[发明专利]一种基于函数基的三维水汽探测方法

摘要

本发明公开了一种基于函数基的三维水汽探测方法，包括步骤：一、观测数据接收和解算；二、大气对流层参数解算；三、卫星信号斜路径上大气水汽含量SWV的计算；四、建立函数基观测方程；五、构建先验约束方程；六、建立基于函数基的三维水汽层析模型；七、确定函数基三维水汽层析模型中各类参数权比；八、基于函数基的三维水汽层析模型的待估参数解算及结果显示。本发明以函数基观测方程为基础，建立新的函数基层析模型，通过引入函数基观测方程，保证待估水汽密度参数的空间连续性，降低待估参数的个数，增强层析模型结构的稳定性，确保重构水汽结果的精度和可靠性。

主权项

一种基于函数基的三维水汽探测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、观测数据接收和解算：在研究区域的底面上布设GPS接收机(1)，采用GPS接收机(1)接收卫星射线的伪距和载波相位观测数据，测站处理机(4)利用精密单点定位原理对观测数据进行解算得到天顶对流层总延迟ZTD、卫星射线东西方向上的梯度GW和卫星射线南北方向上的梯度GN，采用气象传感器(2)实时采集GPS接收机(1)所处位置的气温和气压数据；步骤二、大气对流层参数解算：根据公式计算天顶静力学延迟ZHD和天顶湿延迟量ZWD，其中，P为地表气压，为GPS接收机(1)的纬度，H为GPS接收机(1)距离地面的高度；步骤三、卫星信号斜路径上大气水汽含量SWV的计算：根据公式SWD＝mw(ele)·ZWD+mw(ele)·cot(ele)·(GN·cos(azi)+GW·sin(azi))，计算卫星信号斜路径上的湿延迟SWD，再根据公式计算卫星信号斜路径上大气水汽含量SWV，其中，mw表示湿映射函数，ele表示卫星高度角，azi表示卫星方位角，∏为转换因子，Rv为水汽气体常数且Rv＝461.495J·kg‑1·K‑1，k3和k'2均为气体常数，k'2＝22.1±2.2K·mb‑1，k2＝373900K2·mb‑1，Tm为加权平均温度且Tm＝70.2+0.72Ts，Ts为气象传感器(2)实测的地面温度且Ts的单位为K；步骤四、建立函数基观测方程：将所述研究区域在垂直方向上分为多层水汽空间，保证每一层上水汽空间分布的连续性，采用测站处理机(4)获取每一层的函数基，即每i层水汽空间的水汽密度函数其中，i为水汽空间层数编号且i≥1，ai0～ai7为第i层水汽空间的水汽密度函数的多项式的系数，bi为卫星射线与第i层水汽空间中线交点的经度，li为卫星射线与第i层水汽空间中线交点的纬度；根据公式计算卫星射线p在第i层水汽空间内射线路径上的SWV值其中，为卫星射线p在第i层水汽空间内射线路径的截距且其中，(bp,i,lp,i,hp,i)为卫星射线p与第i层水汽空间上面的交点坐标，(bp,i‑1,lp,i‑1,hp,i‑1)为卫星射线p与第i层水汽空间下面的交点坐标，(bp,1,lp,1,hp,1)为卫星射线p与每1层水汽空间上面的交点坐标，(bp,0,lp,0,hp,0)为卫星射线p对应所述研究区域的底面上GPS接收机(1)的坐标位置，所述研究区域的底面为每1层水汽空间下面；采用测站处理机(4)对卫星射线信号路径上大气水汽含量SWV建立基于函数基的观测方程：其中，(a10,...,a17,a20,...,a27,...,aI0,...,aI7)为划分了I层水汽空间的所述研究区域中水汽密度函数的8×I个待估参数，其中，I为水汽空间层数划分的总层数；步骤五、构建先验约束方程：将无线电探空仪(3)搭载在气象气球上，所述气象气球从地面上升至大气层，利用所述气象气球上升过程采用无线电探空仪(3)获取水汽空间每一层上无线电探空仪(3)在所处位置的温度和水汽压并将数据传输至测站处理机(4)，采用测站处理机(4)根据公式计算第k层水汽空间上的水汽密度初值其中，ek为无线电探空仪(3)获取的第k层水汽空间上的水汽压，Tk为无线电探空仪(3)获取的第k层水汽空间上的温度；采用测站处理机(4)根据函数基的表达形式建立先验约束方程：(bk‑1,k,lk‑1,k)为无线电探空仪(3)所在位置的坐标，ak0～ak7为先验约束方程中第k层水汽空间的系数且k≤I；步骤六、建立基于函数基的三维水汽层析模型：测站处理机(4)通过函数基的观测方程和先验约束方程建立三维水汽层析模型，如下：LB为由函数基的观测方程组成的列向量，ρP为由分层的先验约束方程组成的列向量，m1为观测方程的个数，m2为先验约束方程的个数，n为待估参数的个数，B为观测方程的系数矩阵，P为先验约束方程的系数矩阵，an×1为由n个待估参数的组成的列向量，Δ为三维水汽层析模型的噪声；步骤七、确定函数基三维水汽层析模型中各类参数权比，过程如下：步骤701、观测方程的观测值权比的确定：根据公式Pele＝pow(sin(ele),2)，计算观测方程受卫星高度角的影响时的比重Pele，其中，pow(·)为幂函数；根据公式PDist＝1/(1+Dist)，计算观测方程受卫星射线在研究区域内截距影响时的比重PDist，其中，Dist为卫星射线在研究区域内截距且(bp,I,lp,I,hp,I)为卫星射线p与所述研究区域最高层的中心线的交点坐标；根据公式PTcorr＝cos(Tcorr)，计算观测方程受时间间隔Tcoor影响时的比重PTcorr，其中，Obstime为观测方程的观测历元，Tomtime为实际的层析历元，Tinterval为实际的层析时间间隔；根据公式计算观测方程的观测值权比步骤702、先验约束方程的观测值权比的确定：测站处理机(4)利用实际的层析历元Tomtime前S天无线电探空仪(3)获取的水汽空间每一层的水汽密度值的标准差stdi，计算水汽空间每一层的先验约束方程的观测值权比步骤703、初始化观测方程和先验约束方程的单位权方差：利用测站处理机(4)初始化观测方程的单位权方差和先验约束方程的单位权方差使步骤704、对步骤六中的三维水汽层析模型进行最小二乘平差，得到由n个待估参数的组成的列向量an×1的初值a0且a0＝(UTV0U)‑1UTV0Q，其中，U、V0和Q均为中间变量，为由水汽空间每一层的先验约束方程的观测值权比组成的列向量；根据公式v0＝Ua0‑Q，计算由观测方程的观测验后残差v0B和先验约束方程的观测验后残差v0P组成的观测验后残差阵v0；步骤705、根据公式计算第j次迭代的观测方程的单位权方差和第j次迭代的先验约束方程的单位权方差其中，v(j‑1)B为第j‑1次迭代的观测方程的验后残差，为第j‑1次迭代的观测方程的权比，v(j‑1)P为第j‑1次迭代的先验约束方程的验后残差，为第j‑1次迭代的先验约束方程的权比，j为迭代次数且j≥1；步骤706、判断第j次迭代的观测方程的单位权方差和第j次迭代的先验约束方程的单位权方差是否相等：采用测站处理机(4)利用一致性检验方法来判断第j次迭代的观测方程的单位权方差和第j次迭代的先验约束方程的单位权方差是否具有统计意义上的相等，当第j次迭代的观测方程的单位权方差和第j次迭代的先验约束方程的单位权方差具有统计意义上的相等时，测站处理机(4)输出第j‑1次迭代的观测方程的权比作为函数基三维水汽层析模型中观测方程的最终权比PB'，同时测站处理机(4)输出第j‑1次迭代的先验约束方程的权比为作为函数基三维水汽层析模型中先验约束方程的最终权比PP'；当第j次迭代的观测方程的单位权方差和第j次迭代的先验约束方程的单位权方差不具有统计意义上的相等时，执行步骤707；步骤707、更新权比：根据方程对第j‑1次迭代的观测方程的权比和第j‑1次迭代的先验约束方程的权比进行更新；步骤708、循环步骤705，直至观测方程的单位权方差和先验约束方程的单位权方差具有统计意义上的相等为止；步骤八、基于函数基的三维水汽层析模型的待估参数解算及结果显示：测站处理机(4)根据步骤706输出的观测方程的最终权比PB'和先验约束方程的最终权比PP'解算待估参数，得an×1＝(UTVj‑1U)‑1UTVj‑1Q，并通过与测站处理机(4)连接的显示器(5)显示待估参数an×1＝(UTVj‑1U)‑1UTVj‑1Q以及三维水汽密度值。