利用GNSS获取动态可降水量的理论与方法研究

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目前GNSS水汽反演的研究方向主要集中于静态分段估计对流层,然后根据所得对流层转化为可降水量,并将其应用于降雨等气象方面的分析。由于天气每时每刻存在变化,静态分段估计可能不足以满足实时可降水量监测的要求,故本文主要针对如何提高动态对流层的估计精度进行了深入的研究,研究工作主要包括以下几个方面:  首先研究了提高差分GPS近实时获取动态可降水量精度的方法。差分GPS解算对流层的过程中仅需要采用预报轨道就可以获取实时对流层,进而转换为实时可降水量。为提高解算精度,我们对基站和流动站(静止台站)给予以较高精度的先验坐标,并对该坐标进行1 cm左右的精度约束。利用PBO观测网络中的17个测站采用上述方法计算表明:如果基站与流动站的测站高差较小,可以获取2 mm精度的实时可降水量,可以满足气象预报的要求;反之则获取的实时可降水量精度较差,这是由于测站上空对流层的差值与测站的高差强相关。  针对传统PPP分析了两种改进的PPP获取动态对流层延迟的精度。由于差分GNSS获取对流层的精度受到测站高差的约束,PPP的出现则克服了这个问题,同时摆脱了差分GNSS需要多台接收机同时观测的负担。由于观测量没有经过差分,传统PPP中的,模糊度为浮点解,因此我们尝试固定模糊度,结果表明该方法给对流层带来1-2 mm的影响,而且可以加速待估参数的收敛速度;此外,我们还尝试利用GPS与GLONASS组合PPP技术解算对流层,结果显示双星座解算对流层与单星座解算对流层在局部差值可达几厘米,显然在观测质量不佳时多星座可以增加解算对流层的可靠性。  基于传统PPP提出了顾及内部和外部误差源对对流层解算影响的理论模型。分析了高阶电离层误差、卫星钟差和接收机钟差对对流层参数估计精度的影响,结果表明电离层非活跃期低纬度地区二阶电离层对对流层估计的影响可达2mm,三阶电离层的影响不超过0.5 mm;单一观测量发生钟跳可能会导致对流层在局部发生几厘米的跳变,针对这一现象本文给出了钟跳探测的方法,可应用于高精度实时对流层的解算;实时卫星钟差与最终卫星钟差差别可达数百米,故需要合理设置接收机钟差的过程噪声。  采用动态PPP技术,首次分析了基于海、陆、空载体的移动GNSS水汽获取精度。研究表明利用船载、车载和机载GNSS的数据可以获取中误差约为1cm左右的动态对流层延迟,转换为动态可降水量的精度在2-3 mm左右。  提出了附加约束条件的PPP算法。传统的动态PPP精度通常在分米级,为提高动态PPP精度,可以利用生产实践中存在的已知信息,这些信息包括内部解算参数之间的联系和外部的已知数据。基于这些已知信息本文提出了附加约束条件的PPP算法,通过实验数据分析表明该算法在一定的条件下可以提高参数的收敛速度,大大提高PPP的定位精度,同时也极大改善了对流层参数估计的精度。  最终研究了基于PPP技术的实时动态可降水量获取方法,分析了利用GNSS对暴雨进行预警的可行性。利用预报轨道与实时卫星钟差对2014年3月底香港地区的12个CORS站的对流层进行了计算和分析,研究结果显示GPS测定的暴雨警告与香港天文台发布的警告高度吻合。
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