一种基于CORS的区域大气水汽实时监测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于CORS的区域大气水汽实时监测方法及系统，其中方法包括步骤：将各CORS站的观测值实时汇集到数据中心形成GNSS数据；获取IGS精密轨道和精密钟差实时改正产品，并读入GNSS数据，采用精密单点定位技术估测各CORS站上空的大气总延迟；利用全球加权平均温度模型将大气总延迟中的湿延迟转换为大气水汽含量，得到所有CORS站天顶上空的大气水汽含量；采用克里金插值法将所述大气水汽含量插值获得特定时间分辨率与特定空间分辨率的区域大气水汽含量；利用区域大气水汽含量，实现区域上空水汽含量的实时监测。其显著效果是：实现了实时、稳定、高精度、高时空分辨率、全天候和全天时的水汽监测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于CORS的区域大气水汽实时监测方法及系统
本专利技术涉及到大气水汽探测
，具体涉及一种基于CORS的区域大气水汽实时监测方法。
技术介绍
水汽是地球大气中的微量气体，在大气中所占比例很小，仅0.1％～3％，却是大气中最活跃的组分，水汽相比于其他微量气体更具有重要性。天气现象大多是大气水汽变化的结果，水汽在相变过程中吸收和释放大量潜热，直接影响地面和空气温度，进而影响大气垂直稳定度和对流天气系统的形成。大气水汽的三维分布、水汽垂直输送和相变是制约中尺度天气系统发展的动力机制之一。目前，常规大气水汽探测手段有无线电探空、微波辐射计和卫星遥感。然而这些探测手段有如下不足：无线电探空仪不能重新利用，成本高昂；同时气象站一般会采用每6小时或12小时进行一次探空观测，其时间分辨率太低，无法做到实时大气水汽监测；微波辐射计是被动地接收各个高度传来的温度辐射的微波信号来测量大气参数，设备成本更高，其单台设备的价格达到了数十万元人民币；卫星遥感方式中由于卫星重访同一地点的时间间隔较长，以MODIS为例，其卫星的重访周期为一天四次，远远达不到实时水汽监测的目的，此外，MODIS进行水汽探测还受到云雨的影响。随着GNSS应用领域的不断发展，GNSS气象学成为一种较新的水汽探测方式，利用放置在地面上的GNSS接收机，接收测量GNSS卫星的信号纵向穿过大气层到达地面所引起的延迟量，进而反演出天顶方向整层大气层或信号斜路径上的大气水汽的累积量，具有精度高、时空分辨率高、连续、不受云雨影响、成本低等特点，是一种新型廉价的大气水汽探测方法。常用的基于GNSS进行大气水汽探测方法是精密单点定位(PrecisionPointPositioning，PPP)技术。该方法利用精密轨道和精密钟差，解算GNSS测站的天顶大气湿延迟，再利用加权平均温度将大气湿延迟转换为大气水汽。国际GNSS组织向全球提供精密星历和钟差产品，成为精密单点定位的必要条件。但是，事后的精密星历和钟差产品，如最终星历或快速星历存在十几天至几天的延迟，只能进行事后大气水汽的计算，无法满足实时大气水汽的监测。超快星历延迟3小时发布，并且预报的轨道精度满足精密单点定位的要求，但钟差精度有限，无法进行毫米级大气水汽监测。综上而言，虽然各种基于GNSS的大气水汽探测方法被提出，但目前基于GNSS尚无真正实时的低成本廉价的大气水汽监测手段。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种基于CORS的区域大气水汽实时监测方法及系统，通过收集CORS站观测数据和IGS精密轨道和钟差实时改正产品，并利用精密单点定位技术估计测站天顶方向的对流层延迟，最后转换得到区域大气水汽含量产品，达到对区域上空水汽含量的实时监测。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种基于CORS的区域大气水汽实时监测方法，其关键在于，包括以下步骤：步骤1、将GNSS系统中各CORS站的观测值，以特定频率实时汇集到数据中心形成GNSS数据，并存入观测值数据库；步骤2、获取IGS精密轨道和精密钟差实时改正产品，并读入GNSS数据，采用精密单点定位技术估测各CORS站上空的大气总延迟；步骤3、利用全球加权平均温度模型将大气总延迟中的湿延迟转换为大气水汽含量，得到所有CORS站天顶上空的大气水汽含量；步骤4、采用克里金插值法将所述大气水汽含量进行插值处理，获得特定时间分辨率与特定空间分辨率的区域大气水汽含量；步骤5、利用区域大气水汽含量，实现区域上空水汽含量的实时监测。进一步的，步骤1中所述特定频率为1HZ。进一步的，所述IGS精密轨道和精密钟差实时改正产品的获取过程为：将IGS实时服务产品提供的精密轨道改正数与精密钟差改正数，应用于广播星历的轨道和钟差，生成IGS精密轨道和精密钟差实时改正产品，并存入精密轨道和钟差数据库。进一步的，所述精密单点定位技术进行大气总延迟估测时，所采用的数据为每隔时间段T1从观测值数据库提取的包含最临近时间段T2数据的RINEX文件，以及每隔时间段T3从精密轨道和钟差数据库提取的包含最临近时间段T4数据的精密轨道和精密钟差文件。进一步的，所述时间段T1与T3的值均为5min，所述最临近时间段T2与T4的值均为2h。进一步的，所述全球加权平均温度模型采用GTm-III模型，公式如下：PWV＝Π×ZWD，其中，PWV为大气水汽含量，为转换因子，ρw为液态水密度，Rv为水汽气体常数，k'2、k3为大气折射常数，Tm为加权平均温度，ZWD＝ZTD-ZHD为大气湿延迟，ZTD为大气天顶总延迟，ZHD为静力学延迟。进一步的，所述克里金插值法的数学表达式为：其中，Z(x0)为未采样点x0处的大气水汽含量，Z(xi)为采样点xi处的大气水汽含量，λi为权系数，i＝1,2,…,n。根据上述的基于CORS的区域大气水汽实时监测方法，本专利技术还提出了一种区域大气水汽实时监测系统，其关键在于：包括CORS数据实时采集模块、RTS数据实时采集模块、实时精密星历生成模块、实时数据管理模块与数据处理模块；所述CORS数据实时采集模块，用于以每秒的时间间隔接收RTCM格式的CORS站观测数据；所述RTS数据实时采集模块，用于实时接收RTS轨道改正数和RTS钟差改正数，并将数据传入实时精密星历生成模块；所述实时精密星历生成模块，用于将RTS轨道改正数和RTS钟差改正数应用于广播星历，生成精密轨道和精密钟差实时改正产品；所述实时数据管理模块，用于以数据库的形式管理CORS站观测数据、精密轨道和精密钟差实时改正产品，并将CORS站观测数据每隔时间段T1生成一次包含最临近时间段T2内数据的RINEX文件，以及将精密轨道和精密钟差产品每隔时间段T3生成一次包含最临近时间段T4内数据的精密轨道和精密钟差文件；所述数据处理模块，用于利用精密单点定位技术对RINEX文件、精密轨道和精密钟差产品进行精密单点定位，生成各CORS站上空的大气总延迟，并分离出天顶湿延迟；利用全球加权平均温度模型将大气总延迟中的湿延迟转换为各CORS站上空的大气水汽含量；采用克里金差值法插值得到特定时间分辨率与特定空间分辨率的区域大气水汽含量数据；依据区域大气水汽含量数据实现区域上空水汽含量的实时监测。所述的基于CORS的区域大气水汽实时监测系统还包括显示模块和产品服务模块，所述显示模块用于实时显示区域大气水汽含量随时间的变化情况；所述产品服务模块用于查询、统计和下载大气水汽含量数据。进一步的，所述时间段T1与T3的值均为5min，所述最临近时间段T2与T4的值均为2h。显著效果是：本专利技术通过收集GNSS站观测数据和IGS精密轨道和钟差产品，并利用精密单点定位技术估计测站天顶方向的对流层延迟，最后利用区域大气水汽含量产品，达到对区域上空水汽含量的实时监测，从而实现了实时稳定地提供基于GPS、GLONASS和北斗系统的高时空分辨率区域对流层延迟产品，以及毫米级精度的大气水汽产品，为改善短期临近的精细化气象预报提供了高精度可靠的数据依据；区域CORS为服务于区域经济建设的基础设施，一经建设完成，即可长期无间断跟踪观测GNSS卫星，而基于CORS的实时水汽产品，是CORS的增值服务，在不增加建设成本的情况下，利用该技术能够提供稳定、高精度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于CORS的区域大气水汽实时监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将GNSS系统中各CORS站的观测值，以特定频率实时汇集到数据中心形成GNSS数据，并存入观测值数据库；步骤2、获取IGS精密轨道和精密钟差实时改正产品，并读入GNSS数据，采用精密单点定位技术估测各CORS站上空的大气总延迟；步骤3、利用全球加权平均温度模型将大气总延迟中的湿延迟转换为大气水汽含量，得到所有CORS站天顶上空的大气水汽含量；步骤4、采用克里金插值法将所述大气水汽含量进行插值处理，获得特定时间分辨率与特定空间分辨率的区域大气水汽含量；步骤5、利用区域大气水汽含量，实现区域上空水汽含量的实时监测。

【技术特征摘要】
1.一种基于CORS的区域大气水汽实时监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将GNSS系统中各CORS站的观测值，以特定频率实时汇集到数据中心形成GNSS数据，并存入观测值数据库；步骤2、获取IGS精密轨道和精密钟差实时改正产品，并读入GNSS数据，采用精密单点定位技术估测各CORS站上空的大气总延迟；步骤3、利用全球加权平均温度模型将大气总延迟中的湿延迟转换为大气水汽含量，得到所有CORS站天顶上空的大气水汽含量；步骤4、采用克里金插值法将所述大气水汽含量进行插值处理，获得特定时间分辨率与特定空间分辨率的区域大气水汽含量；步骤5、利用区域大气水汽含量，实现区域上空水汽含量的实时监测。2.根据权利要求1所述的基于CORS的区域大气水汽实时监测方法，其特征在于：步骤1中所述特定频率为1HZ。3.根据权利要求1所述的基于CORS的区域大气水汽实时监测方法，其特征在于：所述IGS精密轨道和精密钟差实时改正产品的获取过程为：将IGS实时服务产品提供的精密轨道改正数与精密钟差改正数，应用于广播星历的轨道和钟差，生成IGS精密轨道和精密钟差实时改正产品，并存入精密轨道和钟差数据库。4.根据权利要求1所述的基于CORS的区域大气水汽实时监测方法，其特征在于：步骤2中所述精密单点定位技术进行大气总延迟估测时，所采用的数据为每隔时间段T1从观测值数据库提取的包含最临近时间段T2数据的RINEX文件，以及每隔时间段T3从精密轨道和钟差数据库提取的包含最临近时间段T4数据的精密轨道和精密钟差文件。5.根据权利要求4所述的基于CORS的区域大气水汽实时监测方法，其特征在于：所述时间段T1与T3的值均为5min，所述最临近时间段T2与T4的值均为2h。6.根据权利要求1所述的基于CORS的区域大气水汽实时监测方法，其特征在于：所述全球加权平均温度模型采用GTm-III模型，公式如下：PWV＝Π×ZWD，其中，PWV为大气水汽含量，为转换因子，ρw为液态水密度，Rv为水汽气体常数，k'2、k3为大气折射常数，Tm为加权平均温度，ZWD＝ZTD-ZHD为大气湿延迟，ZTD为...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚宜斌，孔建，刘邢巍，许超钤，张良，彭文杰，张泽烈，刘磊，蒲德祥，吴国梁，
申请(专利权)人：武汉大学，重庆市地理信息中心，
类型：发明
国别省市：湖北,42