利用RTKLIB提取对流层延迟方法与精度评估

郭海林，姜英明

利用RTKLIB提取对流层延迟方法与精度评估

郭海林1，姜英明2

（1 千寻位置网络有限公司，上海 200438；2 山东农业工程学院，济南 250100）

全球卫星导航系统可以进行精确的水汽估算，能够成功地应用于天气预报中，比如数值天气预报模型。利用精密单点定位技术提取天顶对流层延迟，采用RTKLIB开源软件进行静态精密单点定位解算并提取天顶对流层延迟估值，并与国际GNSS服务IGS提供的参考值进行比较，评估其对流层解算精度。选取中国3个IGS观测站数据进行试验，结果表明RTKLIB可以获得厘米级的对流层解算精度。

RTKLIB；精密单点定位；天顶对流层延迟

0 引言

全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）越来越多地应用于全球用户的位置估计，然而人们对它们在对流层中用于水汽的感知能力知之甚少，Bevis等人成功地引入了一种被称为GPS气象学方法的概念[1]，从那时起学者们在这一领域进行了许多研究，但多年来仅将GPS系统用于GPS气象研究。在最近的时间里，这个术语从GPS气象学转变为GNSS气象学，开始使用其他GNSS系统（例如GLONASS、BDS和Gallieo）来研究GNSS气象学[2-4]。但是在本研究中，除非另有说明，否则仅处理来自GPS卫星的信号，因此GNSS仅指GPS。

从GNSS卫星传播到地面接收器的信号会进入地球大气的2个部分，即电离层和对流层。由于电离层是1～2 GHz GNSS信号频率的分散介质，因此可以通过适当组合2个不同频率的信号来消除其影响。相反，对流层是描述信号的非分散介质，因此其影响不能直接从观测中消除，但是可以通过参数进行精确估计。对于放置在平均海面上的接收器而言，其对流层延迟在天顶方向上大约为2.3 m，此参数称为天顶对流层延迟（Zenith Tropospheric Delay，ZTD），是GNSS气象处理的主要结果。总延迟可以分为干延迟部分（Zenith Hydrostatic Delay，ZHD）和湿延迟部分（Zenith Wet Delay，ZWD）。干延迟部分占总延迟的80～90％，并且在空间和时间上的变化远小于湿延迟部分，可以使用Saastamoinen模型（Saastamoinen 1972）精确地计算[5]。量化并分离后，可以将转换为水汽含量，此参数表示GNSS接收器上方天顶方向的水汽总量，以毫米为单位。

Zumberge等人在20世纪90年代后期提出了精密单点定位（Precise Point Positioning，PPP）技术，该技术通过使用精密轨道时钟产品和高精度载波相位观测来实现高精度厘米级定位[6]。在实际应用中，PPP技术只需要在单个接收器上就可以获得厘米级的地理坐标，这使得获取定点信息更加方便，并且在实际操作中相对简单，能更好地满足航空等领域的定位需求，为各项事业的发展奠定重要的技术基础。同时PPP技术中的估计参数含有对流层信息，可以用于估计对流层延迟。本文的研究目的是评估RTKLIB软件库的PPP解算提取对流层延迟的精度，并评估其对GNSS气象学的应用潜力。

1 利用RTKLIB提取对流层延迟方法

RTKLIB是一个开源程序包，可以利用GNSS观测值进行标准和精密定位。其提供了许多功能，包括各种定位（伪距单点定位、精密单点定位和差分定位）、各种格式的数据和协议、GNSS数据编辑和可视化工具等。它包含可执行应用程序，可用在图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）和命令行用户界面（Command-line User Interface，CUI）版本中使用。本文利用的RTKLIB版本为2.4.3，利用RTKPOST执行程序进行PPP解算并提取对流层信息。

RTKLIB中的PPP支持以下3种模式：动态PPP（测量过程中接收器处于移动状态）、静态PPP（测量过程中接收器位置处于静态）和固定PPP（接收器的坐标固定在已知位置，坐标参数不用估计）。本文在提取对流层参数时，使用静态PPP模式，原始输入观测数据为标准格式的RINEX观测文件，精密轨道钟差产品使用IGS事后精密产品。本文研究仅使用GPS星座。PPP整个估算过程都基于扩展的卡尔曼滤波器，在进行PPP解算时RTKLIB提供了各种模型改正，包括卫星、接收机天线相位中心偏差、变化改正，固体潮、海洋潮汐改正、相对论效应和相位缠绕改正等。

利用PPP技术提取对流层时，通常采用无电离层组合观测值消除电离层一阶项的影响，无电离层组合PPP观测方程如式（1）～式（2）所示[7-8]：

PPP解算时各误差改正如表1所示。

表1 PPP解算各项误差改正

2 实验分析

为了评估利用RTKLIB提取对流层的精度，实验选取2020年年积日为294天采样间隔为30 s的 3个IGS中国站的观测数据（BJFS站、JFNG站和LHAZ站），截止高度角设置为10°，利用RTKLIB的PPP解算出，然后分别将处理得到的结果与IGS提供的对应站的结果进行比较，由于IGS提供的的间隔为300 s，因此将RTKLIB得到的的间隔重采样为300 s后再进行比较。在分析精度时，同时也对3个测站的卫星数、三维位置精度因子（Position Dilution of Precision，PDOP）以及多径组合观测值（Multipath Observation，MP）进行了分析。

3个IGS站的卫星数和值时间序列图如图1所示，图中横坐标为GPS时间，纵坐标为卫星数或者值，图中上半部分为卫星数，下半部分代表。由图1可知，3个IGS测站的GPS可用卫星数在6～12颗，大部分时间段均能保持在 7颗以上；3个测站的PDOP值大部分时间小于4，这能够保障PPP解算获得较好的对流层精度。对比卫星数和P值可以发现，值与卫星数有强相关性，通常情况下卫星数越多，值越小；卫星数越少，值越大。

图2 3个IGS站SNR、MP和高度角时间序列图

3个IGS站的信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）、多路径误差（Multipath Error，ME）和高度角时间序列图如图2所示。由图2可知，3个测站的信噪比、多路径误差和卫星分布均比较正常，但是JFNG测站的信噪比要略差于其他2个测站，LHAZ站的信噪比和多径误差指标均优于其他2个测站。

图3 3个IGS站对流层误差时间序列图

利用RTKLIB提取的3个IGS站的误差时间序列图如图3所示。由图3可知其精度在厘米级，BJFS站和JFNG站后面时间段的对流层误差时序有一个凸起，主要受该时间段卫星数较少和值偏大影响，LHAZ站对流层误差在该时间段没有太明显凸起，与该时间段的值相对较好，且该测站数据质量也较好（信噪比和多径误差指标均很好）有关。分别统计3个站的精度的值，结果分别为0.026 m、0.033 m和0.038 m。

3 结语

利用PPP技术可以对天顶对流层延迟进行精确估计，从而进行精确水汽估算，并成功地应用于天气预报中。本文研究利用PPP技术提取ZTD，并采用RTKLIB开源软件进行静态PPP解算并提取ZTD估值，将处理的ZTD结果与IGS提供的参考值进行比较，评估其对流层的解算精度。选取中国3个IGS观测站数据进行试验，结果表明利用RTKLIB可以获得厘米级的对流层解算精度，3个站的ZTD解算精度分别为0.026 m、0.033 m、0.038 m。

[1] Bevis M，Businger S，Herring T A，et al. GPS meteorology：Remote sensing of atmospheric water vapor using the global positioning system[J]. Journal Geophysical Research，1992，97（14）：15787-15801.

[2] 杨元喜. 北斗卫星导航系统的进展，贡献与挑战[J]. 测绘学报，2010，39（1）：1-6.

[3] 张士柱，李莎莎，肖伟，等. 利用Multi-GNSS估计天顶对流层延迟[J]. 地理空间信息，2019，17（05）：68-72+5.

[4] 汪波. 局域地基GPS遥感水汽的理论及应用研究[D]. 贵阳：贵州大学，2016.

[5] Saastamoinen J. Atmospheric correction for the troposphere and stratosphere in radio ranging of satellites[M]. Geophysical Monograph Series，1972：247-251. doi：10.1029/gm015p0247.

[6] Zumberge J F，Heflin M B，Jefferson M M，et al. Precise point positioning for the efficient and robust analysis of GPS data from large networks[J]. Journal Geophysical Research，1997（102）：5005-5017.

[7] 辜声峰. 多频GNSS非差非组合精密数据处理理论及其应用[D]. 武汉：武汉大学，2013.

[8] 叶世榕. GPS非差相位精密单点定位理论与实现[D]. 武汉：武汉大学，2002.

Retrieving of Tropospheric Delays from RTKLIB and Accuracy Evaluation

GUO Hailin, JIANG Yingming

The accurate water vapor can be estimated by Global Navigation Satellite System, it also can be successfully applied to weather forecasts, such as numerical weather prediction models. The paper uses precise point positioning technology to retrieve the zenith tropospheric delay, retrieving the zenith tropospheric delay from the precise point positioning module in RTKLIB. Compares with the reference value provided by IGS to evaluate its accuracy of tropospheric resolution. The observation data of three IGS stations in China are selected for experiment, and the results show that RTKLIB can obtain the cm-level accuracy of the zenith tropospheric delay.

RTKLIB; Precise Point Positioning; Zenith Tropospheric Delay

P228.4

A

1674-7976-(2021)-03-188-04

2021-03-04。郭海林（1992.09-），湖北利川人，硕士，工程师，主要研究方向为PPP定位及完好性监测。