基于区域CORS网天顶对流层延迟4D建模研究*

刘立龙 黄良珂 姚朝龙 颜 伟 刘贵云

(1)桂林理工大学测绘地理信息学院，桂林 541004 2)广西空间信息与测绘重点实验室，桂林 541004 3)湖南省地质测绘院，衡阳421001)

基于区域CORS网天顶对流层延迟4D建模研究*

刘立龙1，2)黄良珂1，2)姚朝龙1，2)颜 伟3)刘贵云3)

(1)桂林理工大学测绘地理信息学院，桂林 541004 2)广西空间信息与测绘重点实验室，桂林 541004 3)湖南省地质测绘院，衡阳421001)

利用区域CORS网参考站的天顶对流层信息建立了一种不需要气象数据，只与时间和位置有关的天顶对流层延迟新模型。通过广西CORS网实测数据，与反距离加权法和移去恢复法进行了对比分析，结果表明，新模型计算的天顶对流层值平均精度为8.5 mm，尤其在下雨天，新模型计算的天顶对流层延迟精度比其他两种方法有显著提高。将新模型法应用于测站PWV值估计，其平均精度为1.5 mm。

区域CORS;天顶对流层延迟;4D建模;反距离加权法;移去恢复法

1 前言

对流层延迟是影响GPS定位精度的主要因素，常用的削弱对流层延迟的模型是建立在全球性的经验对流层改正模型上的，如Hopfield模型和Saanstamonien模型［1］。由于在不同地区和季节对流层变化较大［2］，若将经验模型应用于区域精密单点定位［3］、InSAR大气改正［4，5］等高精度GPS测量时，经验模型难以满足要求。

近年来，随着CORS网的建立，许多学者利用已知参考站的精密对流层延迟信息来建立区域的对流层延迟模型。目前，对于区域对流层延迟改正模型主要有反距离加权法、Kriging法［6，7］、移去恢复法［8］与投影延拓法［9］等。反距离加权法和Kriging法计算简单，但只适用于区域较小、地势平坦的地区，其中Kriging法需要依赖更多的已知参考站个数，文献［8］的模型精度依赖于经验对流层模型的精度和气象元素的精度，而文献［9］的模型具有较高的对流层改正精度，在高海拔地区，也能保证较高的精度，但其模型需要较精确的气象元素。针对上述问题，本文利用参考站的已知天顶对流层信息建立了一种不需要任何气象元素，只与时间和测站位置有关的天顶对流层延迟新模型，该模型充分考虑了对流层在高程方向和水平方向上的影响。本文使用广西CORS网实测数据，运用GAMIT软件解算CORS网中参考站的天顶对流层延迟，将新模型法与反距离加权法和移去恢复法进行对比，并将新模型法应用于参考站大气水汽估计，与GAMIT估算结果进行对比。

2 数据处理与分析

2.1 数据来源

选取广西CORS网10个CORS站2010年4月22日，5月30日，2011年6月8日，6月30日和8月4日共5天的实测数据及相关气象数据，每个测站每天一个观测文件，采样间隔为15秒，并且选取广西CORS网周围的3个国际IGS跟踪站(西安、北京、武汉)的数据进行联合解算，其中广西CORS站和气象站的点位分布如图1所示。

图1 广西CORS站和气象站点位分布Fig.1 Distribution of CORS and meteorological stations in Guangxi

2.2 数据处理方法

采用GAMIT软件对广西CORS站进行天顶对流层(Zenith Tropspheric Delay，ZTD)估计。估计时先验天顶对流层ZTD采用Saastamonien模型计算，解算时，每两小时选取一个待估参数，气象条件选取标准大气压。由于GAMIT估算的天顶对流层延迟精度优于1 cm［10］，因此本文算例分析以GAMIT软件解算的天顶对流层延迟作为真值。

3 新模型的建立

图2(a)为JZ01CORS站5天的天顶对流层时间序列，图2(b)为2011年8月4日不同参考站的对流层时间序列。由图2(a)看出，同一测站在不同季节，其对流层是变化的，而且没有规律;由图2(b)看出，在同一时间不同测站，对流层亦是变化的，但是各个测站的对流层变化趋势基本相同，因此，可以通过各参考站对应时刻的已知天顶对流层延迟建立与时间和位置有关的区域对流层延迟模型。相关研究表明，对流层延迟在水平方向上存在线性变化关系［11，12］，为此，在高程方向上，笔者还通过多时段和不同测站的天顶对流层统计分析，发现天顶对流层与高程存在着近似负指数关系，因此，提出新模型的表达式为:

4 实验结果分析

4.1 新模型的精度检验

为了验证新模型的精度，选取广西CORS网中JZ01、JZ09、JZ17、JZ19、JZ22和JZ25为已知参考站，JZ05、JZ18、JZ26测站作检核使用，实验区域为北纬21°～25°，东经107.5°～110.5°。利用2011年8月4日6个参考站GAMIT解算的已知天顶对流层延迟数据，对比分析反距离加权法和移去恢复法的精度。对于移去恢复法，其经验模型采用Saastamonien模型，由于无法获取参考站实测气象数据，采用参考站周边的气象站实测气象数据计算获得［14］，通过以上数据求解出三种模型的参数，利用三种模型分别计算对应时刻的JZ05、JZ18、JZ26测站的天顶对流层值，并将模型计算的天顶对流层值与GAMIT估计值作比较，结果如表1和图3所示。

图2 天顶对流层延迟的时间序列Fig.2 Time series of the zenith tropospheric delay

从表1和图3可知，在该实验条件下，移去恢复法精度最差，其平均中误差为34.5 mm，反距离加权法次之，平均中误差为16.9 mm，显然新模型法计算的天顶对流层延迟精度优于其他两种方法，达到了mm级的精度。

图3 不同模型天顶对流层延迟精度比较Fig.3 Comparison between zenith tropospheric delay accuracy with different models

为了进一步验证新模型法在恶劣天气的适用情况，选取JZ12测站作为检核验证。由于JZ12测站靠近广西北部湾海域，且在2011年8月4日为降雨。将三种模型计算的天顶对流层延迟与GAMIT估计值作比较，结果如图4。

由图4可知，新模型法计算天顶对流层延迟的最大误差为18.1 mm，最小为0.4 mm，中误差为12 mm;反距离加权法的最大误差为50.7 mm，最小为14.3 mm，中误差为34.1 mm;移去恢复法的最大误差是74.2 mm，最小为4.0 mm，中误差为41.9 mm，故新模型法明显优于其他两种方法，因此在下雨天新模型法也能保证其较高的精度。由于JZ12测站下雨，而且会引起相关气象条件的急剧变化，而且JZ12靠近海域，则与已知参考站的高差较大，因此会使反距离加权法和移去恢复法造成精度损失。而新模型法考虑了对流层延迟在高程方向和水平方向上的影响，故能有效地减少其精度损失。

图4 不同模型在JZ12CORS站的精度对比Fig.4 Comparison of the accuracies at JZ12CORS station with different models

利用新模型法建立的2011年8月4日不同时刻的实验区域的天顶对流层延迟分布如图5所示。

4.2 新模型法用于大气水汽总量(PWV)估计

用新模型法估计大气水汽时，选用Saastamonien模型计算天顶对流层干延迟(ZHD)，对于大气加权平均温度(Tm)与测站地面温度(Ts)的方程，选用适合我国东部地区(东经100°～130°，北纬20°～50°)全年的回归方程为［16］

将新模型法估计的大气水汽含量与GAMIT估计对比分析结果如图6所示。

表1 不同模型天顶对流层延迟残差统计(单位：m)Tab.1 Statistics of the residuals of zenith tropospheric delay with different models(unit：m)

图5 新模型法建立的天顶对流层延迟分布Fig.5 Distribution of the zenith tropospheric delay with new model

图6 新模型法估计的PWV时间序列Fig.6 Time series of the estimated PWV values with new model

由图6看出，新模型法估计的大气水汽总量与GAMIT估算的比较吻合。若以GAMIT估算的PWV值作为参考值，那么用新模型估计的 JZ05、JZ12、JZ18、JZ26测站的 PWV的误差分别为1.5、1.9、1.2、1.5 mm，由此看出，用新模型法估计的PWV值具有较高的精度，本算例中其精度接近1～2 mm。由于新模型只与时间和测站位置有关，故在一定程度上能提高PWV分布的时空分辨率。

5 结论

本文提出的天顶对流层延迟新模型不需要任何气象元素，只需要根据CORS网参考站的天顶对流层信息进行建模，新模型只与时间和测站位置有关，且计算简单。通过广西CORS网实测数据，对比分析了反距离加权法和移去恢复法的精度，结果表明，新模型法计算天顶对流层延迟的平均精度为8.5 mm，尤其在下雨天，新模型法的精度明显优于上述两种方法，且能保证12 mm的精度;同时，将新模型法应用于测站PWV值估计，其估计的PWV值的平均精度为1.5mm，且能提高PWV分布的时空分辨率。由于新模型不需要气象参数，只与时间和位置有关，因此，在InSAR大气改正等高精度导航定位中具有一定的应用价值。

致谢 衷心感谢广西省测绘局为实验提供CORS网实测数据!

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3 聂建亮，等.基于CORS网对流层信息的精密单点定位［J］.大地测量与地球动力学，2010，(2):91-93.(Nie Jianliang，et al.Precise point positioning based on tropospheric refraction CORS［J］.Journal of Geodesy and Geodynamoc，2010，(2):91-93)

4 Liang Chang and Xiufeng He.InSAR atmospheric distortions mitigation:GPS observations and NCEP FNL data［J］.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics，2011，(73):464-471.

5 Remy D，et al.Variability of atmospheric precipitable water in northe rn Chile:Impacts on interpretation of InSAR data for earthquake modeling［J］.Journal of South American Earth Sciences，2011，(31):214-226.

6 Li Z W，et al.Modeling of atmospheric effects on InSAR measurements by incorporating terrain elevation information［J］.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics，2006(68):1 189-1 194.

7 Xu Caijun，et al.InSAR tropospheric delay mitiga tion by GPS observations:A case study in Tokyo area［J］.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics，2006，68:629 -638.

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16 李建国，毛节泰，李成才.使用全球定位系统遥感水汽分布原理和中国东部地区加权“平均温度”的回归分析［J］.气象学报，1999，57(3):283-291.(Li Jianguo，Mao Jietai and Li Chengcai.The approach to remote sensing of water vapor based on GPS and linear regression Tm in eastern region of China［J］.Acta Meteorological Sinica，1999，57(3):283-291)

RESEARCH ON 4D MODELING FOR ZENITH TROPOSHPERIC DELAYS BASED ON REGIONAL CORS NETWORK

Liu Lilong1，2)，Huang Liangke1，2)，Yao Chaolong1，2)，Yan Wei3)and Liu Guiyun3)

(1)College of Geomatic Engineering and Geoinformatics，GUT，Guilin 541004 2)Guangxi Key Laboratory of Spatial Information and Geomatics，Guilin 541004 3)Institute of Geological Surveying and Mapping of Hunan Province，Hengyang421001)

A new model is established for estimation of zenith tropospheric delays from regional CORS data which does not require any meteorological data and only related to the time and position of the station.By compared with the inverse distance weighting method and the remove and recovery method using measured data from Guangxi CORS，the results show a significant improvement on the calculated accuracy with new model，that the average accuracy is about 8.5mm，especially in the rainy day.Besides，the average accuracy of the new model used to estimate the surface PWV values of CORS station is about 1.5 mm.

regional CORS;zenith tropospheric delay;4D modeling;inverse distance weighting method;remove and recovery method

1671-5942(2012)03-0045-05

2012-03-25

国家自然科学基金(41064001);广西空间信息与测绘重点实验室课题(1103108-06);广西研究生教育创新划项目(2010105960816M29)

刘立龙，男，1974年生，博士，教授，研究方向:GPS技术及应用.E-mail:hn_liulilong@163.com

P207

A