联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法技术

本发明专利技术公开了一种联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法，包括如下步骤：获取基础观测量，包括GNSS天线位置处气象参数，GNSS定位信息和天顶总延迟，测风激光雷达分层高度上的垂直风速；提取中间变量，包括利用压高方程计算气压廓线，利用映射函数计算斜路径总延迟，结合数值仿真和参数优化方法反演湿折射率廓线；计算Brunt

【技术实现步骤摘要】
联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法


[0001]本专利技术涉及一种联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法。

技术介绍

[0002]目前，获取对流层大气温湿廓线的方式可分为接触式探测和非接触式探测两种类型。常用的接触式探测方式主要是施放探空气球或探空火箭，其时空分辨率受限，在海上可操作性较低，大多应用于陆基观测平台。常用的非接触式探测方式包括微波辐射计、拉曼温湿激光雷达等，虽然能够达到较高的时间分辨率，但由于对安装平台稳定性要求高、依赖历史探空数据、结构复杂功耗大、安装维护成本高等局限性，亦难以应用于海基观测平台。
[0003]随着北斗卫星导航系统的建成，全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)已有100多颗卫星在轨运行。L频段导航卫星信号在对流层大气中传播，其时频特征承载了传播路径上气象参数的时空变化，可用于反演对流层温湿廓线。另外，小型化测风激光雷达与测风激光雷达海洋浮标的发展，为反演对流层温湿廓线提供了另一重要信号源。

技术实现思路

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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，获取基础观测量，包括：利用气象要素传感器测量GNSS天线位置处气象参数，包括气温、气压和比湿；利用GNSS接收机进行实时精密单点定位并估计天顶总延迟；利用测风激光雷达测量分层高度上的垂直风速；步骤二，提取中间变量，包括：根据GNSS天线位置处的气温和气压，利用压高方程计算气压廓线；根据天顶总延迟，利用映射函数计算斜路径总延迟；利用斜路径总延迟的理论值和观测值，结合数值仿真和参数优化方法反演湿折射率廓线；利用分层高度上的垂直风速计算Brunt
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频率，并利用Brunt
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频率反演虚位温廓线；步骤三，求解最终输出变量，利用步骤二获得的气压廓线、湿折射率廓线和虚位温廓线，构造以各层高度处气温和比湿为未知量、各层高度处湿折射率和虚位温为因变量的二元非线性方程组，求解所述二元非线性方程组，剔除复数解和非物理含义解，得到各层高度处气温和比湿，形成对流层温湿廓线。2.根据权利要求1所述的一种联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法，其特征在于，步骤一中，GNSS天线位置处气象参数包括气温T0、气压P0和比湿q0；实时精密单点定位包括GNSS天线位置处的经度lon、纬度lat和高程h0，由GNSS定位过程获得；天顶总延迟ZTD，由GNSS定位过程中通过参数估计获得；分层高度上的垂直风速表示为w
i
(t)，w
i
表示第i层高度处的垂直风速，为一个时间序列，t代表时间。3.根据权利要求1所述的一种联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法，其特征在于，步骤二中，计算气压廓线的具体方法如下：对流层大气高度h
i
处的气压P
i
由下式进行计算：
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（1） 其中，T0、P0分别为GNSS天线位置处的气温和气压。4.根据权利要求1所述的一种联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法，其特征在于，步骤二中，计算斜路径总延迟的具体方法如下：（1）由Saastamoninen模型计算天顶干延迟ZHD：
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（2）其中，lat为GNSS天线位置处的纬度，P0为GNSS天线位置处的气压；（2）提取天顶湿延迟ZWD：
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（3）其中，ZTD为天顶总延迟；（3）计算斜路径干延迟观测值 和斜路径湿延迟观测值 ：由映射函数将ZHD、ZWD分别映射到各卫星斜路径方向，得到：
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（4）其中， 为卫星的仰角，为干项映射函数，为湿项映射函数；（4）计算各颗卫星的斜路径总延迟观测值 ：
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（5）。5.根据权利要求1所述的一种联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法，其特征在于，步骤二中，反演湿折射率廓线的具体方法如下：首先，构造候选的折射率廓线N
i
，利用构造的折射率廓线N
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进行射线追踪或抛物方程仿真，得到各颗卫星的斜路径总延迟的理论值，记为 ；然后，计算斜路径总延迟的理论值和观测值之间的均方根误差，选择最小的均方根误差对应的折射率廓线为最优解，即
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（6）其中，为各颗卫星的斜路径总延迟的观测值，为各颗卫星的斜路径总延迟的理论值和观测值之间的均方根误差函数；最后，计算湿折射率廓线：折射率廓线的最优解 由干项 和湿项 组成，其中，干项 由Hopfield模型进行近似：
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（7）其中，h
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是第i层的高度，h0为GNSS天线位置处的高度，T0为GNSS天线位置处的气温；湿项由下式获得：
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（8）
不同层高度处的湿项 形成湿折射率廓线。6.根据权利要求1所述的一种联合GNSS与测风激光雷达的对流层温湿廓线反演方法，其特征在于，步骤二中，计算Brunt
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频率...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡桐，王波，仇志金，邹靖，李志乾，
申请(专利权)人：山东省科学院海洋仪器仪表研究所，
类型：发明
国别省市：