在线服务系统CSRS-PPP模糊度固定法获取南极地区对流层延迟及精度分析

在线服务系统 CSRS-PPP模糊度固定法获取南极地区对流层延迟及精度分析

郭海林

千寻位置网络有限公司 上海市杨浦区 200438

摘要：利用GNSS可用进行天顶对流层延迟的快速高精度解算，其在天气预报中具有重要作用。估算天顶对流层延迟的方法包括双差法和精密单点定位法，精密单点定位使用一个GNSS接收器即可达到厘米级的定位精度，具有估计模型简单、站点之间无相关性、不需要引入其他参考站等优点。在线PPP服务CSRS-PPP提供了PPP定位服务功能，并且2020年10月20日发布的最新版本v3具备PPP模糊度固定的功能，因此可以利用在线服务系统CSRS-PPP的PPP模糊度固定解算高精度的对流层延迟。选取南极地区4个IGS观测站数据进行对流层延迟解算，并与IGS提供的参考值进行比较，评估其对流层解算精度。结果表明，在线CSRS-PPP的PPP模糊度固定在南极区域可以获得较高的对流层解算精度，其收敛后对流层延迟的解算精度RMS在1cm以内。

关键词：CSRS-PPP；精密单点定位；对流层延迟；南极

1. 引言

全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）的定位与导航被广泛用于大众市场和工程应用中，此外，它还可用于监视空间大气。电离层中的电子含量和中性大气（对流层）中的空气密度会影响GNSS信号在大气中的传播。对流层的影响由总折射率N来描述，其取决于气压，温度和水蒸气含量。将GNSS用于定位和导航以外的一个应用示例是，将GNSS获得的斜路经延迟与微波辐射计测量结果相集成，以找到用于高度计产品的精确湿对流层校正。GNSS的另一种用途是大气遥感，GNSS信号可用于测量大气物理变量，例如测量天气和气候变化监测所需的大气温度，气压和对流层顶高度登。使用GNSS信号可以测量大气中可沉淀的水量，可从大气中的水蒸气量估算出可沉淀的水量，水蒸气量与对流层湿延迟（Zenith Wet Delay, ZWD）成正比，因此可用于天气预报和极端天气现象的研究 。

准确的天气预报对于保障南极野外科考人员的人生安全具有重要作用，由于南极地区气候变化无常，而相应的气象站分布比较稀疏，各种气象资料较少，其无法满足南极科考的要求。GNSS可以进行快速高精度的水汽估算，其已经成功地应用于天气预报中，如数值天气预报（Numerical Weather Prediction，NWP）模型中 。与传统气象站资料相比，GNSS具有高时间分辨率和高空间分辨率的特性，其在南极气象研究的前景十分广阔。

对流层延迟（Zenith Tropospheric Delay, ZTD）包含两部分，对流层干延迟（Zenith Hydrostatic Delay, ZHD）和对流层湿延迟。ZTD可以通过对地面GNSS观察站网进行分析得到，或通过各种大气研究得出，这些均需要专业的软件包来实现ZTD的解算，对于普通用户来说技术难度大、操作困难。加拿大自然资源部（Natural Resources Canada, NRCan）提供的免费在线PPP服务CSRS-PPP，其支持GPS和GLONASS两个系统的PPP解算能力，利用PPP模糊度固定技术（仅固定GPS系统）实现ZTD的解算。在线PPP服务CSRS-PPP相对简单明了，其所有算法均在后台给出，用户只需通过上传观测文件，设置简单的参数就可以获得解算结果，不需要做任何复杂的附加处理。本文主要探讨利用在线PPP服务CSRS-PPP提取对流层延迟的方法，并分析在南极区域对流层的精度。

2. 利用CSRS-PPP进行对流层解算

2.1 PPP模糊度固定及对流层解算

利用PPP技术提取对流层时，通常采用无电离层组合观测值消除电离层一阶项的影响，无电离层组合PPP观测方程表示如下 ：

（1）

（2）

式中， , 分别为无电离层组合伪距和相位观测值（以周为单位）； 和 分别为接收机和卫星标识； 为测站位置 至卫星位置 的几何距离（卫地距），考虑了如天线PCO/PCV改正、固体潮和海潮等测站点位的影响等； 和 分别为接收机钟和卫星钟钟差； 为信号波长； 为浮点模糊度； ， 分别为伪距和相位观测值噪声。 、 为天顶对流层湿延迟与相应的投影函数。利用上述公式即可以对对流层参数进行估计，求解出对流层湿延迟。

利用载波相位观测值获得高精度参数估值的核心技术是整周模糊度固定，其关键是要正确处理观测值中的误差项，恢复模糊度的整数特性 ．对于PPP模糊度固定技术，主要有星间单差法 、整数相位钟法 和钟差解耦法 ，理论上这３种方法等价。模糊度固定方法均采用区域或全球范围的GPS观测网，实时或事后分离卫星相位偏差（Initial Phase Biases，IPBs），用于改正PPP相位观测值，还原非差模糊度的整数特性。与标准PPP相比，PPP模糊度固定可有效改善测站坐标解的东分量精度。对于远离地面基准站的海上动态平台定位或低轨卫星定轨而言，PPP模糊度固定算法还可有效代替目前常用的长基线解算策略。在线PPP服务CSRS-PPP的模糊度固定测量采用的是钟差解耦法，模糊度固定方法具体可以参考文献[10]。

2.2 CSRS-PPP处理方法

使用在线PPP服务CSRS-PPP处理数据非常的方便，用户只需要将观测文件上传到指定目录，设置简单的参数，并给定解算结果的地址邮箱，就可以在邮箱中获得CSRS-PPP处理的精密定位结果，不需要做其他任何的附加处理。利用CSRS-PPP服务处理每个观测文件时，其返回结果主要包括后缀名为sum的PPP处理参数信息和结果，后缀名为pos的每个历元的PPP定位结果，后缀名为csv的每个历元的位置参数结果和接收机钟差参数结果，后缀名为clk的接收机钟差结果，后缀名为tro的每个历元的对流层参数的结果，其中PPP定位结果的相关信息包含在xxxxyyyz.pos中，xxxx代表测站名，yyy 代表年积日，z为0。

3、实验分析

为了评估利用CSRS-PPP在南极地区提取对流层的精度，实验选取2020年年积日为306天采样间隔为30s的4个IGS南极站的观测数据（CAS1站、DAV1站、OHI3站、PALM），截止高度角设置为7.5度，利用CSRS-PPP的PPP静态模式解算出ZTD，然后分别将处理得到的ZTD结果与IGS提供的对应站的ZTD结果进行比较，由于IGS提供的ZTD的间隔为300s，因此将CSRS-PPP得到的ZTD的间隔重采样为300s后再进行比较。在分析ZTD精度时，同时也对3个测站的卫星数、GDOP值以及坐标解算精度进行了分析。

如图1所示为4个IGS站中某个测站（CAS1）的卫星数和GDOP值时间序列图，图中横坐标为历元数，纵坐标为卫星数或者GDOP值。由图可知，其GNSS可用卫星数（GPS+GLONASS卫星数，以下均值这两个系统）在11-24颗，大部分时间段均能保持在14颗以上； GDOP值大部分时间小于3，这能够保障PPP解算获得较好的对流层精度。

图1 CAS1站GNSS卫星可用数和GDOP值

图2为CSRS-PPP的静态PPP定位误差时序图，图中横坐标为历元，纵坐标为定位误差。由图2可知，PPP收敛后坐标解算比较稳定，收敛后可以获得1cm左右的坐标解算精度。统计收敛后的定位精度，如表1所示。

图3 CAS1站静态PPP误差时序图

表1 4个IGS测站CSRS-PPP静态PPP收敛后精度统计

图3为CAS1测站CSRS-PPP解算ZTD误差时序图。由图3可知，利用CSRS-PPP获取的ZTD具有较高的精度，统计4个南极IGS站收敛后其ZTD的绝对误差，其均在2 cm以内。分别统计4个站的ZTD收敛后精度的RMS值，其值均不超过1 cm，结果分别为0.010 m、0.009m、0.004 m、0.004 m。

图3 CAS1站CSRS-PPP解算ZTD误差时序图

本文选取4个南极IGS站的观测数据，利用CSRS-PPP模糊度固定算法提取ZTD并对其精度进行评估。结果表明，利用CSRS-PPP在南极区域可以获得较高的对流层精度，其收敛后ZTD的绝对误差在2 cm以内，其收敛后ZTD精度的RMS值不超过1 cm。

4 结 语

利用PPP技术可以对天顶对流层延迟进行精确估计，从而进行精确水汽的估算，其可以成功地应用于天气预报中。本文利用在线PPP技术CSRS-PPP模糊度固定算法提取ZTD，并与IGS提供的参考值进行比较，评估在南极区域利用CSRS-PPP提取对流层的精度。结果表明，利用CSRS-PPP在南极区域可以获得较高的对流层精度，其收敛后ZTD的绝对误差在2 cm以内，其收敛后ZTD精度的RMS值在1 cm以内。

参考文献

[1] 张士柱,李莎莎,肖伟,林晓静,孙小超,魏以宽,唐晓霏.利用Multi-GNSS估计天顶对流层延迟[J].地理空间信息,2019,17(05):68-72+5.

[2] 汪波. 局域地基GPS遥感水汽的理论及应用研究[D].贵州大学,2016.

[3] Bevis, M., Businger, S., Herring, T. A., Rocken, C., Anthes, R. A., & Ware, R. H. (1992). GPS meteorology: Remote sensing of atmospheric water vapour using the global positioning system. Journal Geophysical Research, 97, 15787–15801.

[4] 辜声峰, 多频GNSS非差非组合精密数据处理理论及其应用[D],武汉：武汉大学，2013.

[5] 叶世榕, GPS非差相位精密单点定位理论与实现[D],武汉:武汉大学, 2002.

[6] 高猛, 徐爱功, 祝会忠等.GPS长距离参考站间低高度角模糊度快速解算方法[J]．中国矿业大学学报2017，46(3):664-671.

[7] 王建敏,马天明,祝会忠.BDS/GPS整周模糊度实时快速解算[J]．中国矿业大学学报，2017, 46(3):672-678.