利用BPANN和地基单站GPS数据反演大气折射率剖面.doc

利用BP-ANN和地基单站GPS数据反演大气折射率剖面 . . ., , , ; . , ∞ , : . . ., . ? .. : , , , 剖面信息,因此其有可能成为感知大气折射率剖面 引 言 的有效手段。 由于对流层大气的折射效应,使无线电测控、定 根据青岛地区 ?年 年的历史探空 数据,利用射线描迹法仿真得到了低仰角的斜路径 位、导航、探测等系统出现测量误差,而大气折射率 延迟,利用以上延迟与剖面数据对所建立的五级剖面是修正测量误差的基础数据,传统的探测方式 神经网络进行训练,结果与实际剖面有较好的一致 是利用探空气球取得的气象参数通过转换获得,但 性。最后给出了神经网络在地基大气折射率 是探空气球探测一次剖面需要 分钟左右,不能满 反演中的实际应用方法。 足实时应用的需求。而基于地面气象数据的经验模 式如模式?、分段模式、指数模式 等,所 斜路径延迟分析与计算 预报剖面与实际剖面有较大误差,难以满足精度要 利用青岛地区 ?年的晴空大气特性 求越来越高的应用需求,因此有必要发展大气折射 层探空数据,进行斜路径延迟的分析与计算。在数 率剖面的实时感知能力。由于地基接收机在 据处理时,将含有相对湿度大于 %的特性层数据 定位过程中所获得的斜路径延迟包含一定的折射率 收稿日期:微 波 学 报年 月以及最大高度小于的特性层数据舍弃。通过 剖面气象参数获得折射率剖面后,采用射线描迹 式中和分别为天顶静力延迟和湿延迟,和 分别为静力映射函数和湿映射函数 。 法 获得斜路径延迟:? 。 初步的比较表明,青岛地区 映射函数和映射函数优于 斜路径延迟模型。 其中 和 。分别为视在距离和真实距离: 图 给出了 月份仰角 。时采用 映射函?二数计算的斜路径延迟误差与 的比较,可以看到 映射函数的误差远小于 ,因此由映射函数得到的√一 /斜 』一 ?二 二二 / 一 其中 。、 分别为地面站和中性大气层顶与地心的 距离,/为距地心 处的折射率,实际探空数据到 达不了中性大气层顶,在这里由 模型补齐 中性大气层顶高度也由 模型计算 , 为 地心张角, 为常数: 为视在天顶角 视在仰角的余角 。 图 映射函数计算的斜延迟误差与 比较 仰角越低,穿越大气层的路径越长,折射效应越 网络反演方法 显著,显然,低仰角的斜路径延迟更适合进行折射率 由~ 式可知,反演问题实质是求解积分 剖面反演。采用与直线距离延迟之差来衡量 方程,由于该积分方程比较复杂,目前还不能求出其 剖面包含的信息量: 精确的解析解,只能根据实际问题通过数值计算的:一 . 。一 方法来尽可能准确地逼近真实解。神经网络算法在 其中为天顶延迟。当仰角较大时, 比较小, 解决非线性近似方面有着巨大的优势,并且已经成 可能会淹没在各种测量噪声与误差之中,当仰角较 功地应用于微波辐射计大气参数剖面反演,其中 低时, 增大,才有可能进行反演。例如,对青岛地 后向传播 神经网络是应用最为广泛的一种神经 区 月份探空数据的分析发现,仰角为 。时的网络算法。本文借鉴微波辐射计的神经网络反演方 约为 ,而仰角为 。时的 只有 .左右,相 法 ,将 神经网络应用于大气折射率剖面 差超过 倍。 的反演。 由~式可知,计算时采用的是视在 利用 神经网络拟合斜路径延迟、地面温湿 天顶角,但是接收机一般采用的是全向天线, 压参数与大气折射率剖面之问的非线性关系。网络 因此 无法得到,如果由精密星历 假定可以 以地面的压强、温度、水汽密度以及斜路径延迟为输 得到 获得卫星的准确位置,则真实天顶角是可以 人参数,而网络输出的是待反演大气折射率垂直剖 知道的,因此在已知折射率剖面的情况下,需要由真 面。网络采用五层全连接的 神经网络结构 图 实天顶角获取视在天顶角的方法。已知可以由视在,其输入矢量的长度为 个变量,输出矢量为 天顶角计算真实天顶角: 个反演值。 各层神经元均采用对数正切型 函数: 。、 , :并且越接近实际视在天顶角,计算得到的真实天顶 角越接近实际值,显然满足 . 法 的有哪些信誉好的足球投注网站条件, 由于该函数输出范围在 ? 之间,为了使输出尽可 因此这里采用 . 法有哪些信誉好的足球投注网站得到视在天顶角。 能落在一个较大的范围,对输入参数进行归一化处 实际信号处理过程中一般采用映射函数 理,同样参 练的输出剖面也要进行归一化处理, 的方法由天顶延迟得到斜路径延迟 : 而实际反演时则需要将归一化的结果还原。第 卷第 期 林乐科等:利用 ?和地基单站数据反演大气折射率剖面演。取 、 月数据分别代表冬、夏两季,取 月数 据作为春秋季剖面的代表。 在大气折射率分层方面,由于大气下层折射率 大,包含的折射率信