相对湿度对天顶总延迟量的影响

张　伟，李星光

(1.合肥市测绘设计研究院，合肥　230071；2.上海司南卫星导航股份有限公司，上海　201103)



相对湿度对天顶总延迟量的影响

张伟1，李星光2*

(1.合肥市测绘设计研究院，合肥230071；2.上海司南卫星导航股份有限公司，上海201103)

摘要：针对相对湿度参数对GPS水汽反演精度的影响的存在性，以香港卫星参考站网数据为例，提出了利用GAMIT软件实验分析相对湿度对天顶总延迟量的方法。采用单一控制变量法，分别分析了相对湿度参数设置及其本身对天顶总延迟量解算的影响。结果表明：在相对湿度存在且无误差时，相对湿度参数设置对ZTD解算影响很小。同时，20%的相对湿度误差对ZTD解算影响也不大。而当相对湿度量不存在时，默认的相对湿度设置(50%)引起的ZTD误差较大，在一定程度上会影响GPS水汽反演精度。因此，在有相对湿度量数据时，都应该被使用。

关键词：GAMIT软件；相对湿度；天顶总延迟；GPS水汽

0引言

美国的全球定位系统(global positioning system，GPS)作为全球卫星导航系统(global navigation satellite system，GNSS)最先建成的导航定位系统，已经在各行各业中获得了广泛的应用，其中地基GPS气象学是近些年研究的热点问题，利用GPS反演大气可降水量来分析天气特征变化的优势逐渐显现，尤其在是暴雨(雪)、冰雹、台风等恶劣天气状况下。GPS水汽探测手段主要是在利用高精度GPS处理软件实现GPS原始数据的处理并在提取高精度的对流层天顶总延迟量(zenith total delay，ZTD)的基础之上，通过剥离ZTD中的干延迟分量获取精确可用的湿延迟分量，最终通过转化关系实现空间水汽含量的提取[1]。因此，解算并提取高精度的ZTD成为首要解决的问题。

研究表明实测的地面气象数据作为建立对流层延迟模型的主要物理量参与解算能够有效的提高解算的精度[2]。同时，国内外大量学者研究证实，天顶干延迟(zenith hydrostatic delay，ZHD)是与露点温度、水汽压密切相关[3-4]，且地面温度露点差和水汽压等反映近地层空气湿度量被证实与降水(雪)出现的时间和强度存在一定关系[5]。文献[6]利用最小二乘曲线拟合GPS观测结果、大气可降水量(precipitable water vapor,PWV)与相对湿度时间序列能帮助短期暴雨监测预报。而对于相对湿度在ZTD解算中的影响分析还很少见，基于此，本文利用GAMIT软件解算GPS原始数据处理研究分析相对湿度量对ZTD解算的影响程度，以图得到一些有益结论。

1数据来源

香港地区卫星参考站网(SatRef)数据只需要注册申请并通过香港大地测量组许可便能免费下载使用。SatRef由12个连续运行的参考站组成，分布相对较密集(图1)，且每个GPS站点都配置了Meteo Met*/Met*气象仪对测站表面的气象数据(气压、温度、相对湿度)进行采集，有利于进行GPS遥感水汽计算分析。同时，考虑到相对湿度易受天气变化的影响，选取了2013年第264～266天遭遇台风“天兔”影响时间段内的数据进行分析。

图1　香港卫星参考站网分布

2GAMIT软件参数设置及约束条件

利用GAMIT软件对香港卫星定位参考站网观测数据进行处理，其具体固定设置参见表1。同时为了消除区域GPS网ZTD解算的相关性[7]，获得更精确的PWV估值，同时顾及国际GNSS服务(international GNSS service，IGS)站数量及空间分布对GPS网解算精度的影响[8]，引入LHAZ、SHAO、TWTF、WUHN 4个IGS国际跟踪站点组成长基线参与解算。

GPS/PWV精度与定位精度密切相关，适合的参数设置能在保证基线解算精度的同时获取高精度的气象参数，具体设置综合参考文献[8-13]。

GAMIT软件中相对湿度控制项在tables文件夹下的sestbl.表文件中，采用GPS测站接收机自主交换格式(receiver independent exchange format，RINEX)气象文件时，其具体设置如下[12]：

Met obs source=RNX UFL GPT 50

表1　GAMIT主要固定解算设置及约束方案

表示为先检查RINEX气象文件，然后检查u文件中的测站，最后返回GPT模型值，最后一个数值为假设的相对湿度值，50为默认设置(%)。当最后一个数值设置为-1(负值)时，表示仅使用RINEX气象文件中的相对湿度值。若RINEX气象文件中的相对湿度量不符合GAMIT软件解算时规范要求(HR∈(0，100))或部分缺失，软件会自动将相对湿度值更新成设置的值或离该湿度量最近的上一个相对湿度量。通常对于沿海地区相对湿度值较大，且出现100概率很高，为了排除这种情况可能产生的影响，可先对相对湿度量进行检查并将值为100的更改为99.99。

3实验分析

以下进行两组实验分别验证相对湿度参数设置和相对湿度本身对天顶总延迟量解算的影响。限于图幅要求，在同一解算后只选取了HKSC站点用于分析。

3.1相对湿度参数设置对ZTD解算的影响

无GPS站点RINEX气象数据参与解算，只能比较不同假定相对湿度值设置对ZTD解算的影响。表2列出了不同相对湿度参数设置中的归一化均方根(normalized root mean square，NRMS)可以看出都满足基线解算的精度评定指标(<0.3[13])，且不同相对湿度值设定对基线解算精度影响很小。图2中rhX分别为对应的相对湿度量为X的ZTD值(下同)。可以看出ZTD互差很小，在mm级范围内，故而对PWV反演精度影响更小，几乎可以忽略不计。

表2　不同相对湿度参数设置中的NRMS

图2　ZTD差值时序分布

有GPS站点RINEX气象文件参与解算时，不同相对湿度值设定对基线解算精度影响很小(表3)。这里假定相对湿度值设置为-1时解算得到的ZTD值为真值，记为rhz。图3为ZTD解算误差分布，可以看出两种相对湿度参数设置引起的ZTD误差不大，总体在2 mm以内，且误差曲线除个别时刻外几乎一致，表明在RINEX气象文件符合规范时，相对湿度参数设置不能引起ZTD的较大偏差。同时也能明显看出第266天(48～72 h)ZTD误差远小于前2 d，究其原因可能是，第264天、265天前后台风“天兔”袭扰香港带来的天气变化引起的湿度变化对ZTD解算的影响。由此可以推断ZTD与天气变化引起的湿度变化是存在某种联系的。

表3　不同相对湿度参数设置中的NRMS

图3　ZTD差值时序分布

3.2相对湿度对ZTD解算的影响

在实际解算过程中往往会出现相对湿度量缺失或存在误差的情况，为了比较这两种情况下相对湿度对ZTD解算的影响，这里假定原RINEX气象为真值，同时采用单一控制变量法，人为将HKSC站点的相对湿度量引入20%的误差，并将获取的ZTD值记为rh20；将相对湿度量缺失并在解算中采用默认的假设相对湿度值(50%)的情况下得到的ZTD值记为rh50。图4给出了假定情况下的ZTD误差分布，可以看出，当相对湿度值全部采用默认值时，ZTD误差相对较大，必然会对PWV解算精度产生影响。而相对湿度量存在20%的误差时引起的ZTD误差总体偏小(ZTD误差均值0.065 mm，均方根偏差1.07 mm)，因此对PWV精度产生的影响不大，这对于获取高精度PWV来说是有利的。图5给出了相对湿度误差与ZTD误差的分析，不难发现，相对湿度采用默认值时，ZTD误差与相对湿度误差间的对应关系并不明显，即伴随着相对湿度增加并未出现ZTD误差的增大或减小。

图4　ZTD误差时序分布

图5　ZTD误差与相对湿度误差对应关系

尽管在多数情况下，相对湿度量设置并不会对ZTD解算精度产生大的影响，但在无RINEX气象数据参与解算时，气压、温度、相对湿度对ZTD产生的综合误差影响是一直存在的，如图6给出的有实测气象文件参与解算与无实测气象文件参与解算的差值分布。因此，在有实测RINEX气象数据时，是应该被使用的。当无RINEX气象数据时，可采用气温、气压插值手段进行获取，并按照RINEX气象文件的格式进行编写后使用。

图6　HKSC站ZTD误差分布

4结束语

利用GAMIT软件解算香港卫星参考站网数据，分析相对湿度设置与相对湿度对天顶总延迟量解算的影响，得到的结论为

(1)在正常天气状况下，有无实测RINEX气象文件参与解算时，相对湿度设置对ZTD解算产生的影响很小，在天气状况发生变化时(台风、降水等)，相对湿度设置对ZTD解算的影响稍大，但总体上并不影响GPS水汽反演的精度。

(2)当相对湿度存在20%的误差时，由此引起的ZTD误差总体较小，而相对湿度缺失时采用默认相对湿度(50%)引起的ZTD误差总体较大且不容忽视，可见相对湿度对ZTD解算的是存在一定影响的。因此，当RINEX文件中相对湿度值缺失时，合理的选择相对湿度参数设置能在一定程度上提高ZTD解算精度。

参考文献

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[13]王晶.基于GAMIT的高精度基线解算方法及其在汶川地震分析中的应用[D].武汉：武汉大学，2008：28.

Influence of Relative Humidity on Zenith Total Delay Solution

ZHANGWei1，LIXingguang2

(1.Hefei Surveying and Mapping Institute，Hefei 230061，China；2.ComNav Technology Ltd.，Shanghai 201103，China)

Abstract：For analysing the influence of relative humidity on the retrieval of precipitable water from GPS solution，GAMIT software was used for solving the Hong Kong satellite reference station network data，and analysing the influence of relative humidity and its different settings on zenith total delay solution.The results show that：Relative humidity parameter setting have little effect on ZTD solver as the relative humidity was present and no error.Also 20% relative humidity error have little effect on ZTD solution.When the relative humidity was not existed，the default setting of relative humidity (50%) would cause a large ZTD error，and affect the accuracy of GPS Water Vapor retrieval to a certain extent.So，if we have the relative humidity data，they should be used.

Key words：GAMIT；relative humidity；zenith total delay；GPS water vapor

中图分类号：P228

文献标识码：A

文章编号：2095-4999(2016)-01-0113-04

通讯作者简介：李星光(1988—)，安徽淮南人，硕士，目前主要研究GNSS遥感应用。

作者简介：第一张伟(1990—)，安徽合肥人，硕士，主要从事GNSS数据处理研究。

收稿日期：2015-05-18

引文格式：张伟，李星光.相对湿度对天顶总延迟量的影响[J].导航定位学报，2016，4 (1)：113-116.(ZHANG Wei，LI Xingguang.Influence of Relative Humidity on Zenith Total Delay Solution[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(1)：113-116.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160122.