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实时RTKLIB恢复全球导航卫星系统对流层延迟
和后处理模式
米哈尔·卡克马里克
摘要 全球导航卫星系统能够精确估计成功地用于天气预报的大气水汽，即数值天气预报模型。本研究研究了GPS（全球定位系统）精确点定位（PPP）技术处理的实时和后处理的天顶总延迟（ZTD）值的质量。在RTKLIB程序包中处理了为期一个月的全球定位系统观测和八个欧洲站的GPS观测数据。使用不同实时IGS（国际全球导航卫星系统服务）产品（IGS01、IGS03）的两个版本的实时处理解决方案和使用不同策略的两个版本的后处理解决方案进行了评估。将获得的ZTD与最终的IGSZTD产品进行了比较。基于IGS03实时产品的实时解决方案的平均RMSE（均方根误差）为10.3mm，基于IGS01产品的其他解决方案为12.2mm。两种后处理解决方案平均RMSE均达到约5mm。因此，使用IGS03产品从RTKLIB获得的更好的实时ZTD解决方案接近10毫米值，定义为在NWP模型中使用它们所需的目标ZTD精度，现在正在预测气象学中的应用。
关键词 全球导航卫星系统气象学；实时；精确点定位；天顶总延迟；RTKLIB
引言
在对流全球导航卫星系统在越来越多的应用中被用于用户全球位置估计。然而，它们层中感知水蒸气的能力知之甚少。
M.卡克马里克（联系方式）
地球信息学研究所，VSB-奥斯特拉瓦技术大学，17。listopadu15，70833Ostrava-Poruba，捷克共和国
copy;SpringerInternationalPublishingAG2018
I.Ivan等人。（编辑））、地理信息科学中的动力学、地质信息学和制图学讲义，DOI10.1007/978-3-319-61297-3_13
由Bevis等人成功地引入了称为GPS气象学的方法。自1992年以来，在这一领域进行了许多研究。多年来，只有美国的GPS系统用于GPS气象学。在最近的时间里，这一术语从全球定位系统气象学转变为全球导航卫星系统气象学，因为其他全球导航卫星系统系统，如GLONASS、北斗或Galileo系统也已开始使用（Douscaron;a，2010年；Li等人，2014）。然而，在本研究报告中，只处理了来自全球定位系统卫星的信号，因此，除非另有说明，全球导航卫星系统一词仅指全球定位系统。
从全球导航卫星系统卫星到地面接收机的微波信号进入地球大气层的两个部分，电离层和对流层。由于电离层是全球导航卫星系统1-2GHz信号频率的色散介质，它的影响可以通过两个不同频率的两个信号的适当组合来消除。相反，对流层代表了所描述的信号的非色散介质，因此其影响不能直接从观测中消除。然而，它可以通过确定对流层引起的信号延迟来精确计算。对于放置在平均海平面上的接收机来说，对流层引起的典型总信号延迟在天顶方向约为2.3m。该参数称为天顶总延迟(ZTD)，是GNSS气象处理的主要结果。总信号延迟可分为由大气成分引起的静水部分（天顶静水延迟，ZHD）和由水蒸气引起的湿部分（天顶湿延迟，ZWD）。静水部分占总延迟的80-90%，在空间和时间上比湿部分变化小得多。可以使用Saastamoinen模型（Saastamoinen1972）精确计算ZHD，该模型依赖于全球导航卫星系统接收天线位置的大气压值。量化ZTD并分离ZHD后，可以将ZWD转换为集成水蒸气（IWV）。该参数代表全球导航卫星系统接收器上方天顶方向的水蒸气总量（单位：毫米）。
ZTD和IWV值都可以被同化到NWP模型中。然而，在现实中，ZTD值通常被同化，因为它们代表了原始的GNSS气象输出，而不是ZWD到IWV转换的缺点。全球导航卫星系统气象学产品用于NWP同化的实际使用大约是在十年前开始的。在欧洲，这项活动主要在EUMETNETEIG全球导航卫星系统水蒸气方案
- GVAP，2005-2017年，第一至第三阶段，http://egvap.dmi.dk）的框架内进行协调。许多研究表明，全球导航卫星系统气象产品同化对降水天气预报
，特别是短时降水天气预报产生了积极影响（Vedel和Huang，2004年；Guerova等人）。2006年；Shoji等人。2009年；Bennitt和Jupp，2012年；Mahfouf等人。2015）。用于这些目的的全球导航卫星系统数据处理目前仍然以近乎实时的方式进行，结果通常在观测之后90至120分钟之间交付。然而，随着高更新率NWP模型的开发，以及越来越需要使用ZTD领域来预测和监测短期极端天气事件，对具有更短延迟和仍然高质量的ZTD产品的需求正在增长。因此，实时进行GNSS ZTD数据处理是必然的。有关全球导航卫星系统气象学及其最新技术的更详细信息，请参阅Guerova等人（2016）。
开发实时ZTD解决方案的一个重要步骤是在2012年12月正式启动IGS实时服务（RTS，http://www.igs.org/rts）。在该服务中，使用RTCM格式和NTRIP协议实时提供一套产品，对广播星历和卫星时钟错误进行校正，以便进行网络传播。一些研究机构在IGSRTS启动后不久介绍了全球导航卫星系统ZTD实时处理的第一批结果。Dousa和Vaclavovic（2014年）利用自己的G-Nut/Tefnut软件为36个全球导航卫星系统基准站开展了为期9个月的宣传活动。当将它们的实时ZTD与官方后处理的ZTD产品进行比较时，获得了约6-10mm的平均标准差（SDEV），并在某些站点发生了高达20mm的显著偏差。（2014年）袁等人介绍了一个月长时间的结果，包括在BKG NTRIP Client处理的20个全球站。实时ZTD的RMSE低于13毫米。（2015）李等人介绍了从全球导航卫星系统多星座实时处理中检索到的大气参数（ZTD、IWV、水平梯度、STD）的综合验证。。它表明，基于多星座的联合解决方案比仅基于单个全球导航卫星系统的解决方案（例如）具有更高的准确性和鲁棒性。全球定位系统，全球导航卫星系统，北斗，伽利略）。（2016）Lu等人还报告了GPS GLONASS实时ZTD处理对单一GPS或GLONASS处理的积极影响。Ahmed等人（2016年）对基于三种不同软件（GNut/Tefnut、PPP-Wizard和BKG NTRIP Client）的实时ZTD解决方案进行了广泛的比较，使用了一个月的时间、22个全球站和三种不同的RTS产品。在GNut/Tefnut的标准偏差解决方案方面，BKG NTRIP Client表现最好。没有实现精确天线模型的PPP-Wizard达到了更糟糕的结果，特别是在偏置方面。
2015年4月，在COSTES1206行动（GNSS4SWEC，“用于监测恶劣天气事件和气候的先进全球导航卫星系统对流层产品”）内开始了实时演示运动。到目前为止，有7个机构参加了这项活动，并正在为所有或一套32个全球导航卫星系统基准站提供其ZTD解决方案。其中一个是基于NWP模型预测，其余是基于GNSS观测处理..第一次验证结果（Dousa等人）。对于一些在6-10毫米左右达到SDEV值的解决方案，同时面对官方处理后的ZTD产品（IGS和EUREF最终解决方案），2016年）是非常有希望的。然而，大多数解决方案显示出相当大的偏差高达20毫米在一些站。这项运动的在线监测工具可在http://www.pecny.cz/cost/rttropo/。GNSS实时ZTD解决方案RT03上免费获得，该研究提出的解决方案是RT-Demo运动中称为TUOG的解决方案。
本研究的目的是评估RTKLIB软件库在实时和后处理模式下用于全球导航卫星系统气象学的潜力，因为尚未对其进行调查。
RTKLIB中的GNSS数据处理
RTKLIB是一个开放源码程序包，允许标准和精确的定位与全球导航卫星系统的观测。它在支持的定位模式（单一、DGNSS、PPP、RTK）、输入数据格式和协议、全球导航卫星系统数据编辑和可视化工具等方面提供了非常广泛的功能。它包括单个可执行应用程序（AP），当它们中的大多数在GUI（图形用户界面）和CUI（命令行用户界面）版本中都可用时。对于本研究，使用RTKLIB2.4.2版本与应用p11补丁。对于提出的实时ZTD解决方案，应用程序RTKNAVI和后处理解决方案RTKPOST在其CUI版本称为RNX2RTKP。
在RTKLIB中实时定位的描述和可用的对流层建模选项在下面的子章节中提供。有关RTKLIB的更多信息，请参阅Takasu（2009）、Takasu（2010）和http://www.rtklib.com/rtklib.htm.的官方网站。
全球导航卫星系统实时定位
应用程序RTKNAVI（以称为RTKRCV的CUI形式）允许在所有上述定位模式下进行实时定位..然而，对于实时ZTD处理，精度点定位方法是最合适的方法。该技术由Zumberge等人于1997年介绍，并独立处理来自单个接收器的观测（零差分观测）。由于这一点，许多接收机的数据处理可以很容易地分布在单个硬件设备上，而不像典型的基于双差分观测的网络解决方案。购买力平价依赖于卫星星历的精确产品和卫星时钟误差的校正。它的缺点是一个长的收敛时间间隔约30分钟，解决方案需要达到高质量的（定位）结果。此外，如果只提供和应用来自外部源的未校准的相位延迟校正，则可以将歧义解析为其整数值。
在RTKLIB中的PPP支持三个不同的版本-PPP运动学（接收机在测量过程中移动）、PPP静态（接收机位置在测量过程中是静态的）和PPP固定（接收机的坐标固定在已知位置，并且只从观测中估计其他未知参数）。在本研究中使用了第二种选择。原始输入观测数据和精确产品可以来自RTCM格式的实时流或一组（专有）文件格式。可以处理全球定位系统、全球轨道导航卫星系统、伽利略和北斗卫星的观测。如上所述，本研究仅使用GPS，同时计划在不久的将来进行用于实时ZTD解决方案的GPS GLONASS星座测试。整个PPP解决方案的估计过程是基于扩展卡尔曼滤波器（Gelb1974）。RTKLIB可供选择的模型包括接收机和卫星天线相位中心偏移和变化，固体土潮，海洋潮汐负荷（不能在实时模式下应用），相位迎风效应或探测重叠卫星。关于所提出的PPPZTD解决方案的应用设置的信息可在表2中找到。
对流层模型
RTKLIB支持三种不同的对流层建模方式。第一个简单的选项是基于Saastamoinen模型和标准大气参数。第二种选择是依靠对流层校正卫星增强系统（SBAS）信号的MOPS模型。最后一种可能性代表了一个精确的对流层模型，并在本研究中使用了它。该精确模型是基于一种典型的ZTD计算方法，在精确的GNSS数据处理过程中。采用Saastamoinen模型和标准大气参数对ZHD值进行建模，然后在处理过程中将ZWD估计为未知参数。为了将观测结果从它们的原始高程映射到天顶方向，应用了Niell映射函数（Niell1996）。自从RTKLIB版本2.4.2全球映射函数（GMF，见Bohm等人）以来。然而，只有在对应用程序进行重新编译之后，才支持代表更当前方法的2006），而没有为所提出的研究目的而做的工作。
线性水平梯度参数表示空间站周围延迟的一阶空间不对称，可以选择与ZTD值一起估计为RTKLIB中的未知参数。这一步骤通常是为了对经过处理的全球导航卫星系统ZTD解决方案的对流层建模产生积极影响。通常使用MacMillan在1995年提出的模型进行水平梯度计算，但RTKLIB版本2.4.2的官方用户手册没有描述该功能的实现形式。在给出的实时ZTD解的情况下，为了不进一步增加处理系统中未知参数的数量，没有估计水平梯度。然而，计划测试这一步骤，并评估水平梯度对实时ZTD估计及其自身质量的实际影响.
选定的全球导航卫星系统基准站和周期
最初处理了9个欧洲导航卫星系统基准站的数据和2016年11月9日至12月10日的32天长时间数据。由于IGS最终ZTD解决方案在本研究中被用作参考，而站MALL不是IGS站网络的一部分，因此必须将该站排除在评估之外。基于这一原因，本文提出的所有比较都是基于八个站，其基本信息见表1。
表1 关于某些全球导航卫星系统基准站的信息
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站名 |
国家 |
经度[°] |
纬度[°] |
高程[m] |
接收器 |
天线和天线罩 |
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BRST |
法国 |
48.3804 |
minus;4.4966 |
65.8 |
TRIMBLENETR9 |
TRM57971.00 |
NONE |
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