一种基于函数基的三维水汽探测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于函数基的三维水汽探测方法，包括步骤：一、观测数据接收和解算；二、大气对流层参数解算；三、卫星信号斜路径上大气水汽含量SWV的计算；四、建立函数基观测方程；五、构建先验约束方程；六、建立基于函数基的三维水汽层析模型；七、确定函数基三维水汽层析模型中各类参数权比；八、基于函数基的三维水汽层析模型的待估参数解算及结果显示。本发明专利技术以函数基观测方程为基础，建立新的函数基层析模型，通过引入函数基观测方程，保证待估水汽密度参数的空间连续性，降低待估参数的个数，增强层析模型结构的稳定性，确保重构水汽结果的精度和可靠性。

A three-dimensional water vapor detection method based on function base

【技术实现步骤摘要】
一种基于函数基的三维水汽探测方法
本专利技术属于气象水汽探测
，具体涉及一种基于函数基的三维水汽探测方法。
技术介绍
全球定位系统探测水汽技术已经成为获取大气中三维水汽信息的主要技术之一。传统的GPS层析技术采用像素基水汽层析方法，即将研究区域在三维方向上划分为若干的网格，并假定每个网格内的水汽密度信息在给定的时间范围内为一常数，然后利用穿过研究区域的卫星信号建立观测方程。由于研究区域内接收机几何位置的确定性以及卫星星座的几何结构影响，在研究区域的底面，射线集中穿过接收机所在的网格，研究区域的底面未设置接收机的网格以及研究区域的侧面很少有射线穿过，因此，需要加入某些约束条件，如水平约束和垂直约束等，对没有射线穿过的网格进行约束。上述基于像素基的三维水汽重构方法存在一定的缺陷，如将研究区域强制性地分为若干个三维立体网格时，破坏了水汽在空间和时间分布上的连续性；引入水平约束和垂直约束等信息时，引入的信息对于网格间的约束可能并不是十分准确，会导致三维水汽重构结果质量较低，甚至偏离其真值；此外，即使加入水平和垂直约束等先验信息，也没有很好地解决层析法方法在求逆过程中的秩亏问题。因此，本专利技术针对传统像素基三维水汽层析方法的缺陷，提出了一种基于函数基的三维水探测方法。该方法未在层析模型中引入水平约束和垂直约束等信息，避免先验模型信息不准确对网格间相互约束的影响；未对水平方向上的研究区域进行强制性网格划分，保证了水汽在空间分布上的连续性和一致性；降低了待估水汽参数的个数，只对水汽函数系数进行估计，提高解算效率。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于函数基的三维水汽探测方法，以函数基观测方程为基础，建立新的函数基层析数学模型，通过引入函数基层析观测方程，保证待估水汽密度参数的空间连续性，降低待估参数的个数，增强层析模型结构的稳定性，确保重构水汽结果的精度和可靠性，便于推广使用。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于函数基的三维水汽探测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、观测数据接收和解算：在研究区域的底面上布设GPS接收机，采用GPS接收机接收卫星射线的伪距和载波相位观测数据，测站处理机利用精密单点定位原理对观测数据进行解算得到天顶对流层总延迟ZTD、卫星射线东西方向上的梯度GW和卫星射线南北方向上的梯度GN，采用气象传感器实时采集GPS接收机所处位置的气温和气压数据；步骤二、大气对流层参数解算：根据公式计算天顶静力学延迟ZHD和天顶湿延迟量ZWD，其中，P为地表气压，为GPS接收机的纬度，H为GPS接收机距离地面的高度；步骤三、卫星信号斜路径上大气水汽含量SWV的计算：根据公式SWD＝mw(ele)·ZWD+mw(ele)·cot(ele)·(GN·cos(azi)+GW·sin(azi))，计算卫星信号斜路径上的湿延迟SWD，再根据公式计算卫星信号斜路径上大气水汽含量SWV，其中，mw表示湿映射函数，ele表示卫星高度角，azi表示卫星方位角，∏为转换因子，Rv为水汽气体常数且Rv＝461.495J·kg-1·K-1，k3和k'2均为气体常数，k'2＝22.1±2.2K·mb-1，k2＝373900K2·mb-1，Tm为加权平均温度且Tm＝70.2+0.72Ts，Ts为气象传感器实测的地面温度且Ts的单位为K；步骤四、建立函数基观测方程：将所述研究区域在垂直方向上分为多层水汽空间，保证每一层上水汽空间分布的连续性，采用测站处理机获取每一层的函数基，即每i层水汽空间的水汽密度函数其中，i为水汽空间层数编号且i≥1，ai0～ai7为第i层水汽空间的水汽密度函数的多项式的系数，bi为卫星射线与第i层水汽空间中线交点的经度，li为卫星射线与第i层水汽空间中线交点的纬度；根据公式计算卫星射线p在第i层水汽空间内射线路径上的SWV值其中，为卫星射线p在第i层水汽空间内射线路径的截距且其中，(bp,i,lp,i,hp,i)为卫星射线p与第i层水汽空间上面的交点坐标，(bp,i-1,lp,i-1,hp,i-1)为卫星射线p与第i层水汽空间下面的交点坐标，(bp,1,lp,1,hp,1)为卫星射线p与每1层水汽空间上面的交点坐标，(bp,0,lp,0,hp,0)为卫星射线p对应所述研究区域的底面上GPS接收机的坐标位置，所述研究区域的底面为每1层水汽空间下面；采用测站处理机对卫星射线信号路径上大气水汽含量SWV建立基于函数基的观测方程：其中，(a10,...,a17,a20,...,a27,...,aI0,...,aI7)为划分了I层水汽空间的所述研究区域中水汽密度函数的8×I个待估参数，其中，I为水汽空间层数划分的总层数；步骤五、构建先验约束方程：将无线电探空仪搭载在气象气球上，所述气象气球从地面上升至大气层，利用所述气象气球上升过程采用无线电探空仪获取水汽空间每一层上无线电探空仪在所处位置的温度和水汽压并将数据传输至测站处理机，采用测站处理机根据公式计算第k层水汽空间上的水汽密度初值其中，ek为无线电探空仪获取的第k层水汽空间上的水汽压，Tk为无线电探空仪获取的第k层水汽空间上的温度；采用测站处理机根据函数基的表达形式建立先验约束方程：(bk-1,k,lk-1,k)为无线电探空仪所在位置的坐标，ak0～ak7为先验约束方程中第k层水汽空间的系数且k≤I；步骤六、建立基于函数基的三维水汽层析模型：测站处理机通过函数基的观测方程和先验约束方程建立三维水汽层析模型，如下：LB为由函数基的观测方程组成的列向量，ρP为由分层的先验约束方程组成的列向量，m1为观测方程的个数，m2为先验约束方程的个数，n为待估参数的个数，B为观测方程的系数矩阵，P为先验约束方程的系数矩阵，an×1为由n个待估参数的组成的列向量，Δ为三维水汽层析模型的噪声；步骤七、确定函数基三维水汽层析模型中各类参数权比，过程如下：步骤701、观测方程的观测值权比的确定：根据公式Pele＝pow(sin(ele),2)，计算观测方程受卫星高度角的影响时的比重Pele，其中，pow(·)为幂函数；根据公式PDist＝1/(1+Dist)，计算观测方程受卫星射线在研究区域内截距影响时的比重PDist，其中，Dist为卫星射线在研究区域内截距且(bp,I,lp,I,hp,I)为卫星射线p与所述研究区域最高层的中心线的交点坐标；根据公式PTcorr＝cos(Tcorr)，计算观测方程受时间间隔Tcoor影响时的比重PTcorr，其中，Obstime为观测方程的观测历元，Tomtime为实际的层析历元，Tinterval为实际的层析时间间隔；根据公式计算观测方程的观测值权比步骤702、先验约束方程的观测值权比的确定：测站处理机利用实际的层析历元Tomtime前S天无线电探空仪获取的水汽空间每一层的水汽密度值的标准差stdi，计算水汽空间每一层的先验约束方程的观测值权比步骤703、初始化观测方程和先验约束方程的单位权方差：利用测站处理机初始化观测方程的单位权方差和先验约束方程的单位权方差使步骤704、对步骤六中的三维水汽层析模型进行最小二乘平差，得到由n个待估参数的组成的列向量an×1的初值a0且a0＝(U本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于函数基的三维水汽探测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、观测数据接收和解算：在研究区域的底面上布设GPS接收机(1)，采用GPS接收机(1)接收卫星射线的伪距和载波相位观测数据，测站处理机(4)利用精密单点定位原理对观测数据进行解算得到天顶对流层总延迟ZTD、卫星射线东西方向上的梯度GW和卫星射线南北方向上的梯度GN，采用气象传感器(2)实时采集GPS接收机(1)所处位置的气温和气压数据；步骤二、大气对流层参数解算：根据公式

【技术特征摘要】
1.一种基于函数基的三维水汽探测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、观测数据接收和解算：在研究区域的底面上布设GPS接收机(1)，采用GPS接收机(1)接收卫星射线的伪距和载波相位观测数据，测站处理机(4)利用精密单点定位原理对观测数据进行解算得到天顶对流层总延迟ZTD、卫星射线东西方向上的梯度GW和卫星射线南北方向上的梯度GN，采用气象传感器(2)实时采集GPS接收机(1)所处位置的气温和气压数据；步骤二、大气对流层参数解算：根据公式计算天顶静力学延迟ZHD和天顶湿延迟量ZWD，其中，P为地表气压，为GPS接收机(1)的纬度，H为GPS接收机(1)距离地面的高度；步骤三、卫星信号斜路径上大气水汽含量SWV的计算：根据公式SWD＝mw(ele)·ZWD+mw(ele)·cot(ele)·(GN·cos(azi)+GW·sin(azi))，计算卫星信号斜路径上的湿延迟SWD，再根据公式计算卫星信号斜路径上大气水汽含量SWV，其中，mw表示湿映射函数，ele表示卫星高度角，azi表示卫星方位角，∏为转换因子，Rv为水汽气体常数且Rv＝461.495J·kg-1·K-1，k3和k'2均为气体常数，k'2＝22.1±2.2K·mb-1，k2＝373900K2·mb-1，Tm为加权平均温度且Tm＝70.2+0.72Ts，Ts为气象传感器(2)实测的地面温度且Ts的单位为K；步骤四、建立函数基观测方程：将所述研究区域在垂直方向上分为多层水汽空间，保证每一层上水汽空间分布的连续性，采用测站处理机(4)获取每一层的函数基，即每i层水汽空间的水汽密度函数其中，i为水汽空间层数编号且i≥1，ai0～ai7为第i层水汽空间的水汽密度函数的多项式的系数，bi为卫星射线与第i层水汽空间中线交点的经度，li为卫星射线与第i层水汽空间中线交点的纬度；根据公式计算卫星射线p在第i层水汽空间内射线路径上的SWV值其中，为卫星射线p在第i层水汽空间内射线路径的截距且其中，(bp,i,lp,i,hp,i)为卫星射线p与第i层水汽空间上面的交点坐标，(bp,i-1,lp,i-1,hp,i-1)为卫星射线p与第i层水汽空间下面的交点坐标，(bp,1,lp,1,hp,1)为卫星射线p与每1层水汽空间上面的交点坐标，(bp,0,lp,0,hp,0)为卫星射线p对应所述研究区域的底面上GPS接收机(1)的坐标位置，所述研究区域的底面为每1层水汽空间下面；采用测站处理机(4)对卫星射线信号路径上大气水汽含量SWV建立基于函数基的观测方程：其中，(a10,...,a17,a20,...,a27,...,aI0,...,aI7)为划分了I层水汽空间的所述研究区域中水汽密度函数的8×I个待估参数，其中，I为水汽空间层数划分的总层数；步骤五、构建先验约束方程：将无线电探空仪(3)搭载在气象气球上，所述气象气球从地面上升至大气层，利用所述气象气球上升过程采用无线电探空仪(3)获取水汽空间每一层上无线电探空仪(3)在所处位置的温度和水汽压并将数据传输至测站处理机(4)，采用测站处理机(4)根据公式计算第k层水汽空间上的水汽密度初值其中，ek为无线电探空仪(3)获取的第k层水汽空间上的水汽压，Tk为无线电探空仪(3)获取的第k层水汽空间上的温度；采用测站处理机(4)根据函数基的表达形式建立先验约束方程：(bk-1,k,lk-1,k)为无线电探空仪(3)所在位置的坐标，ak0～ak7为先验约束方程中第k层水汽空间的系数且k≤I；步骤六、建立基于函数基的三维水汽层析模型：测站处理机(4)通过函数基的观测方程和先验约束方程建立三维水汽层析模型，如下：LB为由函数基的观测方程组成的列向量，ρP为由分层的先验约束方程组成的列向量，m1为观测方程的个数，m2为先验约束方程的个数，n为待估参数的个数，B为观测方程的系数矩阵，P为先验约束方程的系数矩阵，an×1为由n个待估参数的组成的列向量，Δ为三维水汽层析模型的噪声；步骤七、确定函数基三维水汽层析模型中各类参数权比，过程如下：步骤701、观测方程的观测值权比的确定：根据公式Pele＝pow(sin(ele),2)，计算观测方程受卫星高度角的影响时的比重Pele，其中，pow(·)为幂函数；根据公式PDist＝1/(1+Dist)，计算观测方程受卫星射线在研究区...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵庆志，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61