姚宜斌¹, 張順¹, 孔建²     

1. 武漢大學測繪學院, 湖北 武漢 430079; 
2. 武漢大學南極測繪研究中心, 湖北 武漢 430079

基金項目：國家自然科學基金（41574028）；湖北省杰出青年科學基金（2015CFA036）

之一作者簡介：姚宜斌(1976-), 男, 博士, 教授, 研究方向為測量數(shù)據(jù)處理理論與 *** 、GNSS空間環(huán)境學。E-mail:ybyao@whu.edu.cn

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摘要：對流層和電離層是地球近地空間環(huán)境中兩個重要的組成部分，是靠近地球表面且與人類生活聯(lián)系最密切的大氣圈層。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，為GNSS空間環(huán)境學的研究提供了良好的契機。本文介紹了現(xiàn)有GNSS空間環(huán)境學中在對流層和電離層方面的研究現(xiàn)狀和進展。在GNSS對流層研究方面，主要集中于GNSS對流層關(guān)鍵參數(shù)建模和水汽反演兩部分；在GNSS電離層研究方面，主要包括GNSS二維/三維電離層建模和區(qū)域/全球電離層監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：對流層    大氣可降水    電離層    GNSS空間環(huán)境學    

Research Progress and Prospect of GNSS Space Environment Science

YAO Yibin¹, ZHANG Shun¹, KONG Jian²     

Abstract: Troposphere and ionosphere are two important components of the near-earth space environment. They are close to the surface of the earth and have great influence on human life. The developments of Global Navigation Satellite System (GNSS) over the past several decades provide a great opportunity for the GNSS-based space environment science. This review summarizes the research progress and prospect of the GNSS-based research of the Earth's troposphere and ionosphere. On the tropospheric perspective, modeling of the key tropospheric parameters and inversion of precipitable water vapor (PWV) are dominant researching fields. On the ionospheric perspective, 2D/3D ionospheric models and regional/global ionospheric monitoring are dominant researching fields.

Key words: troposphere     PWV     ionosphere     GNSS space environment science    

對流層是地球近地空間環(huán)境的重要組成部分之一，是與人類生活聯(lián)系最密切的大氣圈層。作為對流層中一種非常重要的溫室氣體，水汽在其變化過程中會吸收和釋放大量潛熱，直接影響地面和空氣溫度，進而影響大氣垂直穩(wěn)定度和對流天氣系統(tǒng)的形成與演變，在全球大氣輻射、能量平衡、水循環(huán)中都扮演了極其重要的角色。水汽是降水、蒸發(fā)和濕度平衡的結(jié)果，它是底層大氣圈相關(guān)天氣過程中的一個重要指標，是天氣、氣候變化發(fā)生和發(fā)展的主要驅(qū)動力，是災(zāi)害性天氣形成和演變的重要因子。大氣中的水汽受季節(jié)、地形及其他全球氣候條件等因素的影響，具有空間分布不均勻、隨時空變化較快等特性。因此，研究掌握全球水汽變化的時空特性有助于了解全球水汽循環(huán)路徑，可為監(jiān)測和預報暴雨、寒流、臺風等多種惡劣天氣和重大旱澇災(zāi)害災(zāi)前信息獲取與災(zāi)害預警提供數(shù)據(jù)支持，對于研究全球氣候變化和改善氣象預報水平具有重要的科學和現(xiàn)實意義。

作為地球近地空間環(huán)境的另外一個重要組成部分，電離層的變化，特別是空間暴的發(fā)生，對航天安全、無線電通信、定位與導航等有破壞性影響，近年的研究發(fā)現(xiàn)，一些自然災(zāi)害(如地震、臺風、海嘯、火山噴發(fā)等)的孕育和發(fā)生過程及一些人為活動(如火箭發(fā)射等)都有可能引起電離層異常，很可能成為預報重大自然災(zāi)害和監(jiān)測人類活動的一種潛在手段。利用現(xiàn)代科技手段進行日地空間特別是地球空間的探測，掌握電離層的基本結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律，不僅有利于提高測速、定位、授時、通信和導航等系統(tǒng)的精度，而且對于研究高空大氣各層之間的相互關(guān)系和作用，特別是對全球性的電離層擾動及不規(guī)則變化的發(fā)生機理的研究等具有重要的科學意義。這項工作已引起不少國家的學者甚至是 *** 部門的重視，在電離層監(jiān)測及其應(yīng)用研究方面已取得不少成果。

傳統(tǒng)水汽和電離層探測手段時空分辨率低，受天氣影響，GNSS的出現(xiàn)提供了新的技術(shù)手段。利用GNSS信號經(jīng)過電離層、對流層時受到的延遲影響，可以高時空分辨率地反演出電離層電子密度和對流層水汽信息，監(jiān)測這兩方面的空間環(huán)境的變化，由此衍生出GNSS空間環(huán)境學這一新的學科方向。

下面分別對GNSS空間環(huán)境學中的關(guān)鍵技術(shù)進行介紹，主要包括對流層關(guān)鍵參量建模、GNSS對流層水汽反演、GNSS電離層監(jiān)測和建模方面的研究。

1 對流層關(guān)鍵參量建模

對流層在全球大氣輻射、能量平衡、水循環(huán)中都扮演了極其重要的角色，氣溫、氣壓、水汽壓、天頂濕延遲(zenith wet delay，ZWD)、天頂靜力學延遲(zenith hydrostatic delay，ZHD)與水汽等都是對流層中重要的參量，也是研究全球氣候變化、極端天氣產(chǎn)生機理等的參考指標。當前主要有3類關(guān)鍵參量建模 *** ：對流層關(guān)鍵參量經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀⒒趯崪y氣象參數(shù)的對流層延遲模型和基于GNSS觀測數(shù)據(jù)的對流層延遲模型。這3類模型建模成本(時間、人力、物力)依次增加，但相對應(yīng)的對流層模型精度也逐漸提高。

1.1 基于經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷膶α鲗雨P(guān)鍵參量建模進展

對流層關(guān)鍵參量經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭荚诮鉀Q無任何輔助信息下通過模型直接獲取高精度的對流延遲，文獻[1—2]最初為美國廣域增強導航系統(tǒng)的應(yīng)用建立了UNB系列模型，用來估計所需的氣象參數(shù)，UNB3模型在北美地區(qū)估計的對流層天頂延遲的平均誤差約為2 cm。EGNOS模型^[3]對UNB3模型進行了簡化，但是氣象參數(shù)的估計公式不同，已被用于歐洲和日本等地區(qū)的衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)^[4-5]。文獻[6]利用美國國家環(huán)境預報中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)的數(shù)字天氣模型(numerical weather model，NWM)產(chǎn)品建立了水平分辨率為1°×1°的TropGrid模型，其與EGNOS相比全球平均精度提高了25%。文獻[7]利用由歐洲中期天氣預報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)提供的NWM產(chǎn)品ERA-40建立了全球氣壓和溫度經(jīng)驗?zāi)Ｐ?global pressure and temperature，GPT)，GPT模型在實際中得到了廣泛的應(yīng)用^[8-14]。文獻[15—16]利用NCEP資料建立了全球?qū)α鲗友舆t經(jīng)驗?zāi)Ｐ虸GGtrop系列模型。文獻[17]針對GPT模型的部分不足之處進行了改進和優(yōu)化，構(gòu)建了新的經(jīng)驗?zāi)Ｐ虶PT2。文獻[18]對TropGrid模型進行優(yōu)化升級，建立了新的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚑ropGrid2，模型能提供氣溫、氣壓、大氣加權(quán)平均溫度及天頂對流層濕延遲等對流層關(guān)鍵參數(shù)估值。文獻[19]建立的GPT2w模型，相比GPT2模型增加了水汽遞減率和大氣加權(quán)平均溫度這2項估計參數(shù)。GPT2系列模型一經(jīng)發(fā)布，便有不少學者都對其精度及應(yīng)用效果進行了評估，結(jié)果表明其具有很高的精度^[20-22]。文獻[20]考慮到GPT2和TropGrid2模型所提供參數(shù)種類的優(yōu)缺點，提出了對流層誤差改正模型ITG(improved tropospheric grid model)，該模型的建模對象包括地表氣溫、氣壓、ZWD及氣溫直減率。

1.2 基于實測氣象參數(shù)的對流層關(guān)鍵參量建模進

基于實測氣象參數(shù)的對流層延遲模型利用氣象參數(shù)來計算ZTD，通常將ZHD與ZWD分開進行計算。文獻[23]提出了基于氣象參數(shù)的對流層延遲模型，通過利用測站高度及氣溫、氣壓、水汽壓來計算ZTD，Hopfield模型的ZHD和ZWD可以分開計算。文獻[24]也提出了基于氣象參數(shù)的對流層延遲模型，通過利用測站緯度、高度，以及氣溫、氣壓、水汽壓即可計算出ZTD，Saastamoinen模型中ZHD與ZWD也可分開進行計算。文獻[25]則提出了利用氣象參數(shù)計算ZWD的模型，模型輸入的參數(shù)包括測站處的氣溫、氣壓及水汽壓。文獻[26]也提出了一種計算ZWD的模型，模型所需的氣象參數(shù)包括大氣加權(quán)平均溫度、水汽壓及水汽壓遞減率。但是不少學者的研究結(jié)果^[27]都表明：Hopfield、Saastamoinen等模型通過氣象參數(shù)計算的ZTD與經(jīng)驗?zāi)Ｐ拖啾染壬蠜]有優(yōu)勢，甚至還更差。這在一定程度上不僅使得對基于氣象參數(shù)的對流層延遲模型研究熱度降低，也使得該類模型的應(yīng)用偏少。

1.3 基于GNSS觀測數(shù)據(jù)的對流層關(guān)鍵參量建模進展

基于GNSS的對流層延遲模型即利用GNSS觀測數(shù)據(jù)進行ZTD解算，然后再建模。目前在利用GNSS觀測數(shù)據(jù)估計ZTD時，都需要通過對流層映射函數(shù)將斜路徑的延遲轉(zhuǎn)換為天頂方向的延遲。對流層映射函數(shù)從發(fā)展至今已經(jīng)日趨成熟穩(wěn)定，映射函數(shù)通常采用連分式^[28]。文獻[29]通過擬合10個北美探空氣球站的觀測數(shù)據(jù)，首次建立了基于實測大氣的映射函數(shù)，并且把連分式系數(shù)從與氣象參數(shù)相關(guān)改成與溫度和地理位置相關(guān)。文獻[30]利用26個北半球無線電探空測站一年的數(shù)據(jù)建立了NMF映射函數(shù)，在NMF中連分式系數(shù)只與測站緯度、高度和年積日相關(guān)。由于NMF誤差大小依賴于緯度的變化及對經(jīng)度不敏感，許多學者開始利用NWM建立投影函數(shù)，如IMF^[31]、VMF1^[32]。其中VMF1被認為是目前更高精度的全球范圍對流層映射函數(shù)模型，已經(jīng)被GAMIT、Bernese等高精度GNSS數(shù)據(jù)處理軟件所采用^[33]。考慮到非在線用戶無法獲取VMF1產(chǎn)品的情況，文獻[34]建立了經(jīng)驗映射函數(shù)模型GMF，僅需測站坐標及年積日即可提供全球范圍的映射函數(shù)系數(shù)，該模型使用簡單方便且與VMF1具有很好的一致性。

限于雙差精密定位技術(shù)在實時估計天頂對流層延遲時需要引入500 km以外GNSS參考站的問題^[35]，精密單點定位技術(shù)(precise point positioning, PPP)較雙差技術(shù)相比具有更大的優(yōu)勢。文獻[36]研究了利用JPL實時軌道、時鐘產(chǎn)品和PPP技術(shù)估計天頂對流層濕延遲，結(jié)果表明其精度可達13 mm。文獻[37]研究了利用PPP技術(shù)估計對流層延遲的精度，其結(jié)果表明利用PPP技術(shù)估計對流層延遲可以獲得很高的精度。文獻[38]利用了CNES的實時改正數(shù)和近實時PPP估計了對流層延遲，與事后處理的結(jié)果相比大概存在6.5 mm的偏差，RMS為13 mm。

在區(qū)域?qū)α鲗咏７矫妫壳耙呀?jīng)存在著諸多線性內(nèi)插模型，如反距離內(nèi)插模型、線性內(nèi)插模型、最小二乘配置模型、線性組合模型等，但是文獻[39]認為這些模型基本類似并沒有明顯的區(qū)別。文獻[40]提出了含高程因子的對流層內(nèi)插模型。文獻[41]按照經(jīng)驗研究分析了幾種不同形式的對流層內(nèi)插模型。

2 GNSS對流層水汽反演

GNSS對流層水汽反演技術(shù)具有連續(xù)運行、全天候、高精度、高時空分辨率等優(yōu)點，且測站布設(shè)成本低，投入使用快，可實現(xiàn)大范圍高密度的實時水汽監(jiān)測，該技術(shù)的出現(xiàn)是傳統(tǒng)水汽探測技術(shù)的強有力補充，它不僅可以得到對流層中大氣可降水量(precipitable water vapor, PWV)的二維空間分布，也可以通過層析成像技術(shù)(tomography technique)重構(gòu)大氣水汽在垂直方向上的三維廓線信息，已逐漸成為獲取對流層中大氣水汽更具有潛力的手段之一。根據(jù)GNSS水汽反演產(chǎn)品不同，可分為二維水汽產(chǎn)品和三維水汽時空分布信息。下面分別對二維水汽和三維水汽反演進展進行介紹。

2.1 二維對流層水汽(PWV)反演研究進展

在二維PWV反演方面，文獻[42]首次利用GPS觀測數(shù)據(jù)估計得到測站天頂方向的PWV，這促進了一門全新的學科，即GNSS氣象學(GNSS Meteorology)的發(fā)展。國內(nèi)外眾多學者對獲取PWV的可行性和精度進行了大量研究。通過與探空數(shù)據(jù)(radiosonde)、水汽輻射計(water vapor radiometer, WVR)和甚長基線干涉(very long baseline interferometry, VLBI)對比發(fā)現(xiàn)，基于地基GNSS反演的PWV精度在1~1.5 mm^[35, 43-50]。

在斜路徑水汽含量(slant water vapor, SWV)精度評定方面，眾多學者對SWV的計算 *** 進行改進，提出了顧及雙差殘差、星間單差等反演水汽的 *** ^[48-49]，并將結(jié)果與微波輻射計對比發(fā)現(xiàn)，GPS反演SWV的精度在4 mm^[51]。近年來，隨著我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，相關(guān)學者也對北斗衛(wèi)星系統(tǒng)獲取PWV的精度進行檢驗。文獻[52]基于上海市氣象局的北斗氣象站數(shù)據(jù)反演PWV，并與GPS和探空數(shù)據(jù)計算結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)其均方根誤差分別小于3.5和3.6 mm。文獻[53]對北斗衛(wèi)星探測PWV的性能進行分析，并與探空數(shù)據(jù)計算結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)北斗反演PWV與探空數(shù)據(jù)計算結(jié)果有很好的一致性，但與GPS反演的PWV有2~3.3 mm的系統(tǒng)誤差。

2.2 三維水汽反演研究進展

在對流層層析領(lǐng)域，文獻[54]首次提出了利用區(qū)域觀測網(wǎng)重構(gòu)對流層水汽結(jié)構(gòu)的概念。文獻[55]首先實現(xiàn)了利用層析技術(shù)得到區(qū)域GPS網(wǎng)的四維濕折射率圖像，證明了利用層析技術(shù)監(jiān)測對流層時空變化的可行性。隨后，眾多學者對三維水汽層析 *** 進行大量驗證和改進^[56-59]，提出了有限先驗信息非約束、改進卡爾曼濾波、蒙特卡羅等水汽反演 *** 。

在多系統(tǒng)數(shù)據(jù)和多源數(shù)據(jù)聯(lián)合反演水汽方面，試驗證明了利用多系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)可以在一定程度上提高水汽反演結(jié)果的精度和可靠性^[60-61]。此外，也有相關(guān)研究聯(lián)合地基和空基GNSS觀測數(shù)據(jù)聯(lián)合反演水汽的 *** ^[62]。近年來，一些學者也相繼提出了利用合成孔徑雷達(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)和GNSS觀測值聯(lián)合反演三維水汽信息的思路^[63-65]。重構(gòu)的三維水汽信息可用于氣象方面的研究，例如對冷鋒路徑的探測^[66]、改善不同尺度數(shù)值預報結(jié)果^[67-71]及災(zāi)害性天氣的研究^[47]。

在層析模型求解和算法改進方面，文獻[66]提出了阻尼最小二乘 *** 對觀測方程進行求解。文獻[72—73]采用擴展的序貫逐次濾波 *** ，克服了解算結(jié)果敏感性的問題。文獻[74]給出了一種新的節(jié)點參數(shù)化水汽反演 *** 。文獻[75—76]提出了基于卡爾曼濾波的三維水汽層析算法。文獻[77]提出了基于代數(shù)重構(gòu)算法層析三維水汽的 *** 。文獻[78]為了克服水平約束方程權(quán)值選取不合理對層析結(jié)果造成的影響，提出了選權(quán)擬合法進行層析解算的 *** 。文獻[79—82]在層析方程解算方面分別提出了自適應(yīng)卡爾曼濾波 *** 、聯(lián)合迭代重構(gòu)算法、三維分布數(shù)值積分 *** 和抗差-方差分量估計的水汽反演算法。文獻[83]對代數(shù)重構(gòu)算法在水汽反演中的應(yīng)用進行討論，并通過實驗證明該算法能夠滿足三維水汽反演的要求。

在對層析網(wǎng)格劃分，約束信息選取方面，文獻[84]對三維水汽層析中網(wǎng)格大小、水平和垂直分辨率選取、觀測噪聲及不同衛(wèi)星系統(tǒng)對層析結(jié)果的影響進行了詳細分析。文獻[85]對國內(nèi)外層析水汽網(wǎng)格劃分 *** 進行描述。文獻[86]對不同層析垂直分辨率及層析區(qū)域選擇 *** 進行研究，提出了一種優(yōu)化的區(qū)域網(wǎng)格劃分 *** 。文獻[87—89]針對側(cè)面穿出射線利用問題提出了引入水汽單位指數(shù)和比例因子等一系列反演技術(shù)。

3 電離層監(jiān)測和建模方面3.1 二維電離層建模研究進展

隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)技術(shù)的快速發(fā)展，地基GNSS的全球電離層TEC(total electron content)監(jiān)測與建模已成為當前的研究熱點之一^[90-96]。目前，IGS(International GNSS Service)電離層工作組下設(shè)7個電離層分析中心，分別是歐洲定軌中心(CODE)、美國噴氣推進實驗室(JPL)、歐空局(ESA)、西班牙加泰羅尼亞理工大學(UPC)，馬薩諸塞大學(UML)、中國科學院(CAS)和武漢大學(WUH)。不同機構(gòu)在二維模型的處理 *** 上有所差異，JPL在電離層單層模型(single layer model, SLM)假設(shè)的基礎(chǔ)上，以三角格網(wǎng)內(nèi)插和雙三次樣條函數(shù)內(nèi)插的 *** 建立電離層模型^[97]。UPC則是在基于雙層電離層假設(shè)，以逐基準站準層析的方式建立電離層模型，對于無觀測值區(qū)域采用克里金插值的 *** 進行合理外推^[98]。CODE、ESA和WHU均采用15階次的球諧函數(shù)(spherical harmonic, SH)在全球范圍內(nèi)建模^[99-100]，得到時空分辨率為2 h×2.5°(緯度)×5°(經(jīng)度)的全球電離層VTEC格網(wǎng)。CAS電離層產(chǎn)品首先采用廣義三角級數(shù)函數(shù)逐基準站地建立局部電離層模型，然后采用球諧函數(shù)建立全球電離層TEC模型用于保證無觀測區(qū)域內(nèi)電離層TEC的合理外推^[94-95]。

現(xiàn)階段，地基GNSS仍是電離層探測最重要的技術(shù)手段之一，但GNSS基準站大多分布在陸地，南半球海洋和高緯區(qū)域幾乎沒有基準站分布，使得模型在這些區(qū)域精度有限。空基電離層探測技術(shù)具有精度高、全球均勻覆蓋等優(yōu)點，因此聯(lián)合地基與空基等多源數(shù)據(jù)進行電離層建模的研究具有重要意義。文獻[101]結(jié)合GNSS數(shù)據(jù)和衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)進行全球電離層建模，結(jié)果表明衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)可以有效提高模型的精度。文獻[93]首次聯(lián)合地基GNSS、LEO掩星及衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)進行建模，結(jié)果表明模型的RMS降低了0.1TECU。2011年，文獻[102]利用地基GNSS、LEO掩星觀測值、海洋測高衛(wèi)星數(shù)據(jù)和甚長基線干涉VLBI電離層觀測值建立區(qū)域電離層模型。文獻[96, 103]利用地基GNSS觀測值、海洋測高衛(wèi)星、CO *** IC及DORIS觀測值建立全球電離層模型，并利用赫爾默特方差分量估計對不同觀測值精確定權(quán), 模型在海洋地區(qū)的精度和可靠性進一步提高。

3.2 三維電離層層析研究進展

電離層二維模型具有估計模型簡單、精度高等優(yōu)點，但是通常假定所有電子集中在一個薄層上，不能反映電離層的空間結(jié)構(gòu)變化。為此，文獻[104]在國際上首先提出了電離層層析成像(computerized ionosphere tomography, CIT)的概念，其實現(xiàn)手段主要借助于快速飛行的極軌衛(wèi)星在短時間內(nèi)對待探區(qū)域的一次斷層掃描反演信號傳播路徑的TEC經(jīng)度-高度方向分布信息。此后，國內(nèi)外許多電離層研究者先后在理論和 *** 上對三維電離層層析技術(shù)進行了深入研究，建立了多種電離層層析模型。目前，這些模型大致可分為兩類：一類是函數(shù)基電離層層析模型^[105-109]；另一類是像素基電離層層析模型^[110-123]。

在函數(shù)基方面，文獻[124]早在1992年就提出用經(jīng)驗正交函數(shù)展開表示電離層垂直模式，用球諧函數(shù)表示電離層水平模式。文獻[125]最早明確給出函數(shù)基電離層模型的公式，并利用WAAS (wide area augmentation system)系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)和隨機反演 *** ，反演了80~580 km高度范圍內(nèi)電子密度的空間分布。文獻[126]將函數(shù)基層析模型的反演高度范圍擴展到整個電離層高度，并利用GPS觀測數(shù)據(jù)和Kalman濾波重構(gòu)了電離層結(jié)構(gòu)的時空分布。文獻[108]基于GPS觀測數(shù)據(jù)，利用B樣條基函數(shù)和正交函數(shù)建立了函數(shù)基層析模型，并重構(gòu)了電離層電子密度的時空分布。文獻[127—128]研究了一種基于B樣條基函數(shù)的三維電離層建模 *** 。文獻[129]提出了一種基于Chapman函數(shù)的射線追蹤層析算法。文獻[130]提出了一種附加投影函數(shù)的函數(shù)基電離層層析算法。

在像素基方面，常用的反演算法有ART(algorithm reconstruction technique)、MART(multiplicative algorithm reconstruction technique)和SIRT(simul-taneous iteration reconstruction technique)^[131-132]。為了克服觀測信息不足給層析結(jié)果帶來的不利影響，國內(nèi)外很多電離層研究者提出了改進的 *** 。文獻[133]聯(lián)合28個站的GPS/MET掩星數(shù)據(jù)和IGS提供的全球160個站的觀測數(shù)據(jù)，利用Kalman濾波 *** 實現(xiàn)了真正意義上的三維層析。文獻[134]提出了一種參數(shù)化電離層模型輔助的Kalman濾波法。文獻[135—136]提出三維變分數(shù)據(jù)同化算法，并在2004年利用該 *** ，開發(fā)了一套電離層電子密度分析程序，該程序可以同化GNSS衛(wèi)星和測高儀等多手段觀測數(shù)據(jù)。文獻[137]提出了廣義奇異值分解算法。文獻[138]提出了Sobolev正則化約束的SIRT算法。文獻[139]提出了融合GPS觀測數(shù)據(jù)和測高儀數(shù)據(jù)的層析 *** 。文獻[121]提出了一種兩步法電離層層析算法。文獻[123]發(fā)展了一種自適應(yīng)的聯(lián)合迭代重構(gòu)算法，通過自適應(yīng)地調(diào)整松弛因子和加權(quán)參數(shù)，能夠有效地反演電離層電子密度。文獻[140]提出過一種附加雙網(wǎng)格約束和速度圖像的電離層層析算法。文獻[141]提出了顧及電離層變化的層析反演新算法，提高了電子密度反演精度。

3.3 電離層監(jiān)測和應(yīng)用進展

GNSS二維/多維建模具有常規(guī)電離層探測手段(如電離層測高儀)無法比擬的優(yōu)勢。其探測時間和空間分辨率高，精度可靠，所以在電離層監(jiān)測和預報領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。電離層的不規(guī)則擾動對航天安全、無線電通信、導航定位等有重要的影響，因此監(jiān)測異常空間天氣下的電離層擾動具有重要意義。早在1996年，文獻[142]就利用60臺GPS觀測站求取的GIM圖像，對磁暴期間電離層異常現(xiàn)象進行了研究，文獻[143]利用層析技術(shù)監(jiān)測了磁暴期間不同高度方向電離層響應(yīng)機制，GNSS電離層反演手段的出現(xiàn)和發(fā)展促進了磁層-熱層-電離層耦合機制的研究^[144-147]。地震電離層異常，包括震前電離層異常(pre-earthquake ionospheric abnormal，PEIA)和同震電離層異常(cosei *** ic ionospheric disturbances，CID)是近十幾年來研究的一個熱點之一。地震的電離層前兆之一次引起人們的注意是1965年，文獻[148—149]首次對1964年Alaskan M9.0地震震區(qū)上空電離層擾動進行了研究。早期地震電離層異常的研究主要集中在統(tǒng)計性研究^[150-154]，隨著電離層信息更加多元化和研究的不斷深入，地震電離層異常的研究向更加精細的方向發(fā)展。文獻[155]在研究Chi-Chi地震時利用格網(wǎng)搜索的 *** 不僅估計出CID傳播速度而且確定了CID觸發(fā)點的地面位置。文獻[156]引入了電離層地震學的概念，并從理論上總結(jié)了目前地震電離層異常擾動物理機理的研究成果，同時指出該學科將是未來幾十年具有挑戰(zhàn)性的熱門研究課題。隨著GNSS連續(xù)運行站在全球范圍內(nèi)數(shù)量的不斷增加及電離層層析算法的不斷完善和發(fā)展，GNSS電離層監(jiān)測必將在空間物理研究等領(lǐng)域發(fā)揮更加積極的作用。

4 GNSS空間環(huán)境學未來研究和展望4.1 對流層建模展望

在對流層建模方面，基于氣象參數(shù)的對流層延遲模型與利用GNSS觀測數(shù)據(jù)建立的對流層延遲模型相比，精度仍然存在著一定的差距，主要是在ZWD的計算方面精度不足。倘若能夠繼續(xù)提高利用實測氣象參數(shù)計算ZWD的精度，使其接近于GNSS能夠獲取的精度，對于大范圍、密集、高精度監(jiān)測對流層或水汽具有重大的意義，能夠節(jié)省大量的成本。另外，目前還未開展對不同對流層觀測值的實時融合研究，利用廉價的氣象觀測設(shè)備來加密GNSS網(wǎng)從而對對流層實現(xiàn)更密集的監(jiān)測，所以研究更優(yōu)的融合算法，將不同精度、不同數(shù)據(jù)源的對流層觀測值進行融合得到精度更優(yōu)、水平分辨率更高的對流層模型產(chǎn)品具有重要的意義。

4.2 對流層水汽反演及應(yīng)用展望

基于GNSS對流層水汽反演已經(jīng)較為成熟，但對于其在氣象等方面的應(yīng)用仍待研究。對于二維水汽信息進行降雨預報來講，一方面可以對某區(qū)域多個測站的觀測數(shù)據(jù)進行聯(lián)合處理，以期得到更為準確、全面的預報結(jié)果；另一方面，大氣水汽與溫度息息相關(guān)，可以通過分析降雨前后水汽與溫度的相關(guān)關(guān)系，建立一個更為合理和精確的多因子短臨降雨預報模型。在全球范圍內(nèi)通過融合多源觀測數(shù)據(jù)(地基和空基GNSS觀測數(shù)據(jù)、無線電探空儀數(shù)據(jù)、CO *** IC數(shù)據(jù)和ECMWF再分析資料等)對大尺度中長期的二維水汽信息進行分析和研究，探究全球水汽變化演變機理，識別重大氣候災(zāi)害致災(zāi)因子，對中長尺度氣候災(zāi)害事件進行監(jiān)測和預報。在三維水汽產(chǎn)品方面，可將GNSS三維對流層產(chǎn)品與WRF模式數(shù)值同化，對WRF模式中數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)模塊進行改進，彌補地表常規(guī)資料和高空探測資料的不足，進一步提高WRF模式的預報能力。

此外，大量研究均已表明基于GNSS反演水汽的能力及優(yōu)越性，如何進一步拓展GNSS水汽產(chǎn)品在氣象學上的應(yīng)用也是重點研究方向之一。

4.3 電離層監(jiān)測和建模展望

在精化全球電離層模型方面，多系統(tǒng)多源數(shù)據(jù)融合將成為下一步研究的重點。在建立電離層模型時，筆者認為應(yīng)進一步考慮伽利略系統(tǒng)、北斗系統(tǒng)等多系統(tǒng)數(shù)據(jù)對建模的貢獻，同時要考慮不同系統(tǒng)及不同頻率間的組合定權(quán)問題。另外，電離層高階項與磁場分布強度密切相關(guān)，而全球磁場的分布不一致，因此電離層高階項對模型精度的影響也有待進一步的研究。電離層層析算法方面，基于1 Hz及50 Hz的高頻、多系統(tǒng)GNSS數(shù)據(jù)進行高時間分辨率的電離層層析反演，進一步結(jié)合非相干散射雷達、測高儀及InSAR技術(shù)進行三維層析的優(yōu)化，優(yōu)化層析算法提高電離層層析模型的可靠性和精度，特別是提高層析模型空間分辨率和時間分辨率。在電離層應(yīng)用研究方面，在現(xiàn)象提取、統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，應(yīng)深入研究電離層異常觸發(fā)、傳播的物理機制。如地震電離層異常研究，可以結(jié)合破裂面分析、巖石圈-大氣層-電離層的耦合機制進行綜合研究，地震通過瑞利波、聲重波、海嘯波等對電離層產(chǎn)生作用，今后的研究中將結(jié)合此類觀測數(shù)據(jù)對電離層異常進行相關(guān)分析，驗證相關(guān)理論的準確性。
 

【引文格式】姚宜斌，張順，孔建。GNSS空間環(huán)境學研究進展和展望[J]. 測繪學報，2017，46(10)：1408-1420. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20170333