韩晓冬,王浩森,王建雯,王硕,王杰

(山东科技大学 测绘科学与工程学院,山东 青岛 266590)

利用Bernese解算地基GPS天顶总延迟

韩晓冬,王浩森,王建雯,王硕,王杰

(山东科技大学 测绘科学与工程学院,山东 青岛 266590)

主要介绍利用Bernese软件解算天顶总延迟的方法,及遇到的一系列问题和解决方法,意在为以后更加深入研究GPS数据反演大气可降雨量做准备。通过对拉萨站、上海站、台湾站、长春站4个IGS测站天顶总延迟的数据对比,相同时期不同地区天顶总延迟存在较大差异,在相同地区不同时间天顶总延迟也有所不同。

Bernese;GPS;天顶总延迟;数据处理

0 引 言

水汽是大气的主要组成部分,约占大气总体积的百分之四,是空气中唯一变化尺度较大的大气成分。水汽的变化是气候变化的重要驱动力,直接影响着能量输送、辐射平衡、降雨和云雾的形成[1]。在大气环流中,水汽是其主要参与者,水汽的分布不均匀,倘若大量聚集与同一地区,就会形成恶劣天气,影响人们生活,甚至造成经济损失。因此监测水汽变化具有重要意义。目前探测水汽的方法常有无线电探空、遥感图像反演、微波辐射计和GPS反演大气等。无线探空电方法只能每天早晚两次探空气球成本高、时间分辨率低,无法大面积推广使用。遥感探测、气象卫星通常是利用微波波段和红外波段光谱来探测水汽的,然而红外波段在云层较多时,其容易被云吸收,不能准确地探测云层下部的水汽信息,导致大气底层部分探测细节不足。综上所述,这些常用水汽探测方法各有缺陷,因此需要一种高精度、成本低、全天候、探测范围广的水汽探测方法。

在上世纪90年代 Bevis等人首次提出了利用地基GPS探测水汽的方法。具有成本低、全天候、探测范围广、实时长时段观测的特点,因此利用GPS探测可降水汽量逐渐成为一种新型大气探测手段[2]。而进行GPS探测可降雨量的第一步就是解算天顶总延迟,由得到的总延迟得到对流层延迟,将对流层延迟减去由SA模型、Hopfield模型或Black模型计算得到的静力学延迟,最后得到需要的湿延迟,再根据测站点的纬度、气压、海拔高度进而得到可降雨量。下面详细介绍运用Bernese利用IGS提供的数据求得测站的天顶总延迟[3]。

1 利用Bernese解算天顶总延迟步骤

1.1Bernese简介

Bernese是瑞士伯尔尼大学研制的一种广泛应用于科研及实际生产的高精度GPS数据处理软件。该软件提供Windows和Unix操作系统两个版本,能处理SLR、GLONASS、GPS数据。Bernese与GAAMIT、GIPSY和德国的GFZ的EPOS软件并称为国际四大高精度GPS数据处理软件。它们都是IGS数据中心采用的具有高精度、功能强大、模块化、运行速度快、稳健的数据处理软件。Bernese既有类似GAMIT开源的代码,也有GIPSY非差处理特性。除此之外,Bernese一直保持人为的开发维护,处理方法及处理模型都能保持行业领先水平。因此它特别适合科研机构和高校实施高精度GPS测量,这也是笔者采用Bernese进行此次解算GPS天顶延迟的原因。

1.2准备工作

Bernese软件可采用精密单点定位和双差方式解算测站坐标,对于精密大地测量来说,对流层总延迟利用模型改正并不能满足要求,而是作为未知参数和站点坐标一块解算出来的,已有的研究表明,利用Bernese软件解算的对流层总延迟可以获取毫米级的大气水汽[4]。

此次采用的为windows平台下的Bernese5.0,相对于Unix平台更加直观、易用,学习成本较小。网络上有Bernese5.0的免安装版本,以减少繁琐的安装步骤。在正式处理数据之前需要准备工作。首先需要更新必须的通用文件。具体更新文件如表1所示。

表1 工程必须通用文件

接下来准备数据处理所需的观测文件,包含观测文件、广播星历、精密星历、精密钟差、电离层文件、地球自转文件。由于需要下载的文件较多且下载地址不一致,推荐使用下载的工具,使用较为方便。

本文选取了IGS国际连续运行参考站中国境内的 CHAN、LHAZ、SHAO、TWTF等4站2016年6月13-15日(GPS日为2016年第165～167天,第1901周第1-3日)观测数据文件。

1.3数据准备

1) 将星历文件、地球自转文件、精密星历、精密钟差文件、地球自转文件复制至ORB文件下。ORB文件夹下主要用于存储轨道相关文件。

2) 将精密星历文件由扩展名SP3格式改为PRE格式。将地球自转文件扩展名为ERP改为IEP格式。

3) 将观测文件O文件放入ORB和RAW文件夹下,RAW文件夹下主要存储需要处理的Rinex文件。注由于下载的观测文件多为D文件,需要使用rnx2crx软件转化为O文件[5]。

4) 在OUT文件夹下存放入精密钟差文件,同时将BERN50GPSDOC下的BLQ、CRD、PLD、VEL复制至OUT文件夹下。最后将电离层文件复制至ATM文件夹下。OUT文件夹主要用于存储测站相关文件、时段信息。ATM文件夹主要用于存储大气相关文件。

2 数据处理流程

Bernese软件根据数据处理功能可分为手工处理和 BPE两大部分。手工处理数据和BPE,在处理数据之前,都需要进行数据文件的准备,其数据处理流程如图1所示。手工处理部分与批处理流程基本一致。主要流程主要由格式转换部分、轨道部分、数据处理部分、仿真部分和通用工具五部分组成。BPE的部分采用Perl编写的采用了C/S结构的独立模块,拥有交互式和非交互式两种模式。目前在实际使用中主要采用交互式方式,这样便于实时分析。批处理部分则由程序、脚本文件、控制文件等组成,其中控制文件是BPE的核心,主要的控制文件有PPP.PCF、RNX2SNX.PCF、CLKDET.PCF 和BASTST.PCF等[6]。在这些控制文件中,定义了某种解算方式需要调用的各种命令和脚本的顺序,例如非差数据批处理(PPP.PCF):主要是估计各个点位的坐标以及估计各种参数,如对流层误差以及接收机钟误差等,估计的间隔可以在控制文件中设定。主要运用到的程序模块有:RNXSMT(数据预处理),RXOBV3(RINEX 数据格式转换为 Bernese格式),POLUPD、PRETAB、ORBGEN(轨道计算),CODSPP、GPSEST、RESRMS、SATMRK(数据预处理及参数设置),GPSEST(基线法方程文件),ADDNEQ2(基于法方程得多时段解)[7]。

图1 Bernese5.0 数据处理流程图

3 对流层参数结果文件

大地测量学中定义的对流层高度为40～50 km,与气象学中的定义不同。该层大气主要由气体、水汽和尘埃组成,成分复杂。当GPS卫星发出的电磁波信号穿过对流层时,会受到对流层折射影响,信号会发生弯曲和延迟。其中信号通过对流层时信号发生的延迟量约2.4 m.而弯曲量只有在高度角较小时,才对测距影响较大[1]。

经过试验数据处理,就可以得到对流层参数结果文件,文件注释如表2所示。对流层参数文件存在于该项目的ATM文件夹下,扩展名为TRP,命名方式为解算类型+年积日+测站名[6]。从对流层参数结果文件中可直接提取到TOTAL-U这列数据,即测站天顶总延迟。为获取测站上空可降水量,必须从天顶总延迟中减去天顶静力学延迟部分得到天顶湿延迟,利用转换系数得到可降雨量[4]。

经过对TWTF站年积日为163的数据处理,得到对流层结果文件,部分内容截图如图2。

表2 对流层结果文件注释

图2 对流层结果文件结果

图3示出了经过Bernese处理后的4个地区3天的天顶总延迟(TOTAL-U),时间间隔为1 h,通过数据可知,在2016年6月13-15日为期3天中,所观测地区CHAN、TWTF、LHAZ的天顶总延迟变化并不特别大,趋势较为平缓。其中SHAO测站有明显变化趋势。从4个地区的天顶总延迟数据来看,每个地区由于地理条件、气候的差异,不同地区的天顶延迟也有所差异。其中LHAZ测站天顶总延迟最小,在1.6 m左右。而中国台湾地区天顶总延迟较大,在2.6 m左右。

图3 天顶总延迟数据折线图

4 需要注意的问题

当GPS信号通过大气到达GPS接收机时,由于电离层和对流层大气折射率的变化,导致GPS信号延迟,使信号传输路径发生弯曲并产生附加相位延迟,总的大气延迟可以分为两个部分,即对流层延迟、电离层延迟。电离层延迟可利用GPS双频测量消除,由于目前采用的接收机基本都是双频的,此方面延迟可以不与考虑,总大气延迟减去忽略不计的电离层延迟得对流层延迟,对流层延迟又可分为湿延迟和静力学延迟。因此所求的天顶总延迟就相当于求得了对流层延迟[4]。他们的关系如图4所示。

图4 天顶总延迟关系图

5 结束语

本文主要介绍了利用Bernese软件解算拉萨、上海站、台湾站、长春站4个站点的天顶总延迟的方法,以及经常遇到的一系列问题和解决方法,为以后反演大气可降雨量做准备。通过对台湾站、长春站、拉萨、上海站4个站点相同时期的天顶总延迟的数据对比,得到因不同地区的差异,天顶总延迟有较大差异,同时在相同地区不同时间天顶总延迟也有所差异。

[1] 李国平. 地基GPS遥感大气可降水量及其在气象中的应用研究[D]. 成都:西南交通大学, 2007.

[2] 韩艳. 地基GPS水汽探测及其应用研究[D]. 成都:成都理工大学, 2012.

[3] 王建鹏,谢双亭,庞亚峰,等. 西安地基GPS水汽解算系统及初步应用[C]//气象综合探测技术研讨会,2011:8-11.

[4] 王晓英,宋连春,曹云昌,等. 利用BERNESE5.0解算地基GPS天顶湿延迟[J]. 气象科技, 2012, 40(1):41-45.

[5] 邰贺,付妍. 应用Bernese5.0软件进行精密单点定位计算[J]. 全球定位系统, 2011, 36(2):74-76.

[6] 蒋欠欠,郭英,戚宪东. Bernese5.0软件介绍及常见问题分析[J]. 全球定位系统, 2017, 42(2):117-120.

[7] 宫晓春,吕志平,周海涛,等. 基于Bernese的GPS数据解算应用与分析[C]//中国卫星导航学术年会,2015.

UsingBerneseToCalculateGroundBasedGPSZenithDelay

HANXiaodong,WANGHaosen,WANGJianwen,WANGShuo,WANGJie

(CollegeofGeodesyandGeomatics,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

This paper mainly introduces the method of using Bernese software to calculate the zenith delay and how to solve the problems, which is intended to prepare for Ground-based GPS inversion of the applied research of atmospheric precipitation.The delay of zeniths in different regions in the same period was significantly different from that of the four zeniths in the CHAN、TWTF、LHAZ. The total delay of the zenith at different times in the same area was also different.

Bernese; GPS; zenith delay; data processing

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.05.017

P228.4

A

1008-9268(2017)05-0085-04

2017-07-19

联系人: 王浩森E-mail: Wanghaosen0413@outlook.com.

韩晓冬(1963-)，男，江苏泰县人,教授,主要研究方向为GNSS理论及应用、测量数据处理。

王浩森(1991-)，男，河南开封人,硕士研究生,研究方向为卫星定位与导航技术。