对流层延迟修正预报模型的精化研究

With the transmition of GPS L2C and the application of high frequency signal in deep space exploration, the tropospheric delay will be the main error of space radio signal.The classical Hopfield and Saastamoinen model are with very bad accuracy if there's no meteorology observations.The popular forecast model UNB3 and EGNOS with very large equal-interval parameters over the global can't satisfy the requirements of real-time navigation with high precision, especially in area with high altitude and complicated atmosphere environment. In this study, we will use the ECMWF/NCEP level atmosphere data and GPS zenith tropospheric delay measurements(ZTD) of several tens of years to analyze the global temporal and spatial characters of ZTD, and study the disciplinary of ZTD along latitude, altitude and seasons. The corresponding better description method will be figure out. A global tropospheric delay forecast model will be developed with more detailed description of the ZTD altitude variation. The model parameters will be given at the average height of each grid. Different mathematic function will be used for each latitude band and non-equal grid-interval will be applied in various area with different atmosphere environment. The preliminary result in China area show that this new model is more accurate than other forecast models, especially over area with high altitude, low latitude and in summer period.

随着GPS L2C 信号的播发和深空探测中高频信号的采用，对流层延迟将成为无线电信号的主要误差源。经典模型在没有实测气象资料时精度比较低，目前国际上的预报模型UNB3和EGNOS在全球海平面上等间隔低分辨率设置模型参数，在高海拔和大气条件复杂区域精度明显降低，不能满足当前高精度实时导航定位的需要。本课题将利用全球近二十年的ECMWF/NCEP分层大气资料和GPS实测对流层延迟序列，分析全球对流层延迟的时空变化特性，综合研究大气延迟随纬度、高程和季节的变化规律以及合理的描述方法，构建一个满足高精度实时导航定位要求的全球对流层延迟修正预报模型。该模型将精细分析对流层延迟随高程的变化规律，模型参数给在网格平均高度上，各纬度带采用不同的拟合函数，全球不同区域采用非等间隔的参数设置。初步建立的中国地区模型比目前常用预报模型精度有明显提高，特别是在高海拔、低纬度地区和夏季具有明显优势。

随着航空航天科技的发展，GNSS、VLBI等观测技术已经广泛应用于各类空间飞行器的导航和制导，随着GPS L2C 信号的播发和深空探测中高频信号的采用，对流层延迟将成为无线电信号的主要误差源,而在飞行器动态导航定位的过程中需要在不同大气高度上对对流层延迟误差进行修正，位置变化随机性强，实时性要求高。经典模型在没有实测气象资料时精度比较低，目前国际上的预报模型UNB3和EGNOS在全球海平面上等间隔低分辨率设置模型参数，在高海拔和大气条件复杂区域精度明显降低，不能满足当前高精度实时导航定位的需要。. 本课题利用全球近二十年的地面/分层大气资料和GPS实测天顶延迟资料，通过分析全球对流层延迟的时空变化特性，详细研究了长期项、周年项和半年项的变化特点，综合研究了天顶延迟随纬度、高程和季节变化规律以及合理的描述方法，在精化地面延迟修正模型的基础上,最终建立了具有更高分辨率、更高精度的、适合任意高度用户的全球对流层延迟修正预报模型。该模型（1）采用分段函数给出了更准确的对流层延迟随高程变化的表述方法，适合全球任意高度的地面、各类空间飞行器等用户使用，填补了该研究领域的空白；（2）模型参数给在各网格的平均高度上，比目前的模型精度将有明显提高，特别是在海拔比较高的区域有明显优势；（3）算法简单、拟合误差比较小，用户使用方便，不需要其它外部资料输入；（4）该模型的初步应用表明，天顶延迟预报bias平均可达到1-2cm(目前EGNOS模型的bias约为5cm)，rms小于5cm。. 该模型可以推荐给全球各类实时无线电观测、定位、导航用户使用，且已开发了相关软件模块，并在探月工程嫦娥3号和5T任务及北斗系统指标论证中进行了测试和验证，均达到了指标要求；并参加了多次国内外相关会议，宣传了研究成果，发表了多篇SCI文章，培养了2名博士和3名硕士，完成了课题的研究目标。