表征大气各向异性的对流层映射函数模型的构建方法与流程

本发明属于卫星导航、水汽遥感及无线电传播技术领域，尤其涉及一种表征大气各向异性的对流层映射函数模型的构建方法。

背景技术：

对流层延迟是卫星导航信号传播过程中的一个重要误差源，其数值在天顶方向约2.3m，到地平方向可达30m。对流层延迟在射电波段具有非色散性，无法通过多个频率信号的组合予以消除。通常将任意高度角方向的对流层斜延迟表达为天顶延迟与映射函数的乘积。现有映射函数模型均基于大气层球对称这一假设，绝大部分采用三阶连分式的表达形式，将映射函数模型表达为高度角的函数，见式(1)：

式(1)中，m(ε)表示以高度角ε为自变量的映射函数模型；a_i、b_i、c_i均为映射函数模型的系数，i＝h,nh，h和nh分别表示流体静力学分量和非流体静力学分量。

实际上，大气状态在不同方位上是有差异的，极端天气下尤其明显，因此其映射函数也应表达为方位角的函数。然而三阶连分式无法将方位角纳入其中。为此，现有方法采用附加梯度参数估计的方法进行补偿，然而梯度只考虑了南-北、东-西方向的两个参数，不足以弥补现有映射函数的缺陷。因而亟需一种新的映射函数模型，能够完整、准确地表达对流层延迟在各个高度角和方位角上的差异，从而进一步提高卫星导航定位、水汽探测的精度。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明将卫星信号的高度角和方位角同时作为自变量纳入对流层映射函数模型，提供了一种表征大气各向异性的对流层映射函数模型的构建方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种表征大气各向异性的对流层映射函数模型的构建方法，包括步骤：

S1收集测站周围空间的气象数据；

S2根据气象数据，利用射线追踪法计算测站的对流层天顶延迟ZD及不同方位角和不同高度角下的对流层斜延迟SD(φ,θ)，SD(φ,θ)即方位角φ和高度角θ下的对流层斜延迟；

S3分别计算各对流层斜延迟SD(φ,θ)与对流层天顶延迟ZD的比值L(φ,θ)；

S4以比值L(φ,θ)为观测值，构建误差方程V＝MF(φ,θ)-L(φ,θ)，其中，V表示观测值L(φ,θ)的改正数；MF(φ,θ)表示对流层映射函数模型；

所述的对流层映射函数模型其中：

和为系数；

N为满足的最小整数，α为模型分辨率，α根据实际的精度要求取值；

MF(φ,θ)表示以方位角φ和高度角θ为自变量的映射函数模型；

r为满足条件的最大整数；

S5采用最小二乘原理求解对流层映射函数模型系数和的最优解。

上述气象数据来源于数值天气模型。

上述对流层天顶延迟ZD和对流层斜延迟SD(φ,θ)为流体静力学延迟、非流体静力学延迟或总延迟。

步骤S2中，以为步长，在方位角和高度角的范围取一系列不同的方位角和高度角，然后计算各不同方位角和不同高度角下的对流层斜延迟SD(φ,θ)；其中，方位角的范围为0°～360°，高度角的范围为0°～90°，α为模型分辨率，q为满足q≥2的整数。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)将卫星信号的高度角和方位角同时作为自变量融入对流层映射函数模型中，有效克服了传统对流层映射函数模型精度不够的缺陷，为解决大气各向异性问题提供了新的途径。

(2)能完整、准确地表达对流层延迟在不同的高度角和方位角上的差异，将所构建对流层映射函数模型用于卫星导航定位、水汽探测等，可进一步提高卫星导航定位、水汽探测的精度。

附图说明

图1为本发明所提出对流层映射函数模型的原理示意图。

具体实施方式

为便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种表征大气各向异性的对流层映射函数模型，其原理见图1，其数学形式见公式(1)：

式(1)中：

MF(φ,θ)表示以方位角φ和高度角θ为自变量的映射函数模型；

和为系数，其值待定；

N为满足的最小整数，α为模型分辨率，其单位为度，模型分辨率α根据实际需求进行取值，当对模型精度要求越高，模型分辨率α取值越小，模型分辨率α一般在0°～90°范围内取值；

r为满足条件的最大整数。

本发明提供的表征大气各向异性的对流层映射函数模型的构建方法，具体步骤如下：

第一步，收集测站周围空间的气象数据，所述的气象数据包括气温、气压和相对湿度。具体实施中，气象数据可来源于数值天气模型。

第二步，根据气象数据，利用射线追踪法计算测站的对流层天顶延迟ZD以及不同方位角和不同高度角下的对流层斜延迟SD(φ,θ)，SD(φ,θ)即方位角φ和高度角θ下的对流层斜延迟。

方位角的取值范围为0°～360°，高度角的取值范围为0°～90°，以为步长，在方位角和高度角的范围取一系列的方位角和高度角。α为模型分辨率，q为满足q≥2的整数。

本发明中，对流层天顶延迟ZD和对流层斜延迟SD(φ,θ)可以为流体静力学延迟(即干延迟)、非流体静力学延迟(即湿延迟)或总延迟。

第二步，计算各对流层斜延迟SD(φ,θ)与对流层天顶延迟的比值L(φ,θ)：

第三步，以比值L(φ,θ)为观测值，构建误差方程V＝MF(φ,θ)-L(φ,θ)，其中，V表示观测值L(φ,θ)的改正数，MF(φ,θ)为以方位角φ和高度角θ为自变量的映射函数模型，见公式(1)。

第四步，采用最小二乘原理求解映射函数模型系数和的最优解。

在已知对流层天顶延迟的情况下，采用本发明所构建的对流层映射函数模型可准确计算出卫星信号在任意高度和方位上的对流层延迟误差。在对流层天顶延迟未知或仅有模型初始值的情况下，采用本发明所构建的对流层映射函数模型，联立多个历元的GNSS相位观测方程进行参数估计可精确估算出对流层天顶延迟。