一种基于探空数据的经验ZTD模型改进方法技术

本发明专利技术公开了一种基于探空数据的经验ZTD模型改进方法，包括以下步骤：S1：计算测站探空数据的对流层延迟，记为ZTD

【技术实现步骤摘要】
一种基于探空数据的经验ZTD模型改进方法
本专利技术涉及全球导航系统领域，特别是涉及一种基于探空数据的经验ZTD模型改进方法。
技术介绍
无线电信号的对流层延迟是影响卫星导航定位精度特别是高程方向上的精度的重要误差源之一，在天顶方向时影响约为2m,而随着高度角的降低延迟将增大至20m。目前国际上常用的对流层天顶延迟模型主要包括Hopfield、Saastamoinen、Black等模型，其中传统的Hopfield模型和Saastamoinen模型的改正精度可达到厘米或分米级。本专利针对传统对流层天顶延迟模型在估算天顶延迟中存在的精度不高和稳定性差的问题，并考虑到两者均没有考虑年周期和半年周期变化的因素影响，其中Saastamoinen模型只考虑了纬度因素的影响，Hopfield模型既没有考虑纬度因素，也没有考虑年周期和半年周期变化的因素，提出建立一种准确可靠的对流层延迟模型或者通过对已有的对流层延迟改正模型进行改进来达到局部精化的效果，以提高区域对流层延迟改正精度，对提高GNSS导航定位的精度和可靠性有很重要的现实意义。常用的有气象参数的对流层延迟经验模型，都是通过对全球大气平均气象资料以及全球气候的分析，建立起来的全球范围内的对流层延迟模型。在局部范围内或采用区域气象数据，则此类模型的模型精度较差，没有考虑纬度以及年周期和半年周期变化的因素，尤其是在地域广阔、环境复杂的地区改正效果较为有限。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种精度高的基于探空数据的经验ZTD模型改进方法。技术方案：为达到此目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术所述的基于探空数据的经验ZTD模型改进方法，包括以下步骤：S1：计算测站探空数据的对流层延迟，记为ZTD0；S2：利用Hopfield模型计算对流层延迟，记为ZTD(H)；S3：在Hopfield模型公式的基础上增加测站纬度和与年积日信息相关的年周期和半年周期性函数，以建立非线性方程；S4：将步骤S1计算得到的对流层延迟ZTD0作为真值，用最小二乘法确定非线性方程的各项系数，确定最终改进模型方程并验证其精度。进一步，所述步骤S2中，Hopfield模型计算得到的对流层延迟ZTD(H)如式(1)所示：式(1)中，k1、k2、k3是一组跟年份有关气象常数，P0为测站的气压，T0为测站的绝对温度，e0为测站的水汽分压，HW为湿对流层顶高度，HT为对流层顶高度。进一步，所述步骤S3中建立的非线性方程如式(2)所示：式(2)中，ZTD为对流层延迟的计算值，ZTD(H)为利用Hopfield模型计算得到的对流层延迟，φ为测站纬度，doy为年积日；其中a5，a6，a7，a8是与年积日有关的周期性函数的拟合系数值，C为泰勒余项。有益效果：本专利技术公开了一种基于探空数据的经验ZTD模型改进方法，与传统的Hopfield模型相比，有效提高了计算精度。附图说明图1为本专利技术具体实施方式的探空数据提供的信息图；图2为本专利技术具体实施方式的各探空站在全球的分布状况图；图3为本专利技术具体实施方式的10个DORIS站点7年的对流层延迟分布和傅里叶功率频谱分析图；图3(a)为LIBb站点7年的对流层延迟分布和傅里叶功率频谱分析图；图3(b)为DJIb站点7年的对流层延迟分布和傅里叶功率频谱分析图；图3(c)为ARMa站点7年的对流层延迟分布和傅里叶功率频谱分析图；图3(d)为EVEb站点7年的对流层延迟分布和傅里叶功率频谱分析图；图3(e)为GAVb站点7年的对流层延迟分布和傅里叶功率频谱分析图；图3(f)为PDMb站点7年的对流层延迟分布和傅里叶功率频谱分析图；图3(g)为GREb站点7年的对流层延迟分布和傅里叶功率频谱分析图；图3(h)为WETb站点7年的对流层延迟分布和傅里叶功率频谱分析图；图3(i)为YELb站点7年的对流层延迟分布和傅里叶功率频谱分析图；图3(j)为THUb站点7年的对流层延迟分布和傅里叶功率频谱分析图；图4为采用本具体实施方式所述方法得到的模型与传统的Hopfield模型的精度对比；图4(a)为BIAS精度对比；图4(b)为RMSE精度对比。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术的技术方案作进一步的介绍。本具体实施方式公开了一种基于探空数据的经验ZTD模型改进方法，包括以下步骤：S1：计算测站探空数据的对流层延迟，记为ZTD0。具体如下：本具体实施方式采用北半球的277个站点2010年的探空数据。纬度跨度从6.96°-82.5°，分布地区从热带到北极圈。图2为各探空站在全球的分布状况图。以78897站点为例，探空数据提供了不同的等压面层的大气特性层以及风层资料，如图1所示。大气特性层参数包括位势高度(HGHT)、气温(TEMP)、露点温度(DWPT)、相对湿度(RELH)这些探测的要素。天顶方向的对流层延迟可以表示为折射率在传播路线上的积分。δ＝10-6∫N(s)dS(1)折射率N可以根据Smith-Weintarub方程，通过探空数据提供的气温(T)、压强(P)、水汽压(e)的值，利用下式计算：考虑到湿分量的影响，在建立大气折射率模型时，以11km的高度为界建立分段的函数模型。本具体实施方式采用以下公式来对负指数函数进行拟合，由此可以得到分段的大气折射率函数模型：因此对流层的总延迟函数模型为：其中，式(4)中N(h0)是地面折射率，N(11000)是11km处折射率，hT是对流层顶高度，c1与c2是折射率衰减系数，h0是测站的高程。通过前面计算的11km以下各个层折射率拟合,利用最小二乘法求解出公式(3)中的衰减系数。利用11km以上的各层折射率拟合计算出满足最小二乘的11km处的初始折射率以及衰减系数。利用公式(4)求出该站的总延迟。该延迟值δ为利用测站探空数据计算得到的对流层延迟值，即为ZTD0。S2：利用Hopfield模型计算对流层延迟，记为ZTD(H)。Hopfield模型计算得到的对流层延迟ZTD(H)如式(4)所示：式(4)中，k1、k2、k3是一组跟年份有关气象常数，P0为测站的气压，T0为测站的绝对温度，e0为测站的水汽分压，HW为湿对流层顶高度，Hopfield将HW取11000m，HT为对流层顶高度。部分计算结果如表1：表1探空数据计算结果及Hopfield计算对流层延迟偏差S3：在Hopfield模型公式的基础上增加测站纬度和与年积日信息相关的年周期和半年周期性函数，以建立非线性方程。非线性方程如式(5)所示：ZTD＝ZTD(H)+f1(doy)+g(φ)(5)式(5)中，ZTD为对流层延迟的计算值，ZTD(H)为Hopfield模型计算得到的对流层延迟，f1(doy)为年积日函数，g(φ)为纬度函数；g(φ)是关于纬度的余弦函数，根据泰勒公式，有以下公式：其中g(φ)”、g(φ)(4)、g(φ)(6)、g(φ)(8)、g(φ)(2n)分别为g(φ)二阶、四阶、六阶、八阶和2n阶导数，C为泰勒余项。为了公式的简洁性以及计算方便，这里n取到4，C取为常数，令分别为a1、a2、a3、a4则有：g(φ)＝a1φ2+a2φ4+a3φ6+a4φ8+C(7)本具体实施方式选了10个具有代表性DORIS站作为研究样本站，它们分布在北半球不同气候条件的区域。其傅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于探空数据的经验ZTD模型改进方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：计算测站探空数据的对流层延迟，记为ZTD0；S2：利用Hopfield模型计算对流层延迟，记为ZTD(H)；S3：在Hopfield模型公式的基础上增加测站纬度和与年积日信息相关的年周期和半年周期性函数，以建立非线性方程；S4：将步骤S1计算得到的对流层延迟ZTD0作为真值，用最小二乘法确定非线性方程的各项系数，确定最终改进模型方程并验证其精度。

【技术特征摘要】
1.一种基于探空数据的经验ZTD模型改进方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：计算测站探空数据的对流层延迟，记为ZTD0；S2：利用Hopfield模型计算对流层延迟，记为ZTD(H)；S3：在Hopfield模型公式的基础上增加测站纬度和与年积日信息相关的年周期和半年周期性函数，以建立非线性方程；S4：将步骤S1计算得到的对流层延迟ZTD0作为真值，用最小二乘法确定非线性方程的各项系数，确定最终改进模型方程并验证其精度。2.根据权利要求1所述的基于探空数据的经验ZTD模型改进方法，其特征在于：所述步骤S2中，Hopfield模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡伍生，杨惠，董彦锋，龙凤阳，杨雪晴，张良，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32