基于滑动窗口的高时空分辨率全球多维对流层延迟精化模型构建研究

Tropospheric delay is one of the dominant errors in high precision positioning and navigation as well as the fundamental data in atmospheric science. Some shortages are still existed in current tropospheric delay models, such as low spatial resolution of vertical profile function and inadequate usage of multi-source data for modeling. Therefore, this project strives to develop a new global multidimensional sophisticated model for tropospheric delay based on sliding window algorithm for the sake of satisfying demands for real time tropospheric delay application with high precision and high spatial-temporal resolution. The main contents include: (1) exploring the height range of piecewise vertical profile of zenith hydrostatic delay (ZHD) and wet delay (ZWD) in global windows, by using ERA-Interim data from the European Center for Medium-range Weather Forecasts (ECMWF); (2) developing a piecewise vertical profile of zenith tropospheric delay (ZTD) model with high spatial resolution globally through combining ERA-Interim data, grid topographic data from the Global Geodetic Observing System (GGOS) Atmosphere center and Global Navigation Satellite System (GNSS) station height; (3) establishing the global time series of ZTD model from multi-source ZTD data, and then developing the global multidimensional ZTD model with high spatial-temporal resolution. The anticipated goal of this project is to provide high precision real time tropospheric delay at any height for satellite navigation positioning and space atmospheric exploration as well as to promote the development and applications of GNSS meteorology.

对流层延迟是影响高精度定位与导航的主要误差之一,也是大气科学研究的基础数据。当前已有对流层模型存在垂直剖面函数空间分辨率偏低及建模数据源单一等问题。针对这些问题，本项目拟基于滑动窗口算法，力求建立新的全球多维对流层延迟精化模型以满足高精度、高时空分辨率的对流层延迟实时需求。主要研究内容为：利用欧洲中尺度天气预报中心ERA-Interim资料，探测全球各窗口内对流层天顶干延迟（ZHD）和湿延迟（ZWD）分段垂直剖面函数的精细高度区间；综合ERA-Interim资料、全球大地观测系统格网地形数据及GNSS基准站高程信息，构建全球高空间分辨率的对流层天顶延迟（ZTD）分段垂直剖面函数；联合多源ZTD数据，建立全球ZTD时序模型，进而构建高时空分辨率的全球多维对流层延迟精化模型。研究成果可为卫星导航定位和空间大气探测提供任意高度上的高精度实时对流层延迟信息，促进GNSS气象学的发展与应用。

对流层延迟是影响高精度定位与导航的主要误差之一,也是大气科学研究的基础数据。当前已有对流层模型存在垂直剖面函数空间分辨率偏低及建模数据源单一等问题。针对这些问题，本项目基于滑动窗口算法开展了实时高精度的对流层延迟模型精化研究。依托本项目取得了如下成果:(1)联合探空资料和GNSS ZTD产品对全球MERRA-2资料计算的ZWD/ZTD进行了精度评估，结果表明其可用于高精度、高分辨率对流层延迟建模。(2)基于滑动窗口算法构建了中国区域对流层关键参量模型(CTrop模型)，CTrop模型在中国区域计算对流层关键参量具有较高的精度和稳定性。(3)建立了顾及时变高程缩放因子的中国区域对流层垂直剖面模型(CZTD-H模型), CZTD-H模型在中国区域具有良好的ZTD垂直改正性能，相对于GPT2w模型其在中国西北部和东南部区域体现出了显著的精度改善。此外，探讨了分别基于高斯函数和指数函数来表达对流层垂直剖面的精度，总体上高斯函数具有更好的效果。(4)探测了ZTD分段垂直剖面的高度区间，构建了中国区域高时空分辨率的ZTD分段垂直剖面模型(CZTD-P模型)，相对于CZTD-H模型其精度和稳定性具有一定的改善。(5)探索了对流层大气加权平均温度(Tm)垂直递减率的时空特性，建立了实时高精度中国区域Tm模型(CTm模型)，新模型在中国区域表现出了优异的性能，尤其在青藏高原地区。(6)挖掘了全球ZWD/ZTD高程缩放因子的时空特性，构建了全球对流层垂直剖面格网模型(分别简称GZWD-H和GZTD-H模型), 其在全球ZWD/ZTD垂直改正中具有较高的精度和稳定性。(7)基于滑动窗口算法构建了同时顾及高程、纬度和季节因子的全球多维ZTD新模型(GGZTD模型)，相对于 GPT2w 模型，GGZTD模型精度仍具有一定的提升且显著地减少了模型参数。(8)引入滑动窗口算法，基于GGOS大气格网产品建立了实时高精度的全球Tm模型(GGTm模型)，其与Bevis公式和GPT2w模型相比均体现出了最优的精度和稳定性，尤其在高海拔地区表现出了显著的优势。本项目构建的系列模型可为中国区域和全球的卫星导航定位和大气探测提供任意高度上的实时高精度对流层延迟信息。