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CN117992706B - 面向实时对流层天顶延迟的点面转换方法及系统 - Google Patents

面向实时对流层天顶延迟的点面转换方法及系统 Download PDF

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CN117992706B CN202410409381.2A CN202410409381A CN117992706B CN 117992706 B CN117992706 B CN 117992706B CN 202410409381 A CN202410409381 A CN 202410409381A CN 117992706 B CN117992706 B CN 117992706B
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Abstract

本发明公开了一种面向实时对流层天顶延迟的点面转换方法及系统，涉及导航定位服务领域。该方法的步骤包括：在实际GNSS站点之间设立若干虚拟GNSS站点；根据所有实际GNSS站点的经验ZTD值和ZTD值，得到ZTD残差模型；根据ZTD残差模型对每个虚拟站点的经验ZTD值进行修正后得到每个虚拟GNSS站点的ZTD值；根据每个有效GNSS站点ZTD值，确定点转面待解系数。本发明根据虚拟GNSS站点联合实际GNSS站点进行ZTD的点转面，增加虚拟GNSS站点的ZTD点转面精度会显著提高；本发明还充分考虑了ZTD和GNSS站点高度的耦合性，以此实现了在对流层天顶延迟快速点转面的同时，保障精细ZTD产品的高精度可用。

Description

面向实时对流层天顶延迟的点面转换方法及系统
技术领域
本发明涉及导航定位服务领域，具体涉及面向实时对流层天顶延迟的点面转换方法及系统。
背景技术
ZTD是描述对流层对无线电信号行进影响的常用参数。高精度的ZTD信息不仅可以消除基于无线电信号的观测系统中的大气层延迟，而且能够反映对流层的状态。在目前的ZTD快速反演技术中，最便捷的手段是直接应用经验模型。它解决了再分析数据集数据量大和发布延迟的难题，超快速估计出建模区域内任意位置和时刻的ZTD值。但是忽略了大气非线性效应，质量不足以满足高精度应用的需求。另外一种技术就是具有高精度和高时间分辨率优势的GNSS（Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统），实时模式下能够精确的估计空间分布离散的ZTD值。可是精细的高空间分辨率ZTD图需要依赖点面转换的再处理方法。
无论是简单的插值还是依赖高程的拟合，现有的ZTD点转面的再处理方法受到ZTD估计精度和GNSS站点密度的限制。尽管近年建设了越来越多的连续GNSS网,但稀疏站点一直是困扰实时对流层天顶延迟点面转换的难题，特别是在地形高度变化的区域。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明解决的技术问题为：如何在实现对流层天顶延迟快速点转面的同时，保障精细ZTD产品的高精度可用。
为达到以上目的，本申请实施例提供一种面向实时对流层天顶延迟的点面转换方法，该方法包括以下步骤：在实际GNSS站点之间，设立若干基本均匀分布的虚拟GNSS站点；根据每个GNSS站点相邻格网点在指定高度下的ZD值，确定每个GNSS站点的经验ZTD值，根据所有实际GNSS站点的经验ZTD值和ZTD值，得到表示ZTD残差与位置信息的ZTD残差模型；根据ZTD残差模型对每个虚拟站点的经验ZTD值进行修正后得到每个虚拟GNSS站点的ZTD值；根据每个有效GNSS站点ZTD值，确定点转面待解系数。
结合第一方面，在一种实施方式中，所述ZD值包括ZHD值和ZWD值；ZHD和ZWD的计算公式均为：
其中Z表示ZHD或ZWD，doy表示年积日,表示年份，h表示需要计算的GNSS站点的高度，/>表示需要计算的格网点的高度；/>表示ZHD或ZWD的已经公开的模型系数。
结合第一方面，在一种实施方式中，所述每个GNSS站点的经验ZTD值的计算过程包括：将每个格网点的ZHD值和ZWD值相加，得到该格网点的ZTD值，将需要计算的GNSS站点的相邻格网点的ZTD值通过双线性插值得到对应需要计算的GNSS站点的经验ZTD值。
结合第一方面，在一种实施方式中，所述根据所有实际GNSS站点的经验ZTD值和ZTD值，得到表示ZTD残差与位置信息的ZTD残差模型的过程包括：计算每个实际GNSS站点的经验ZTD值和ZTD值的ZTD差值，将所有实际GNSS站点的ZTD差值组成ZTD残差，将ZTD残差代入最佳拟合算法得到表示ZTD残差与位置信息的ZTD残差模型。
结合第一方面，在一种实施方式中，所述将ZTD残差代入最佳拟合算法得到表示ZTD残差与位置信息的ZTD残差模型的具体过程为：
构建最佳拟合计算公式：
其中为拟合参数，此处具体代表ZTD残差；/>表示球冠坐标；/>表示地球的径向距离；/>表示SCHA模型的度数，/>表示 SCHA模型的阶数，N为最大度数；/>和为SCHA模型的常数项；/>是SCHA模型的待解系数；
，（B，/>）表示大地坐标的经度和纬度，()代表球冠极点的大地坐标；
其中表示地球的平均半径；/>是连带勒让德函数；
；
其中表示超几何函数；/>表示归一化因子，
将最佳拟合计算公式变换为矩阵形式：，展开为：
表示拟合的样本数量，M和X表示SCHA常数项和系数；
根据ZTD残差和已知的位置信息，计算待解系数x，计算公式为：。
结合第一方面，在一种实施方式中，所述点转面待解系数X的计算公式为：
其中V为上文所述拟合参数，此处代表ZTD，R表示实际GNSS站点的ZTD值，F代表虚拟GNSS站点的ZTD值，p为虚拟ZTD和GNSS ZTD的权重；;其中RMSE代表实际GNSS站点的虚拟ZTD值的均方根误差；
；/>表示实际GNSS站点的虚拟ZTD值，/>表示实际GNSS站点的ZTD值；每个实际GNSS站点的虚拟ZTD值为该实际GNSS站点经验ZTD值，与该经验ZTD值对应的ZTD改正值之和，ZTD改正值根据所述ZTD残差模型计算得到。
结合第一方面，在一种实施方式中，根据ZTD残差模型对每个虚拟站点的经验ZTD值进行修正后得到每个虚拟GNSS站点的ZTD值的流程包括：通过ZTD残差模型计算与每个虚拟GNSS站点的经验ZTD值对应的ZTD改正值，每个虚拟GNSS站点的ZTD值为该虚拟GNSS站点的经验ZTD值与ZTD改正值之和。
结合第一方面，在一种实施方式中，所述基本均匀分布的定义为：相邻GNSS站点间距为a1~b1，a1为实际GNSS站点之间的距离最小值，b1为实际GNSS站点之间的距离最大值；相邻GNSS站点间距之间的误差为a1-；虚拟GNSS站点与实际GNSS站点的数量差为实际GNSS站点总数量的10%；
所述在实际GNSS站点之间，设立若干基本均匀分布的虚拟GNSS站点的流程包括：选取与1个GNSS实际站点相邻的GTrop建模数据中的格网点，将该GNSS实际站点与选取的格网点的间距确定为站点间距；判断是否存在与实际GNSS站点间距匹配的GTrop建模数据中的格网点，若是，则将该格网点作为虚拟GNSS站点，若不是则根据确定的站点间距，在GNSS站点周围设立虚拟GNSS站点。
结合第一方面，在一种实施方式中，所述有效GNSS站点的确定流程包括：计算每个GNNS站点的值，/>，其中a和b是模型的系数；将每个GNNS站点的值，减去ZTD值得到该GNSS站点的ZTD差值；将所有GNSS站点的ZTD差值形成差值、并按指定顺序组成差值序列，删除差值序列中最大1~3%和最小1~3%的ZTD差值对应的GNSS站点。
第二方面，本申请实施例提供一种实时对流层天顶延迟的点面转换系统，其特征在于：该系统用于实现第一方面所述的方法。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过实际GNSS站点校正经验模型的策略建立虚拟GNSS站点，根据虚拟GNSS站点联合实际GNSS站点进行ZTD的点转面。相比于只使用实际GNSS站点的ZTD点转面，增加虚拟GNSS站点的ZTD点转面精度会显著提高；与此同时，本发明还充分考虑了ZTD和GNSS站点高度的耦合性，以此实现了在对流层天顶延迟快速点转面的同时，保障精细ZTD产品的高精度可用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中面向实时对流层天顶延迟的点面转换方法的流程图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
附图中所示的流程图仅是示例说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解、组合或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
参见图1所示，本发明实施例中的面向实时对流层天顶延迟的点面转换方法，包括以下步骤：
S1：在实际GNSS站点之间，设立若干基本均匀分布的虚拟GNSS站点。
优选的，基本均匀分布的定义为：相邻GNSS站点间距（包括相邻实际GNSS站点之间的间距、相邻虚拟GNSS站点之间的间距、以及实际GNSS站点与相邻虚拟GNSS站点之间的间距）为a1~b1，a1为实际GNSS站点之间的距离最小值（即2个距离最近的GNSS站点间距），b1为实际GNSS站点之间的距离最大值（即2个距离最远的GNSS站点间距）；相邻GNSS站点间距之间的误差为a1-；虚拟GNSS站点与实际GNSS站点的数量差为实际GNSS站点总数量的10%。
在此基础上，在实际GNSS站点之间，设立若干基本均匀分布的虚拟GNSS站点可以概述为在GNSS实际站点之间的数据缺口区域设立虚拟GNSS站点，具体过程可以为：
确定站点间距，确定方式可以为：选取与1个GNSS实际站点相邻的GTrop建模数据中的格网点，将该GNSS实际站点与选取的格网点的间距作为站点间距；若没有GTrop建模数据中的格网点，可在a1~b1之间选取站点间距。
判断是否存在与实际GNSS站点间距匹配的GTrop建模数据中的格网点，若是，则将该格网点作为虚拟GNSS站点，若不是则根据确定的站点间距，在GNSS站点周围设立虚拟GNSS站点。
S2：根据每个GNSS站点（包括实际GNSS站点和虚拟GNSS站点）相邻的4个格网点在指定高度（指定高度即为当前需要计算的GNSS站点的高度）下的ZD值，确定每个GNSS站点的经验ZTD值，ZD值包括ZHD值（Zenith Hydrostatic Delay，天顶干延迟）和ZWD值（ZenithWet Delay，天顶湿延迟）。根据所有实际GNSS站点的经验ZTD值和ZTD值（即实际ZTD值），得到表示ZTD残差与位置信息的ZTD残差模型。
优选的，上述ZHD和ZWD的计算公式均为：
其中Z表示ZHD或ZWD，doy表示年积日,表示年份，h表示需要计算的GNSS站点的高度，/>表示需要计算的格网点的高度；/>表示ZHD或ZWD的已经公开的模型系数。
优选的，上述每个GNSS站点的经验ZTD值的计算过程包括：将每个格网点的ZHD值和ZWD值相加，得到该格网点的ZTD值，将需要计算的GNSS站点的相邻的4个格网点的ZTD值通过双线性插值得到对应需要计算的GNSS站点的经验ZTD值。
优选的，上述根据所有实际GNSS站点的经验ZTD值和ZTD值，得到表示ZTD残差与位置信息的ZTD残差模型的过程包括：计算每个实际GNSS站点的经验ZTD值和ZTD值的ZTD差值，将所有实际GNSS站点的ZTD差值组成ZTD残差，将ZTD残差代入最佳拟合算法得到表示ZTD残差与位置信息的ZTD残差模型。
优选的，将ZTD残差代入最佳拟合算法得到表示ZTD残差与位置信息的ZTD残差模型的具体过程为：
构建最佳拟合计算公式：
其中为拟合参数，此处具体代表ZTD残差；/>表示球冠坐标；/>表示地球的径向距离；/>表示SCHA模型（spherical cap harmonic analysis， 球冠谐分析）的度数，表示 SCHA模型的阶数，N为最大度数；/>和/>为SCHA模型的常数项；/>是SCHA模型的待解系数；
，（B，/>）表示大地坐标的经度和纬度，()代表球冠极点的大地坐标，通常选择研究区域的中心作为球冠极点；
其中表示地球的平均半径；/>是连带勒让德函数；
；
其中表示超几何函数；/>表示归一化因子，计算公式如下：
将最佳拟合计算公式变换为矩阵形式：，展开为：
表示拟合的样本数量，M和X表示SCHA常数项和系数。
根据ZTD残差和已知的位置信息，计算待解系数x，计算公式为：。
由此可知，确定应用区域后，球冠的极点和常数项和/>是固定的。只要得到待解系数/>和/>，就能立即计算出SCHA模型拟合值。
S3：根据ZTD残差模型对每个虚拟站点的经验ZTD值进行修正后得到每个虚拟GNSS站点的ZTD值。
优选的，S3中具体流程包括：通过ZTD残差模型计算与每个虚拟GNSS站点的经验ZTD值对应的ZTD改正值，每个虚拟GNSS站点的ZTD值为该虚拟GNSS站点的经验ZTD值与ZTD改正值之和。
S4：根据每个有效GNSS站点ZTD值，确定点转面待解系数，之后可根据该系数来联合SCHA模型进行点转面的工作。
优选的，S4中有效GNSS站点的确定流程包括：计算每个GNNS站点的值，，其中a和b是模型的系数；将每个GNNS站点的/>值，减去ZTD值得到该GNSS站点的ZTD差值；根据所有GNSS站点的ZTD差值保留有效GNSS站点。
优选的，根据所有GNSS站点的ZTD差值保留有效GNSS站点的流程包括：将所有GNSS站点的ZTD差值形成差值、并按指定顺序（从下到大或者从大到小）组成差值序列，删除差值序列中最大1%和最小1%的ZTD差值对应的GNSS站点，从而有效防止异常值对定权和拟合过程造成的错误偏离。
优选的，点转面待解系数X的计算公式为：
其中V为上文所述拟合参数，此处代表ZTD，R表示实际GNSS站点的ZTD值，F代表虚拟GNSS站点的ZTD值，p为虚拟ZTD和GNSS ZTD的权重；;其中RMSE代表实际GNSS站点的虚拟ZTD值的均方根误差(单位：mm)；
；/>表示实际GNSS站点的虚拟ZTD值，/>表示实际GNSS站点的ZTD值。
每个实际GNSS站点的虚拟ZTD值为该实际GNSS站点经验ZTD值，与该经验ZTD值对应的ZTD改正值之和，ZTD改正值通过前文中的ZTD残差模型计算得到。
本发明实施例中的实时对流层天顶延迟的点面转换系统，该系统用于实现上述方法。
具体的，该系统包括虚拟建站模块、最佳拟合模块和组合估计模块。
虚拟建站模块用于：在实际GNSS站点之间，设立若干基本均匀分布的虚拟GNSS站点，根据每个虚拟GNSS站点的经验ZTD值和ZTD残差模型的ZTD修正值，确定每个虚拟GNSS站点的ZTD值。
最佳拟合模块用于：根据所有实际GNSS站点的经验ZTD值和ZTD值，得到表示ZTD残差与位置信息的ZTD残差模型。根据ZTD残差模型对每个虚拟站点的经验ZTD值进行修正。
组合估计模块用于：根据每个有效GNSS站点ZTD值，确定点转面待解系数，之后可根据该系数来联合SCHA模型进行点转面的工作。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读存储介质上，计算机可读存储介质可以包括计算机可读存储介质（或非暂时性介质）和通信介质（或暂时性介质）。
如本领域普通技术人员公知的，术语计算机可读存储介质包括在用于存储信息（诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据）的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机可读存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘（DVD）或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
示例性的，计算机可读存储介质可以是前述实施例的电子设备的内部存储单元，例如电子设备的硬盘或内存。计算机可读存储介质也可以是电子设备的外部存储设备，例如电子设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(SecureDigital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。
以上仅为本发明实施例的具体实施方式，但本发明实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明实施例的保护范围之内。因此，本发明实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种面向实时对流层天顶延迟的点面转换方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：在实际GNSS站点之间，设立若干基本均匀分布的虚拟GNSS站点，所述基本均匀分布的定义为：相邻GNSS站点间距为a1~b1，a1为实际GNSS站点之间的距离最小值，b1为实际GNSS站点之间的距离最大值；根据每个GNSS站点相邻格网点在指定高度下的ZD值，确定每个GNSS站点的经验ZTD值，根据所有实际GNSS站点的经验ZTD值和ZTD值，得到表示ZTD残差与位置信息的ZTD残差模型；根据ZTD残差模型对每个虚拟站点的经验ZTD值进行修正后得到每个虚拟GNSS站点的ZTD值；根据每个有效GNSS站点ZTD值，确定点转面待解系数；
所述在实际GNSS站点之间，设立若干基本均匀分布的虚拟GNSS站点的流程包括：选取与1个GNSS实际站点相邻的GTrop建模数据中的格网点，将该GNSS实际站点与选取的格网点的间距确定为站点间距；判断是否存在与实际GNSS站点间距匹配的GTrop建模数据中的格网点，若是，则将该格网点作为虚拟GNSS站点，若不是则根据确定的站点间距，在GNSS站点周围设立虚拟GNSS站点。
2.如权利要求1所述的面向实时对流层天顶延迟的点面转换方法，其特征在于：所述ZD值包括ZHD值和ZWD值；ZHD和ZWD的计算公式均为：
其中Z表示ZHD或ZWD，doy表示年积日,表示年份，h表示需要计算的GNSS站点的高度，/>表示需要计算的格网点的高度；/>表示ZHD或ZWD的已经公开的模型系数。
3.如权利要求2所述的面向实时对流层天顶延迟的点面转换方法，其特征在于：所述每个GNSS站点的经验ZTD值的计算过程包括：将每个格网点的ZHD值和ZWD值相加，得到该格网点的ZTD值，将需要计算的GNSS站点的相邻格网点的ZTD值通过双线性插值得到对应需要计算的GNSS站点的经验ZTD值。
4.如权利要求3所述的面向实时对流层天顶延迟的点面转换方法，其特征在于：所述根据所有实际GNSS站点的经验ZTD值和ZTD值，得到表示ZTD残差与位置信息的ZTD残差模型的过程包括：计算每个实际GNSS站点的经验ZTD值和ZTD值的ZTD差值，将所有实际GNSS站点的ZTD差值组成ZTD残差，将ZTD残差代入最佳拟合算法得到表示ZTD残差与位置信息的ZTD残差模型。
5.如权利要求4所述的面向实时对流层天顶延迟的点面转换方法，其特征在于：所述将ZTD残差代入最佳拟合算法得到表示ZTD残差与位置信息的ZTD残差模型的具体过程为：
构建最佳拟合计算公式：
其中为拟合参数，此处具体代表ZTD残差；/>表示球冠坐标；/>表示地球的径向距离；/>表示SCHA模型的度数，/>表示 SCHA模型的阶数，N为最大度数；/>和为SCHA模型的常数项；/>是SCHA模型的待解系数；
，（B，/>）表示大地坐标的经度和纬度，(/>)代表球冠极点的大地坐标；
其中表示地球的平均半径；/>是连带勒让德函数；
；
其中表示超几何函数；/>表示归一化因子，
将最佳拟合计算公式变换为矩阵形式：，展开为：
表示拟合的样本数量，M和X表示SCHA常数项和系数；
根据ZTD残差和已知的位置信息，计算待解系数x，计算公式为：。
6.如权利要求5所述的面向实时对流层天顶延迟的点面转换方法，其特征在于：所述点转面待解系数X的计算公式为：
其中V为上文所述拟合参数，此处代表ZTD，R表示实际GNSS站点的ZTD值，F代表虚拟GNSS站点的ZTD值，p为虚拟ZTD和GNSS ZTD的权重；;其中RMSE代表实际GNSS站点的虚拟ZTD值的均方根误差；
；/>表示实际GNSS站点的虚拟ZTD值，/>表示实际GNSS站点的ZTD值；每个实际GNSS站点的虚拟ZTD值为该实际GNSS站点经验ZTD值，与该经验ZTD值对应的ZTD改正值之和，ZTD改正值根据所述ZTD残差模型计算得到。
7.如权利要求1至6任一项所述的面向实时对流层天顶延迟的点面转换方法，其特征在于：根据ZTD残差模型对每个虚拟站点的经验ZTD值进行修正后得到每个虚拟GNSS站点的ZTD值的流程包括：通过ZTD残差模型计算与每个虚拟GNSS站点的经验ZTD值对应的ZTD改正值，每个虚拟GNSS站点的ZTD值为该虚拟GNSS站点的经验ZTD值与ZTD改正值之和。
8.如权利要求1至6任一项所述的面向实时对流层天顶延迟的点面转换方法，其特征在于：相邻GNSS站点间距之间的误差为a1-；虚拟GNSS站点与实际GNSS站点的数量差为实际GNSS站点总数量的10%。
9.如权利要求1至6任一项所述的面向实时对流层天顶延迟的点面转换方法，其特征在于：所述有效GNSS站点的确定流程包括：计算每个GNNS站点的值，，其中a和b是模型的系数；将每个GNNS站点的/>值，减去ZTD值得到该GNSS站点的ZTD差值；将所有GNSS站点的ZTD差值形成差值、并按指定顺序组成差值序列，删除差值序列中最大1~3%和最小1~3%的ZTD差值对应的GNSS站点。
10.一种实时对流层天顶延迟的点面转换系统，其特征在于：该系统用于实现权利要求1至9任一项所述的方法。
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