BDS/GNSS对流层环境模拟与延迟修正新模型研究

Tropospheric delay is one of the most significant error sources in satellite navigation, and it is usually mitigated by using an empirical correction model. Based on further investigations on characteristics of global zenith tropospheric delay (ZTD) and comprehensive assessments of existing ZTD correction models, this study intends to propose several new methods on ZTD prediction and detailed modelling of atmospheric parameters. These new methods include: employing new formulations for the representation of ZTD temporal features, optimizing the adaptive spatial grid of ZTD models, creating methods for extreme climates, generating strategies on derivation of precise tropospheric delay model parameters from multiple atmospheric data sources, generating ZTD correction information grid file from atmospheric observations and numerical weather model, and so on. Through using these methods, a group of new zenith tropospheric delay models will be established, which are characterized by high precision ZTD estimation, good time-space resolution, capability of handling extreme climate, complete atmospheric parameters estimation. Those new tropospheric models are expected to accommodate the demands of a variety of BDS/GNSS applications, from normal positioning to high accuracy geodesy. To assess the new models built in this study, model-predicted ZTDs are used directly in precision point positioning (PPP). From long-term and globally-distributed GNSS observation data, substantial statistical results about positioning errors and PPP convergence time will be acquired and analyzed. In addition, this program will conduct a research on ZTD correction aided by smart mobile equipment with meteorological sensors, which is ideally suitable for kinematic positioning. This program is intended to promote the research and application of the ZTD model for the Beidou navigation satellite system. And the new models generated in this study will help to enhance the international competitiveness of Beidou system.

无线电信号的对流层延迟是高精度卫星导航定位的重要误差源，通常采用模型修正对流层的影响。本研究将针对现有对流层模型的缺点与局限性，深入研究对流层环境精细模拟与延迟修正的各种新方法，提出一系列高精度、高时空分辨率、顾及特殊对流层环境特征、参数完备的新对流层模型，并在此基础上发展全面的北斗/GNSS对流层服务。这些新方法包括新的对流层天顶延迟时间变化表征函数、优化的自适应空间网格、针对特殊对流层环境的建模方法、多数据融合下获取高精度高分辨率模型参数的方法、基于大气观测和气象数值模型的对流层修正方法等。通过精密单点定位实验评估新对流层模型的应用效果，获取定位精度和收敛速度的全球长期统计结果。另外，还将开展利用智能移动设备输出的气象数据辅助对流层延迟修正的技术与方法研究。本研究对解决北斗卫星导航系统的对流层误差修正问题具有较好的理论意义，研究成果有助于提升北斗相对于GPS等卫星导航系统的竞争力。

导航信号的对流层延迟是高精度BDS/GNSS应用中必须考虑和精确修正的误差，也是地基GNSS气象学的重要研究内容。本项目针对现有对流层修正方法的缺点，通过进一步研究对流层大气变化特征，提出了一系列新的对流层模型，提高了对流层延迟模拟精度，发展了全面满足不同场景需求的北斗对流层服务。主要包括：（1）构建了基于高度特征函数的对流层经验模型IGGtrop_SH和IGGtrop_rH，较好地解决了对流层天顶延迟高度变化表征的难题，精度达到国际同类先进水平，具有参数数量少、高空无偏差等优点；（2）构建了能提供完备对流层大气参数（气压、温度、水汽压、静力学延迟、湿延迟、加权平均温度等）的IGGatm和IGGatmHfit经验模型，精度达到国际同类先进水平，IGGatmHfit模型参数数量仅为同类模型的1/5，实用性更强；（3）提出了基于广域GNSS参考站网的实时/事后对流层产品GTP，能提供平均精度优于2 cm、瞬时精度优于4 cm的对流层天顶延迟信息，GTP使精密单点定位中高程收敛速度提高56%以上；（4）针对中国特殊的对流层环境提出了局地对流层模型SAAS_S与CH_S，精度优于同类的Saas等模型，在中国南部地区的改进效果尤为显著；（5）开展了对流层模型用于精密单点定位的研究，全面评估了IGGtrop等对流层模型的应用效果；（6）提出了以数据量较小的再分析大气地表资料替代分层资料精确估计GNSS用户大气参数的方法，合理的高度归算方法保证了大高差时的精确结果，能满足无气象观测条件下GNSS对流层延迟修正、水汽反演等应用需求；（7）提出了读取并校正智能移动设备的气压传感器数据辅助GNSS对流层修正的方法，有效提高了定位精度。以上研究采用创新的方法模拟对流层参数，能反映真实的大气特征，提高了对流层延迟模拟精度与应用便利性，为北斗系统发展对流层修正服务提供了有益的基础和借鉴。.在此基础上，还开展了地基GNSS气象学及应用研究。建立了中国区域的加权平均温度的格网模型，精度显著优于国际常用模型；实现了基于实时数据流的GNSS水汽计算；生成了高精度（2 mm）、高时间分辨率的青藏高原地区GNSS水汽产品，为亚洲水塔区水资源研究提供了数据资料。