基于北斗/GPS的微小区域高精度大气时空建模

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利用地基GNSS进行大气遥感是GNSS技术的一个重要应用。目前GNSS大气遥感的目标是利用CORS网建立大范围的厘米级精度的大气时空模型,但是,利用GNSS进行微小区域(1km)毫米级精度的高时空分辨率实时大气建模技术还是一个研究空白。  在深空探测领域,天线组阵技术能够有效地改善对深空探测器的测控能力。组阵信号在穿过大气层时受到电离层和对流层影响,不同传输路径上电离层中电子密度的差异和对流层中水汽密度的差异导致天线信号的延迟不同,而不同的天线信号延迟也降低了合成信号的信噪比,因此需要监测大气的变化并对组阵信号加以改正。当前主要采用干涉仪、水汽辐射仪和GNSS的方法统计分析大气的时空特性。  目前,采用GNSS技术对大气的研究主要集中于大中尺度(数千米至数百千米)。本文以高校合作项目“大气波动对上行天线组阵相位影响分析及建模技术研究”为依托,研究微小区域北斗/GPS连续运行参考站数据处理理论,以建立目标区域的高精度高时空分辨率实时大气模型,进而解决深空探测天线组阵信号大气延迟修正问题。文章的主要内容和结论概括如下:  (1)对于微小区域连续运行参考站的数据解算,采用了站间单差策略。站间单差能够利用单颗卫星的地心地固坐标重复周期,采用恒星日滤波的方法更有效地削弱多路径效应的影响,而且获得的GNSS站间单差大气延迟能够方便地运用于天线组阵的大气延迟建模。实验中采用了连续多天的残差加权的方式获取多路径模型。  (2)通过对微小区域内北斗/GPS各频率载波相位单差大气延迟的比较分析,发现单差电离层延迟比对流层延迟小。考虑到天线组阵的工作频段比GNSS更高,其电离层延迟更小,本文中主要对对流层延迟分析、建模。  (3)微小区域内测站间对流层延迟空间相关性随着基线长度的增加而减弱。站间对流层延迟的相关性随卫星高度角的增大而增强。当卫星高度角大于10°,站间对流层延迟的均方根误差(RMS)在异常天气时,不超过8.6mm,在正常天气不超过2.6mm;当卫星高度角大于30°,在异常天气和正常天气情况下,站间对流层延迟的RMS分别不超过4.5mm、1.7mm。根据已知测站的对流层延迟,可以内插出整个区域的对流层延迟分布,实验中采用线性内插法比采用低阶表面拟合的效果要好。采用线性内插法得到的内插值与观测值RMS平均值为1.5mm,大约能改正29%的对流层延迟。  (4)在数据处理中由于多路径效应的影响,计算得到的对流层延迟不够准确,这导致卫星间对流层延迟数值的相关性较弱。目前对于多路径效应没有非常有效的处理方法,因此需采用其他手段(如水汽辐射仪)提高对流层延迟解算精度,进一步对星间的对流层延迟相关性统计分析。  (5)对流层延迟的时间相关性采用时间结构函数(TSF)表征。随着时间间隔的增加,TSF值先增大然后趋于稳定。在正常天气和异常天气状况下,时间间隔为60s时,对应的TSF值分别为0.87mm、1.9mm;时间间隔为360s时,对应的TSF值分别为1.33mm、3.1mm。卫星高度角越低,对流层延迟的时间相关性越弱。时间间隔为120s,正常与异常天气状况下,卫星高度角在40°~50°范围内对应的TSF值分别为1.5mm、3.8mm;卫星高度角在20°~30°范围内,对应的TSF值分别为2.3mm、5.2mm,卫星高度角在10°~20°范围内,对应的TSF值分别为3.2mm、6.4mm。  (6)天线阵列大气延迟的建模策略:首先采用GNSS和水汽辐射仪得到目标探测器方向上的对流层延迟,然后根据GNSS测站上的对流层延迟,内插出任意位置深空探测天线的对流层延迟。相比于GNSS信号,天线阵列工作波段的频率更高,所受的电离层的影响更小,因此电离层引起的波动可以不予考虑。
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