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地基GNSS水汽层析关键技术研究

丁楠  
【摘要】:大气水汽的分布和变化是气象应用中的一项重要信息。现今对大气水汽进行探测的常规技术存在时空分辨率低、造价成本高、观测精度受天气影响大、观测范围局限等问题,这些问题都限制了对大气水汽进行高精度、高时空分辨率的动态观测。随着全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite Systems,GNSS)的快速发展,GNSS遥感大气水汽技术凭借GNSS站网具有的全天候、高覆盖率以及低成本的优势迅速获得重视,其中GNSS水汽层析是目前最具应用前景的技术之一,该技术可反演GNSS站网上空区域内的高时空分辨率的大气水汽分布。目前传统的层析模型构建较为粗略,与实际观测区域不符,基于传统模型构建的层析区域存在大量冗余的未知参数,降低了GNSS水汽层析反演结果的精度。为解决传统层析模型存在的上述问题,本文针对GNSS水汽层析的关键技术,分别研究了基于体素块和基于节点的GNSS水汽层析区域定界、层析区域离散化以及层析反演问题,主要研究成果包括:1)对传统GNSS水汽层析的基础理论与方法进行深入研究,针对传统方法存在层析区域冗余问题,进行了深入分析与探讨,提出了基于GNSS信号空间分布的层析区域定界准则,基于该准则可有效的消除冗余参数所导致的层析模型精度与稳定性降低等问题,有效地改善了基于体素块和基于节点的传统层析模型。2)构建了基于体素块的自适应层析模型,该模型以体素块作为层析区域的离散化单元,通过直线体素化技术探测包含GNSS信号线的体素块,并利用体素块组成层析区域,该方法根据不同层析历元下的信号分布,自适应的完成层析区域构建,使层析区域与GNSS信号分布相符合;在层析区域垂直划分方面,采用了符合水汽垂直分布特性的不均匀垂直划分;通过实验证明,基于体素块的新模型与传统体素块模型相比,具有较高的水汽反演精度以及较好的稳定性。3)构建了基于节点的自适应层析模型,该模型以节点作为层析区域的离散化单元,通过凸包探测技术确定不同高度对应的层析区域,使层析区域与GNSS信号分布相符合;最后基于桁架位移方程获取动态层析区域内均匀分布的节点位置。该模型的层析区域随不同时段GNSS信号分布变化而变化,同时内部节点保持均匀分布的特性,节点垂直分布采用了符合水汽特性的不均匀划分;通过实验证明,对于基于节点的新模型较传统模型,具有较高的水汽反演精度以及较好的稳定性。4)提出了ART(Algebraic Reconstruction Technique)排序算法,该方法通过对不同类型层析方程组所具备的精度与信息量不同,进行分组排序,在进行ART迭代的过程中,更倾向精度较高且信息量较大的方程组提供的信息;而针对层析观测方程组,提出了基于素数分解排序的ART算法,该方法通过对层析观测值进行排序,减弱了迭代步骤中相邻方程之间的相关性,提高了结果的质量。实验结果证明,基于ART排序的GNSS水汽层析可根据不同历元的层析观测值,自适应的进行层析方程组的排序,改善层析反演结果的精度。


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