射因子，擬合了新的映射函數(shù)WHMF，在衛(wèi)星殘差、基線內(nèi)符合性和ZTD估計精度幾個方面都要優(yōu)于VMF1。

(5) 通過零基線試驗證明：如果在基線解算過程中進(jìn)行對流層天頂延遲和梯度估計，對基線的N和E分量的影響在亞毫米級；對于U分量的影響不到2 mm，且通過多時段平均后能有效地減弱此影響。通過對一條高差約為156 m、長度約為1.2 km的短基線進(jìn)行解算發(fā)現(xiàn)：不估計對流層延遲造成了測站間8 mm的大地高差偏差；表明當(dāng)兩測站的高差較大時，即使基線長度較短，模型改正和雙差也不能完全消除對流層延遲的影響。因此，不論基線長短，在基線解算時都應(yīng)盡量對天頂延遲和梯度進(jìn)行參數(shù)估計，以削弱對流層延遲誤差對于定位的影響。