王郁茗,邵利民,张尚悦

(1.海军大连舰艇学院 军事海洋系,辽宁 大连 116018;

基于BDS反演海上气象要素的研究

王郁茗1,邵利民1,张尚悦2

(1.海军大连舰艇学院 军事海洋系,辽宁 大连 116018;

2.海军大连舰艇学院 航海系,辽宁 大连 116018)

海洋大气环境对舰船航行及作战有至关重要的影响,海上空中气象信息的获取依赖于探空手段的发展,然而舰船海上探空技术受制于常规方法和仪器设备的局限性而存在诸多现实问题,大大降低了舰船远海航行安全性及舰载武备的使用效能。本文针对该问题提出舰基BDS反演海上气象要素技术,研究基于地基BDS气象要素反演理论实现海上舰基反演技术的可行性,分析了海上反演气象要素存在的主要问题,并对解决相关问题的关键技术提出了研究设想。

舰船;北斗卫星导航系统;气象要素;反演

0 引 言

全球导航卫星系统(GNSS)的卫星信号穿过大气层时,会受其折射影响引起传输路径的偏折和时延效应的发生,而信号的延迟与大气参数之间具有很好的相关性,可通过反演技术得到整层大气的温度、压力、湿度、水汽等气象要素信息,这种技术称为GNSS气象学,目前该技术应用于大气探测基本上基于美国全球定位系统(GPS),且利用GPS开展气象应用已取得一定的成果,一般称为GPS气象学[1-2]。北斗系统(BDS)是我国出于国防与国家安全、国家经济安全等因素而自主研制的卫星导航系统,随着其技术日臻成熟,近几年,基于BDS的气象要素探测技术逐步发展起来。高为广、张清华和张强等[3-5]对北斗系统的系统性能、观测质量、模型精度等进行了评估,证明BDS具备大气探测的基本条件。潘文超[6]利用PANDA软件对2013年多个北斗数据接收站点的BDS原始接收数据进行解算,将解算数据与GPS解算结果进行比对,结果表明BDS解算精度与GPS相当。田耀佳[7]利用静态精密单点定位软件,基于国际GNSS服务中心(IGS)发布的BDS精密星历和精密钟差,给出了BDS估算天顶延迟结果,并与GPS估算结果比较,结果表明,利用BDS估计的对流层天顶延迟精度与GPS相当。施闯[8]对恩施、宜昌、荆州、咸宁和孝感等5个GNSS基准站数据分别进行基于BDS与GPS的数据处理分析,结果表明,BDS水汽处理结果与GPS较一致,BDS水汽探测较好地反映了实际大气可降水量的变化情况,可应用于大气水汽含量等气象要素的探测。

海上气象条件对海军活动有至关重要的影响,包括舰船的安全航行,舰载武备使用等。然而,海上大气探测受制于常规方法和仪器设备的局限性,尤其在深远海的大气环境信息的获取上存在诸多现实问题,若能利用北斗卫星导航系统探测海上气象要素,可弥补目前探测手段的不足。目前,地基BDS气象要素探测已取得初步进展,而以舰船等海上平台为载体的BDS气象要素探测研究成果尚不多见,本文探讨了基于BDS反演海上气象要素技术实现的可行性,分析了该技术应用中存在的主要问题,并对相应关键技术提出了前景展望。

1 BDS反演气象要素基本原理及反演精度比较

当BDS信号穿过50 km以下的中性大气层(包括对流层和平流层)时,会受到其折射影响,如图1所示,G为卫星到接收机的几何直线路径,S为实际传播路径,大气以两种方式影响电磁波的传播路径,一是传播路径由直线变成弯曲的路径,二是与在真空相比,电磁波的传播速度减慢效应。这两种影响都是沿射线传播路径上大气折射指数的变化造成的。在大地测量学的精密定位测量中,大气折射的影响被当作主要误差源而要设法消除掉,而在GNSS气象学中却被加以利用。通过构造BDS信号延迟量于气象要素的函数关系,即可得到相应的气象产品。

图1 BDS信号通过大气层的传播路径S和几何直线路径G

1.1基于BDS观测数据反演气温和气压

信号传播在时间上的延迟等效于传播路径长度的增加,增加的路径表示为

(1)

式中:c0为真空中的光速;Δt为信号实际传播的时间;c为信号在大气中传播速度;n(s)是大气折射指数,S是沿L的路径长度。上式第二行第一项积分项是减慢项,第二项是弯曲项,为弯曲路径与几何直线路径之差。其中信号的弯曲量很小,当信号接收仰角超过15°时,弯曲路径与几何直线路径的差小于1 cm,一般忽略不计,而信号的减慢项造成的延迟量很大。大气的折射特性是BDS反演气象要素的基础,大气折射指数n(s)和大气折射率N(s)是两个重要的概念,且两者关系为N(s)=106(n(s)-1). 大气折射参数与大气天顶总延迟量ΔL存在函数关系,具体为

(2)

式中,ΔL为由BDS原始观测数据解算得到的高精度延迟信息。通过式(2)可得大气折射参数,再根据大气折射参数与气温和气压的关系,通过构造相应函数,可反演出气温和气压的数值。例如,0.5%精度的对流层大气折射率可表述为温度和气压的函数,函数关系可表示为

N(s)=77.6(P/T)+3.73×105(e/T2) ，

(3)

式中:P为大气压强(hpa);e为水汽分压(hpa);T为大气温度(K)。

1.2基于BDS观测数据反演水汽含量

大气天顶总延迟与天顶静力延迟ΔLh,天顶湿延迟ΔLw和电离层延迟ΔLe有关。即ΔL可写成:

ΔL=ΔLh+ΔLw+ΔLe.

(4)

通过构造天顶湿延迟与水汽含量的函数关系可求解出大气水汽含量。ΔLe可通过双频北斗接收机消除掉,ΔLh可应用Saastamoinen、Hopfield或Black等模型精确计算出。从BDS原始观测数据解算得到的大气天顶总延迟量ΔL中扣除用上述方法求得的天顶电离层延迟和天顶静力延迟,即可获得天顶湿延迟,其值约为0～50 cm.再根据式(5),式(6)和式(7)反演气象要素中的水汽信息[9]。

W=Π×ΔLw,

(5)

(6)

(7)

1.3BDS反演对流层湿延迟精度与GPS结果对比分析

选取三个GNSS测站分别利用BDS与GPS反演对流层湿延迟,将反演结果精度进行对比分析,如图2所示。

图2 BDS与GPS对流层湿延迟反演精度比较(a)CUT0 测站6月份;(b)DAE2测站11月份;(c)DAE2测站11月份

如图2所示,图2(a)示出了CUT0测站6月份的反演结果,BDS与GPS反演结果平均偏差为1.5 mm;图2(b)示出了DAE2测站11月份的反演结果,BDS与GPS反演结果平均偏差为1.2 mm;图2(c)示出了DAE2测站11月份的反演结果,BDS与GPS反演结果平均偏差为1.4 mm.由此可证BDS反演结果与GPS相当,精度较高,可用于气象要素的获取。

2 BDS反演海上气象要素研究意义

海上BDS气象要素反演是地基BDS反演由陆地向海洋的延伸,也是BDS应用的拓展。连续、实时、高精度地获取海上气象信息,可提高舰船的海上大气信息获取和气象保障能力,使舰船逐步减小对近岸保障的依赖性。

2.1海上大气环境信息的获取

海洋由于缺少测站,只能获取沿岸海域的大气环境信息,深远海域则无法获取。将此技术应用于舰船上可实现无须添加任何大型设备、仅需要将现有舰载北斗接收机添加软件处理模块和体积较小的天线设备,并且无需占用太多舰船空间和消耗探空气球和探空仪等装备,就可以通过接收的BDS原始观测数据,处理反演得到舰船所在海域的气象要素信息,填补舰船航行时无法全面实时获取海上大气环境信息的空白。利用北斗反演气象要素技术,所测气象要素信息可为训练和作战的战场指挥决策提供参考依据,既有军事效益又有经济效益。

2.2海上气象保障业务应用

目前的相关研究大多是依赖岸基,如实现舰基的北斗反演,就可以利用获取的资料,结合接收到的岸基常规气象探测资料,一起嵌入气象保障部门的气象信息分析处理系统并同化到相关的数值预报模式中,提高数值预报的准确率,同时利用获取的海上空中气象数据,可开展舰船自主式气象保障研究。这在一定程度上可弥补海上资料稀少的缺陷,从而得到更详细、准确的保障产品,提高气象保障的准确性和实时性。进一步讲,所获取的气象资料经过分析积累和实际保障研究,可以建立相应数据库,优化预报模型,最终形成适用于舰船海上训练和作战的气象保障模型,从而减少舰船对岸基气象保障的依赖性,实现舰船的海上完全自主气象保障,可大大提高舰船深远海训练、作战和保障能力。

3 基于BDS反演海上气象要素关键技术展望

目前,地基BDS气象要素探测已取得初步进展,而以海上平台为载体的BDS气象要素探测还是该领域的空白,海上环境复杂多变和舰船的动态特征增加了该技术的复杂性、多变性和研究难度,需进一步深入探讨和研究。

3.1BDS海上气象要素反演须深入研究的问题

1) 远海动态气象要素提取。国外研究GNSS气象学的学者研究分析,当海上移动平台至地基GNSS参考站的距离较近(如54 km以内)时,采用GNSS双差相对定位技术进行海洋动态气象信息提取,能够较好地利用差分信号削弱电离层的影响,从而取得较好的对流层延迟估算结果。RTK技术就是将基准站采集的载波相位发给舰载接收机,进行差分解算坐标,当舰载BDS接收机至地基参考站的距离为几百海里甚至上千海里时,此种双差相对定位方法常常是不可行的,参数估计的精度也会随着基线长度的增加而降低[10-11],制约了远海气象要素的获取。

2) 海上BDS信号斜路径湿延迟估算。BDS信号的斜路径湿延迟包括各向同性部分、各向异性部分以及未模型化部分。 其中各向同性部分与方位角无关,可由天顶对流层湿延迟分量(ΔLw)和湿延迟映射函数相乘得到;各向异性部分则是考虑水汽分布的不对称性影响,随方位角的不同而有所变化,可由大气水平梯度改正模型得到;未模型化的延迟部分主要来自于映射函数、水平梯度改正等的模型误差、多路径效应、接收机钟差的残余影响等。在反演计算中,未模型化的延迟部分是影响BDS信号斜路径湿延迟估算的主要因素之一。

3.2关键技术研究展望

1) 当舰船于远海航行时,传统双差相对定位精度会随着基线长度的增加而降低,因此不宜采用。精密单点定位法(PPP)指利用一个测站的观测数据进行天顶对流层延迟估计,没有作用距离的限制,无需引入远距离参考站即可得到天顶对流层绝对延迟估计[12-13]。因此PPP法更加适用于远海动态气象要素提取。但由于海洋环境复杂多变、舰船的动态特征及海面多路径效应等因素的存在,PPP的估算精度会受到影响。在接下来的研究中可通过增加修正的水平梯度模型、舰船动态特征估计等方法提高PPP法测算精度。

2) BDS斜路径延迟中未模型化的部分一般被吸收到验后残差中,各种误差模型的参数化、精确化,及非差模糊度固定等均会影响PPP法解算精度,如何尽可能减小非大气部分的影响,从验后残差中提取非模型化的延迟部分,也是在应用PPP法解算对流层延迟时需要对其改进之处。

4 结束语

基于陆基BDS反演气象要素基本原理,研究舰船海上BDS气象要素反演技术,在海上大气环境信息获取和海上气象保障业务应用中都具有重要的研究意义,能够填补舰船航行时无法全面实时获取海上大气环境信息的技术空白,弥补目前探测手段的不足。BDS海上反演气象信息技术需解决两个问题:

1) 远海动态气象要素的提取;

2) 海上BDS信号斜路径湿延迟估算。

针对以上问题,展望研究通过增加修正的水平梯度模型、舰船动态特征估计等方法改进精密单点定位(PPP)技术,提高PPP法用于海上北斗反演的精度。

[1] BOERS R, TREGONING P, O′BRIEN D. Accuracy of absolute precipitable water vapor estimates from GPS observ-ations[J].Journal of Geophysical Research,1998,103(D22): 28701-28710.

[2] 李国平.地基GPS水汽监测技术及气象业务化应用系统的研究[J]. 大气科学学报,2011,34(4):385-392.

[3] 高为广,苏牡丹.北斗卫星导航系统试运行服务性能评估[J].武汉大学学报(信息科学版),2012,37(11):1352-1355.

[4] 张清华,隋立芬.北斗卫星导航系统空间信号误差统计分析[J].武汉大学学报(信息科学版),2014,39 (3):271-274.

[5] 张强,赵齐乐,等.北斗卫星导航系统Klobuchar模型精度评估[J].武汉大学学报(信息科学版),2014, 39(2):142-146.

[6] 潘文超,郝金明,刘伟平,等. 北斗区域系统解算对流层天顶延迟比对分析[J]. 全球定位系统,2014,39(4):12-15.

[7] 田耀佳,赵振维,朱庆林，等. 基于北斗的精密单点定位估计对流层天顶延迟精度分析[J]. 全球定位系统,2014,39(6):11-14.

[8] 施闯,王海深,曹云昌,等.基于北斗卫星的水汽探测性能分析[J].武汉大学学报(信息科学版),2016,41(3):285-289.

[9] 郭巍,尹球,杜明斌，等. 利用地基北斗站反演大气水汽总量的精度检验[J]. 应用气象学报,2015，26(3):346-353.

[10] CHADWELL C D, BOCK Y. Direct estimation of absolute precipitable water in oceanic regions by GPS tracking of a coastal buoy [J].Geophysical Research Letters,2001,28(19): 3701-3704.

[11] SCHULER T. GNSS meteorology on moving platforms-advances and limitation in kinematic water vapor estimation[J].Inside GNSS,2006(4):56-60.

[12] BISNATH S, GAO Y. Precise point positioning[J]. GPS World, 2009, 20(4350): 4.

[13] 范士杰,刘焱雄,张健. PPP与GAMIT/TRACK在地震监测中的应用[J]. 测绘科学,2013(2):184-186.

ResearchforMaritimeMeteorologicalElementsInversionUsingShip-BasedBDS

WANGYuming1,SHAOLimin1,ZHANGShangyue2

(1.Dept.ofMilitaryOceanography,DalianNavalAcademy,Dalian116018,China;2.Dept.ofNavigation,DalianNavalAcademy,Dalian116018,China)

The marine atmospheric environment has important influence on navigating and fighting. The acquisition of meteorological information in the sea depends on the development of sounding means. However, the marine sounding technology is limited by conventional methods and instruments. Greatly reducing the safety of ships navigational and naval combat effectiveness of the use of weapons. In this paper,propose maritime battlefield meteorological elements inversion using ship-based BDS to solve the problem. Study feasibility of this technology based on ground-based BDS Meteorological Elements inversion theory. Analyze the main problems of maritime battlefield meteorological elements inversion. And prospect the key techniques about solving the related issues.

Warship; BeiDou Navigation Satellite System;meteorological elements; inversion

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.04.010

P228.4

A

1008-9268(2017)04-0055-05

2017-03-06

联系人: 王郁茗 E-mail: dlwangyuming@163.com

王郁茗(1990-),男,博士研究生,研究方向为军事航海安全保障与防护技术。

邵利民(1963-),男,教授,博导,研究方向为军事航海安全保障与防护技术。

张尚悦(1970-),男,教授,研究方向为军事航海的理论与方法。