GPS探测大气水汽含量的研究一．探测水汽含量的常规技术1．常规气球探空观测目前地球大气参数的廓线分布，大气水汽观测资料主要依靠每天两次的标准观测，其主要局限是：无线电探空气球观测在全球的分布很不均匀，测站密度过稀，在海洋上空甚至没有资料，相邻两次探测之间间隔时间过长，探测的精度不能满足水汽时间空间多变性的要求，且维持这一观测系统的成本也在不断增加。

2．水汽微波辐射计(Water V apor Radiometer-WVR)提供了依靠所测亮温反演扫描方向积分水汽总量和积分液水总量的手段。

3．星载微波辐射计测量地球提供的热背景下相应的吸收线，由于地表温度的多变性而呈现复杂性，应用于洋面的遥感比应用于陆地更为适用。

同时由于云的存在使这种应用受到限制。

地基微波辐射计不受低的中等覆盖云量的影响，但云量较多时同样受到影响。

降水发生时雨滴的存在对于辐射的影响以及雨滴打湿仪器天线的影响，使得微波辐射计这时很难提供可用的数据。

极轨卫星所载辐射计提供很好的空间分辨率但比较差的时间分辨率，而地基辐射计正好相反。

4．激光雷达费用昂贵，而且不能全天候观测，难以大范围密集设置站网和实现观测业务化。

5．卫星红外辐射计可以观测大气亮温、估算大气积分可降水分(IPW),能覆盖全球范围，但也只能局限于晴空区域的监测。

二．GPS气象学的发展GPS气象学(GPS/ METeorology,简写为GPS/MET)是近十年来蓬勃发展起来的，由卫星动力学、大地测量学、地球物理学和气象学交叉派生出的新兴边缘学科。

发源于美国，在 2 0世纪80年代，美国的Davis、Herring、Askne,Nordius等人在该领域做了许多理论上的研究并进行了多次试验，为其发展奠定了理论基础。

后来，Bevis和Businger等人进行了较全面的研究，1992年提出了采用地基GPS技术探测大气水汽含量的原理。

结合掩星技术通过对大气折射率的遥感来反演大气的温湿特性，他们的研究成果促进了GPS气象学的新进展。

1995年，美国的UCAR (University Corporation for Atmosphere Research) 研究组利用搭载在LEO (Low Earth Orbiter)卫星上的Turbo / Rogue GPS接收机成功地归算出气象参数的分布情况,还初步得到了电离层中电子密度的剖面结构。

与由无线电探空仪和探空气球等途径而获得的结果相比较,发现它们相互之间符合得较好。

可见，GPS无线电掩星技术在监测大气对流层和电离层方面颇具应用前景。

我国1998年5～6月份，在周秀骥院士主持下，进行了一次“华南暴雨试验”。

这次试验获得了大量的GPS与气象同步观测的数据，为我国的GPS气象学深入研究奠定了基础。

然而，在UCAR公布的研究结果中，在离地高度为1ｋｍ以下或者40ｋｍ以上的高度区，上述参数的归算精度并不令人满意。

而对气象应用来说，高度在1ｋｍ以下的大气温度和压力的分布情况尤其显得重要，就中间层及其以上各层次的大气研究来说，对40ｋｍ以上高度的大气温度和压力的探测精度也是十分必要的。

即使在1—40ｋｍ高度区间里，该技术同其它手段仍存在一定的差异。

GPS气象探测的应用领域非常广泛,有以下几方面：1.对流层低层的水汽探测(积分可降水分和水汽垂直分布)。

用于强烈天气和降雨的短期预报、水汽的全球气候学、水汽循环研究。

2.在数值模式中直接同化应用偏转角或折射率资料。

用于业务数值天气预报、气候研究的再分析(reanalysis)。

3.对流层高层的高分辨率的温度廓线。

对流层顶研究、平流层/对流层交换、平流层臭氧、高层锋面研究、火山效应、气候变率和气候变化的研究。

4.高层等压面的位势高度计算,用于气候研究。

5.通过地转/梯度风关系估计高纬度地区风,用于航空工业。

6.其它遥感系统的相互比较/检定/初值。

用于微波探测单元、地球静止业务环境卫星(GOES)、泰罗斯业务垂直探测器(TOVS)、EOS。

7.电离层电子密度剖面：电离层研究、空间天气(Space Weather)、通信工业。

全球天气观测系统其它观测手段比较起来，GPS气象探测有其特有的优势：1．GPS掩星观测对流层中高层-平流层温度垂直分布，特别在对流层顶结构探测上精确度优于GOES (地球静止业务环境卫星)的温度反演结果。

如果5km以下大气温度垂直分布由其它探测手段给定，精度 2 K，则GPS掩星观测可以反演水汽垂直分布，这是GOES卫星垂直探测所难以获得的。

GPS掩星观测能够均匀地覆盖全球，而价格却相对便宜。

2．GPS掩星观测有很高的垂直分辨率，在平流层的分辨率接近1.5km，在对流层则为 2 0 0～50 0 m。

这一分辨率是超过卫星垂直探测反演结果的。

3．GPS探测不受气溶胶、云和降水存在的影响，这恰恰弥补了卫星和地面可见光、红外、微波遥感在这方面的缺陷。

但是GPS气象探测也存在着自身的局限性：1．水平分辨率差：由于GPS卫星信号传播路径在水平方向延伸很大范围，掩星观测中接近3 0 0 km,这对分辨大气的水平精细结构是不利的。

2．GPS掩星观测方法也还不足以精确探测5km以下大气温度垂直结构。

三．GPS探测大气水汽含量原理美、加等国家进行的一系列地基GPS观测水汽试验，反映了GPS技术具有全球分布均匀、垂直分辨率高和费用低等一系列优点，因而在气象学和大气研究中具有潜在价值，同时为降雨预测开创了新的技术途径。

根据GPS接收机的位置,GPS遥感大气水汽含量的技术分为两类：一类是地基GPS气象遥感技术：即利用地球表面上静止的GPS接收机接收GPS卫星讯号，以连续的对地球大气参数(主要是综合水汽或可降水份)进行测量。

地基GPS技术的数据获取方法简单，可供研究的数据多，是当前研究的重点。

另一类是空基GPS气象遥感技术,即主要利用安置在低轨人造卫星平台上的GPS接收机接受GPS卫星讯号,采用掩星法对气象参数(主要是大气综合水汽或可降水份)进行测量，目前耗资大而难以实现，且可供研究的数据少。

GPS卫星信号传输经过大气层时，要受到大气的折射而延迟，将该延迟量作为待定参数引入到观测模型和解算方案中，并逐项考虑误差的来源和消除的办法。

折射影响可分成电离层影响和对流层大气影响：对流层大气延迟(中性延迟)可分为静力延迟项（干项延迟）和湿项延迟。

其中湿项延迟由水汽引起，静力延迟由其他的大气组成成份引起。

干气占总的中性大气的80 %～90 %，干气延迟比较有规律，天顶方向可以1 %的精度估算；但湿气延迟很复杂，影响因素较多，目前只能以1 0 %～ 2 0 %的精度估算。

由此大气延迟量可划分为电离层延迟、静力延迟和湿项延迟。

通过采用双频技术，并且电离层延迟与信号频率的平方成反比,电离层延迟误差可订正到毫米精度。

静力延迟与地面观测量(气压)具有很好的相关，也可以订正到毫米量级。

这样就得到了毫米量级的湿项延迟。

湿项延迟与水汽总量(PW)可建立严格的正比关系，从而求解水汽总量。

四．地基GPS探测大气水汽含量GPS技术通过码相位观测和载波相位观测来测量信号传输时间，一般认为，码相位和载波相位的分辨误差约为信号波长的1 %.由于P码和C/ A码的码元宽分别为 2 9. 3 m和 2 93 m,而载波L1 和L2 的波长仅为1 9. 0 5cm和 2 4.45cm，所以精密测量必须采用载波相位观测。

水汽对于光程的影响为厘米的量级，利用GPS观测结果计算湿项延迟进行反演水汽的工作也必须采用载波相位观测的方式。

由于存在着源于卫星钟、卫星轨道、接收机钟和载波相位观测等方面的误差,在观测方案和解算模型建立过程中它们必须予以考虑。

观测方程：R = ρ+δρion+δρtrop+C*δt r –C*δts-λ*N 其中C：光速λ：载波信号波长R：接收机载波相位观测量ρ：卫星至接收机的实际距离Δρion：电离层延迟δρtrop：对流层延迟(中性延迟)δt r：接收机钟差δts：卫星钟差N：载波相位的整周未知数各项误差分析：ρ：卫星至接收机的实际距离该项中包含接收机三维位置未知量和由卫星轨道参数计算的卫星相对地心的位置。

卫星轨道参数可通过卫星星历获得。

卫星星历分为两类：一是预报星历，预报星历是一种外推星历。

二是实测星历，也称精密星历。

卫星星历误差严重影响单点定位的精度，在相对定位中也是一个重要的误差来源。

Δρion：电离层延迟电离层延迟的影响在精密测量时采用双频技术消除，利用电离层延迟与频率的平方成反比的简单关系，消除后的精度达毫米级。

在电子含量很大，卫星的高度角又很小时，残差达几个厘米。

Fritz K. Brunner等提出了一个电离层延迟改进模型，考虑了折射率n中的高阶项影响以及地磁场的影响，并考虑信号传播路径弯曲的效应，精度优于2 mm.可见GPS的气象遥感应用应采用双频接收机，可有效地消除电离层延迟。

δρtrop：对流层延迟(中性延迟)对流层延迟作为遥感大气的未知量来求解，其误差由其他几项的误差来确定。

求解以后划分为静力延迟和湿项延迟两项。

δt r：接收机钟差GPS接收机一般应用高精度的石英钟，如果接收机钟和卫星钟的同步差相差1 μs，由此引起的等效距离误差也将达3 0 0 m。

有效地消除接收机钟差的影响采用对不同的卫星的观测量求差的方法，能满足精密定位的要求。

δts：卫星钟差尽管GPS卫星钟均安装了高精度的原子钟(铷钟和铯钟),但它们与理想的GPS时之间仍存在着难免的偏差和漂移。

这些偏差的总量在lms以内，通过导航电文提供的校正参数改正后，各卫星间的同步差会小于2 0 ns.如果采用相对定位，在两个接收机对同一颗卫星求差，将几乎完全消除卫星钟差的影响。

这种方法是目前使用GPS估算对流层参数必须采用相对定位的主要原因。

相对定位对于短基线来说对卫星轨道误差也有一定消除，所带来的一个主要问题是站间相关误差的产生，基线越短越为严重。

而对长基线，要求卫星星历要有一定的精确度。

基线越长，对星历精度要求越高。

N：载波相位的整周未知数采用载波相位观测产生的主要难题是载波相位的整周未知数的出现。

在锁定信号的整个观测过程中，整周未知数应保持不变。

由于外界干扰和接收机所处的动态条件的恶劣，偶尔可能使载波跟踪环路无法锁定载波信号引起信号的暂时失锁，表现为N0 的突变即“整周跳变”。

N0 一般采用“三差法”来确定，即不仅通过同一接收机对两颗卫星求差来消除接收机钟差和同一卫星对不同的接收机求差来消除卫星钟差，还通过连续观测历元的求差来确定整周未知数N0。

对于含大气延迟未知量的观测方程，处理软件应该可以区分开两者，因为后者大致依照sec(θ)(θ为卫星天顶角)而变化。

这就要求不同观测历元的卫星仰角要有一定的变化，而在这个变化期内(如 1 5～ 3 0 min)，假设大气特性保持定常，在观测站局地上空水平均一或球面分层均一，这决定了GPS遥感大气的时间精度。