基于多模PPP技术的地基GNSS水汽反演研究

论文摘要

对流层作为地球大气层中最接近地表的重要组成部分,常常与各类天气事件和气候现象的形成密不可分。对流层水汽时空变化较为活跃,常规大气探测手段难以捕捉其时空分布特点,地基GNSS技术具备高精度、高时空解算分辨率、全天候观测等优点,已逐步成为现代气象应用中最具潜力的新型探测手段。本文以地基GNSS技术为主展开科学研究,学习和了解了地基GNSS联合PPP技术反演对流层水汽的理论知识,以Bernese软件PPP技术为基础进行了对流层天顶水汽探测,接着采用C++语言编写的地基GNSS水汽层析软件获取了水汽三维分布信息,最后基于CODE提供的长时间对流层产品,初步探寻了全球气候变化特征,为地基GNSS技术与理论应用于现代气象系统和气候监测等方面奠定基础。本文的主要研究工作及取得的成果如下:（1）在地基GNSS技术探测二维水汽方面,分析了GNSS四系统PPP技术反演水汽的精度差异以及组合反演对性能提升幅度,利用全球分布的MEGX跟踪站数据进行GNSS四系统数据进行大气可降水量的反演实验,并以CODE对流层产品和探空数据为参考,详细对比分析了单系统和多系统组合解算的ZTD/PWV结果差异,评估了多系统组合获取ZTD/PWV序列的性能指标。结果显示:不同导航系统解得的ZTD/PWV结果存在明显的差异,多系统组合观测值获取的水汽序列结果最为稳健,GNSS组合获取的ZTD结果相对于GPS、GLONASS、Galileo和BDS单系统结果分别提升10.91%、19.04%、33.21%和70.16%;GNSS组合PWV反演精度相比GPS、GLONASS、Galileo和BDS单系统结果分别改进3.45%、16.16%、16.45%和41.78%。（2）根据地基GNSS技术层析三维水汽的基本原理,采用C++编写了一套地基GNSS三维水汽层析软件,在此基础上针对传统层析实验中GNSS信号利用率较低的问题,提出了一种顾及边界入射信号的多模组合层析方法,并采用香港卫星定位参考站网12个测站数据和探空水汽产品进行了实例分析。实验结果表明:相较于传统GPS层析方法,多模组合信号和边界入射信号的引入均能增加有效观测数据的数目,在空格率上分别改善了4.2%和17.22%,整体精度在MAE上分别改进了1.79%和7.00%,在RMS上分别改进了1.41%和7.46%;而融合两类信号的新水汽层析方法的有效观测数最多,空格率平均改进了21.01%,在MAE和RMS上分别拥有8.22%和9.13%的精度提升。（3）采用CODE机构提供的长达13年的对流层重解算产品,试图利用全球分布的GNSS监测站的对流层参数来探寻气候变化特征。通过分析GNSS并址站间对流层参数的一致性,发现接收机天线类型的更换大多会破坏长时间序列的平稳性;为此统计了各站天线类型更替情况,并引入一种纠正方法对ZTD偏差进行补偿,结果表明该方法对于因天线类型更替造成的偏差具有明显的改正效果;在后续的对流层产品时间序列分析中,分别从ZTD和水平梯度序列中获取了年均值、年振幅、初始相位和趋势变化等信息,进而分析了全球大气水汽的周期变化信息及其空间相关性,发现大气水汽变化和水汽循环流动均处于全球平衡的状态。

论文目录

摘要

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第一章绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 地基GNSS二维水汽反演研究现状

1.2.2 地基GNSS三维水汽层析研究现状

1.2.3 地基GNSS资料进行气候监测的研究现状

1.3 论文的主要研究内容和组织结构

第二章对流层大气延迟解算相关理论

2.1 精密单点定位技术

2.1.1 观测方程

2.1.2 常见的线性组合观测值

2.1.3 观测误差改正方法

2.2 对流层延迟

2.2.1 对流层改正模型

2.2.2 对流层映射函数

2.2.3 对流层估计方法

2.3 Bernese软件

2.3.1 简介

2.3.2 主要功能模块

2.3.3 基于BPE的数据处理

2.4 本章小结

第三章 GNSS PPP技术估计对流层延迟与反演水汽

3.1 引言

3.2 对流层二维水汽反演理论

3.2.1 PPP基本原理

3.2.2 GNSS对流层水汽反演原理

3.2.3 解算流程

3.3 探空数据反演水汽原理

3.3.1 资料来源

3.3.2 基于探空数据的PWV反演

3.4 基于多模PPP技术反演大气可降水量实验评估

3.4.1 数据来源

3.4.2 GNSS PPP ZTD对比分析

3.4.3 GNSS PPP ZTD精度验证

3.4.4 GNSS PPP PWV精度验证

3.5 本章小结

第四章基于GNSS PPP技术的多模水汽层析方法

4.1 引言

4.2 对流层三维水汽层析原理

4.2.1 倾斜路径水汽含量计算

4.2.2 层析观测方程

4.2.3 约束信息

4.2.4 顾及边界入射信号的水汽层析算法

4.3 三维水汽层析实验

4.3.1 层析策略

4.3.2 层析区域内有效信号数目与网格空格率分析

4.3.3 层析结果展示与精度验证

4.4 本章小结

第五章 CODE对流层产品长时间序列的周期变化分析

5.1 引言

5.2 基本理论

5.2.1 对流层延迟理论

5.2.2 数据来源

5.2.3 分析方法

5.3 算例分析

5.3.1 数据预处理

5.3.2 GNSS并址站间对流层参数分析

5.3.3 天线类型的更换情况及处理

5.3.4 对流层产品序列分析

5.4 本章小结

第六章总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 胡鹏

导师: 张勤,黄观文

关键词: 气象学,精密单点定位,软件,水汽层析

来源: 长安大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 自然地理学和测绘学,气象学

单位: 长安大学

分类号: P228.4;P412.2

总页数: 84

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