利用BP-ANN和地基單站GPS數(shù)據(jù)反演大氣折射率剖面.docxVIP

1、Vol.24No.6Dec.2008第24卷第6期2008年12月文章編號(hào)：1005-6122（2008）06-0039-04利用BP-ANN和地基單站GPS數(shù)據(jù)反演大氣折射率剖面林樂(lè)科微趙振維2張業(yè)榮I王紅光之王波2（1.南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，南京210003；2.中國(guó)電波傳播研究所，青島266107）摘要：分析表明地基單站GPS接收機(jī)低仰角信號(hào)的斜路徑延遲是適合進(jìn)行大氣折射率剖面反演的基礎(chǔ)為此建立了五層BP-ANN（后向傳播人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）用于大氣折射率剖面的反演。利用青島地區(qū)10年的歷史探空數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和仿真反演，仿賓反演結(jié)果與探空剖面有很好的-致性。關(guān)鍵詞：斜路徑延遲，大氣

2、折射率剖面，后向傳播網(wǎng)絡(luò),全球定位系統(tǒng)RetrievingAtmosphericRefractivityProfilesBasedonSingularGround-BasedGPSReceiverandBP-ANNNetworkLINLe-ke'2,ZHAOZhen-weF,ZHANGYe-rong',WANGHong-guang2,WANGBo2(1.CollegeofCommunicationandInformalionEngineering,NanjingUniversityofPostsandTelecommunicalions,Nanjing210003,China；

3、2.ChinaResearchInstituteofRadioWavePropagation,Qingdao266107,China)Abstract:Theslant-pathdelaydataofsingularground-basedGPSreceiveratthelowsatelliteelevationanglesincludemostofinformationofatmosphericrefractivityprofiles.Afive-layerBPneuralnetworksarefoundedforretrievingatmosphericrefractivityprofil

4、ing.ThenetworksaretrainedusingradiosondedatainQingdaofortenyears.90percentofthesedataarefortraining,whiletheotherdataarefortesting.Tlieslant-pathdelayisobtainedbyray-tracingtechniqueinsimulation.Thesimulatedretrievingresultshavegoodagreementwithradiosondedata.Keywords:Slant-pathdelay,Atmosphericrefr

5、activityprofile,BPneuralnetwork,GPS»收稿日期：2008-02-19引言由于對(duì)流層大氣的折射效應(yīng)，使無(wú)線電測(cè)控、定位、導(dǎo)航、探測(cè)等系統(tǒng)出現(xiàn)測(cè)量誤差，而大氣折射率剖面是修正測(cè)鼠誤差的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的探測(cè)方式是利用探空氣球取得的氣象參數(shù)通過(guò)轉(zhuǎn)換獲得，但是探空氣球探測(cè)一次剖面需要30分鐘左右,不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)應(yīng)用的需求。而基于地面氣象數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ饺鏗opfield模式、分段模式、指數(shù)模式等，所預(yù)報(bào)剖面與實(shí)際剖面有較大誤差，難以滿(mǎn)足精度要求越來(lái)越高的應(yīng)用需求，因此有必要發(fā)展大氣折射率剖而的實(shí)時(shí)感知能力。由于地基GPS接收機(jī)在定位過(guò)程中所獲得的斜路徑延遲包含一定

6、的折射率剖面信息，因此其有可能成為感知大氣折射率剖面的有效于段。根據(jù)青島地區(qū)19861995年10年的歷史探空數(shù)據(jù)，利用射線描跡法仿真得到了低仰角的斜路徑延遲,利用以上延遲與剖面數(shù)據(jù)對(duì)所建立的五級(jí)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，結(jié)果與實(shí)際剖面有較好的一致性。最后給出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在地基GPS大氣折射率反演中的實(shí)際應(yīng)用方法。1斜路徑延遲分析與計(jì)算利用青島地區(qū)19861995年的晴空大氣特性層探空數(shù)據(jù)，進(jìn)行斜路徑延遲的分析與計(jì)算。在數(shù)據(jù)處理時(shí),將含有相對(duì)濕度大于85%的特性層數(shù)據(jù)以及最大高度小于12km的特性層數(shù)據(jù)舍棄。通過(guò)剖面氣象參數(shù)獲得折射率剖面后，采用射線描跡法獲得斜路徑延遲：STD=S-50(1)其中S

7、和5。分別為視在距離和直實(shí)距離：S=j*)曲(2)梅e一&50=y/r+rj-2rir2cofi0(3)8=A。j",T(4)ry/n2(r)r2-4$其中r,、/"2分別為地面站和中性大氣層頂與地心的距離/()為距地心處的折射率，實(shí)際探空數(shù)據(jù)到達(dá)不了中性大氣層頂，在這里由Hopfield模型補(bǔ)齊(中性大氣層頂高度也由Hopfield模型計(jì)算)，0為地心張角，&為常數(shù)：Ao=rn(r)sinof(5)a為視在天頂角(視在仰角的余角)o仰角越低，穿越大氣層的路徑越長(zhǎng)，折射效應(yīng)越顯著，顯然，低仰角的斜路徑延遲更適合進(jìn)行折射率剖面反演。采用STD與宜線距離延遲之差

8、來(lái)衡量剖面包含的信息量：S=STD-/沖$(6)(，2-n)其中ZTD為天頂延遲。當(dāng)仰角較大時(shí),AS比較小,可能會(huì)淹沒(méi)在各種測(cè)量噪聲與誤差之中，當(dāng)仰角較低時(shí),AS增大，才仃可能進(jìn)行反演。例如，對(duì)青島地區(qū)8月份探空數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn),仰角為5。時(shí)的AS約為4m，而仰角為20。時(shí)的A5只有0.12m左右，相差超過(guò)30倍。由(D(5)式可知，計(jì)算STD時(shí)采用的是視在天頂角但是GPS接收機(jī)一般采用的是全向天線,因此a無(wú)法得到，如果由GPS精密星歷(假定可以得到)獲得衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置，則真實(shí)天頂角是可以知道的，因此在已知折射率剖面的情況下，需要由真實(shí)天頂角獲取視在天頂角的方法。已知可以由視在天頂角計(jì)算真實(shí)天頂

9、角：r2sin0=arcsin=arcsin(7)并旦越接近實(shí)際視在天頂角，計(jì)算得到的真實(shí)天頂角越接近實(shí)際值，顯然滿(mǎn)足0.618法的搜索條件,因此這里采用0.618法搜索得到視在天頂角。實(shí)際GPS信號(hào)處理過(guò)程中一般采用映射函數(shù)的方法由天頂延遲得到斜路徑延退:STD=ZHD-mh+ZWD-mw(8)式中ZHD和分別為天頂靜力延遲和濕延遲,mh和啞分別為靜力映射函數(shù)和濕映射函數(shù)。初步的比較表明，青島地區(qū)Herring映射函數(shù)和Niell映射函數(shù)優(yōu)fSaastamoinen斜路徑延退模型。圖1給出了1。月份仰角20。時(shí)采用Herring映射函數(shù)計(jì)算的斜路徑延遲誤差與AS的比較，可以看到映射函數(shù)的誤差

10、遠(yuǎn)小于AS,因此由映射函數(shù)得到的斜路徑延退仍包含一定的折射率剖面信息。2BP網(wǎng)絡(luò)反演方法由(1)(5)式可知，反演問(wèn)題實(shí)質(zhì)是求解積分方程，由于該積分方程比較復(fù)雜，目前還不能求出其精確的解析解，只能根據(jù)實(shí)際問(wèn)題通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法來(lái)盡可能準(zhǔn)確地逼近真實(shí)解。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在解決非線性近似方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)，并且已經(jīng)成功地應(yīng)用于微波輻射汁大氣參數(shù)剖面反演，其中BP(后向傳播)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用最為廣泛的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。本文借鑒微波輻射計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演方法，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于GPS大氣折射率剖面的反演。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合斜路徑延遲、地面溫濕壓參數(shù)與大氣折射率剖面之間的非線性關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)以地面的壓強(qiáng)、溫度、

11、水汽密度以及斜路徑延退為輸入?yún)?shù)，而網(wǎng)絡(luò)輸出的是待反演大氣折射率垂直剖面。網(wǎng)絡(luò)采用五層全連接的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖2),其輸入矢址的長(zhǎng)度為個(gè)變量，輸出矢量為M個(gè)反演值。各層神經(jīng)元均采用對(duì)數(shù)正切型S函數(shù)：心"=由(9)由于該函數(shù)輸出范圍在01之間，為了使輸出技可能落在一個(gè)較大的范圍，對(duì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行歸一化處理,同樣參加訓(xùn)練的輸出剖面也要進(jìn)行歸一化處理,而實(shí)際反演時(shí)則需要:將歸-化的結(jié)果還原。f=S（WP+b）（10）其中/為神經(jīng)元的輸出值，W為神經(jīng)元的輸入權(quán)重矩陣，戶(hù)為神經(jīng)元的輸入位,b為神經(jīng)元的偏差。網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重和偏差是在訓(xùn)練過(guò)程中由誤差反向傳播算法確定的。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過(guò)程中，如果過(guò)

12、分追求訓(xùn)練樣本集內(nèi)誤差最小，就會(huì)喪失推廣能力，出現(xiàn)過(guò)擬合現(xiàn)象，這是因?yàn)橛?xùn)練誤差太小而使模型陷入過(guò)多反應(yīng)訓(xùn)練樣本的細(xì)節(jié)特征，而未能學(xué)到真正的規(guī)律;另一方面，也不能使模型輸出與訓(xùn)練樣本有太大誤差，以免造成擬合不足。為此,選取約90%的樣本作為訓(xùn)練樣本，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練;約10%的樣本作為檢驗(yàn)和測(cè)試樣本，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估，不參與訓(xùn)練過(guò)程。每訓(xùn)練若干次后計(jì)算測(cè)試樣本的誤差是否減小，若測(cè)試樣本的誤差開(kāi)始增大，保存之前的網(wǎng)絡(luò),停止訓(xùn)練。然后人為計(jì)算網(wǎng)絡(luò)性能,憑經(jīng)驗(yàn)確定網(wǎng)絡(luò)是否達(dá)到訓(xùn)練目的。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練流程如圖3所示。圖3網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練流程圖3反演結(jié)果比較與分析根據(jù)以上的BP網(wǎng)絡(luò)反演方法，利用青島地區(qū)19861995年1

13、0年的晴天探空數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真反演。取1、8月數(shù)據(jù)分別代表冬、夏兩季，取10月數(shù)據(jù)作為春秋季剖面的代表。在大氣折射率分層方面，由于大氣下層折射率大，包含的折射率信息較多，因此主要反演從地面到10km高度的大氣層，并對(duì)大氣在垂直方向進(jìn)行不均勻分層，從地面到1km高度每隔100m-層，從1km到10km每隔250m一層，則總共有46層。輸入?yún)?shù)為地面氣象參數(shù)和低仰角的斜路徑延遲。由于視在仰角未知，因此這里采用的是衛(wèi)星商度角，取衛(wèi)星高度角為2。20。,間隔2。由第1節(jié)的方法獲得視在仰角，進(jìn)一步得到斜路徑延遲。分別取不同的蛆合分析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反演結(jié)果。采用基于地面氣象參數(shù)的Hopfield模型和分段模型進(jìn)行

14、比較。分段模型的參數(shù)由實(shí)際探空數(shù)據(jù)擬合得到。采用折射率的均方根誤差作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。圖4為10月份神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與氣象模型的誤差比較，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用的P星高度角為4。、8。、12。°可以看出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反演結(jié)果顯著優(yōu)于氣象模型，尤其低層改善顯著。圖5和圖6分別為1月份和8月份圖4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演與氣象模型對(duì)比（】0月）均方根溟差/N圖5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演與氣象模型對(duì)比（1月）表1為采用不同衛(wèi)星高度角組合時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反演誤差比較（利用10月份數(shù)據(jù)），可以看到雖然高度角較低時(shí)誤差改善不大，有時(shí)低高度角反演結(jié)果還不如高高度角，但是這里我們沒(méi)有考慮測(cè)量誤差,實(shí)際上在衛(wèi)星高度角較高時(shí)，測(cè)鼠誤差可能會(huì)超過(guò)AS,導(dǎo)致不

15、能進(jìn)行準(zhǔn)確的反演。表1不同衛(wèi)星高度角組合的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演比較衛(wèi)星高度角/(°)均方根誤差/N4、8、】24.5312、16、204.4724.6984.46204.58220,間隔24.37此外，第1節(jié)還提到了目前斜路徑延遲一般是由映射函數(shù)由天頂延遲得到的，為此，我們利用Herring映射函數(shù)計(jì)算f8月份衛(wèi)星高度角10。時(shí)的斜延遲，并據(jù)此進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演，如圖7所示，結(jié)果表明其反演精度與利用仿真斜延遲計(jì)算的結(jié)果一致,都要好于基于地面氣象參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?2000圖7映射函數(shù)計(jì)算的斜延遲的BP網(wǎng)絡(luò)反演(8月)4討論與結(jié)論利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反映了GPS斜路徑延遲及地面氣象參數(shù)與大氣折射率剖面

16、的1E線性關(guān)系，并由育島地區(qū)的歷史探空數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，比較表明,BP網(wǎng)絡(luò)反演方法比基于地面氣象參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀懈玫木?。在?shí)際應(yīng)用中考慮大氣折射率剖面隨時(shí)間變化不是很劇烈，可以采用一段時(shí)間(例如5min或lOmin)內(nèi)反演結(jié)果的平均作為平均剖面。為了應(yīng)用方便，可以考慮建立多個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用一個(gè)星高度角的斜路徑延遲和地面氣象參數(shù)作為輸入，根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)得到的衛(wèi)星斜路徑延遲數(shù)據(jù)，選取不同的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反演，取其平均值作為平均剖面。此外，盡管由映射函數(shù)得到的斜路徑延遲用于反演效果不差，但是與真實(shí)值仍有一定誤差，特別在低仰角時(shí)，因此有必要發(fā)展直接獲取斜路徑延遲的GPS信號(hào)處理方法。另一方

17、面，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練需要?dú)v史數(shù)據(jù),因此本文的方法只適用于有歷史探空數(shù)據(jù)的地區(qū),此外,本文方法是利用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證的，還有待于實(shí)駛數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。參考文獻(xiàn)(1HopfieldHS.Two-quartictroposphericrefractivityproGleforcorrectingsatellitedataJ.JournalofGeophysicalResearch,1969,74(18)：4487-44992謝益溪J,拉菲涅特JP蒙，等.電波傳播超短波微波毫米波M.北京:電子工業(yè)出版社,19903LowryAR,RockenC,SokolovskiySV,etal.Verticalprofilingofatmosphericrefractivityfromground-basedGPSJ.RadioSci,2002,37(3)：13.113.10(4)KleijerF.TropospheremodelingandfilteringforpreciseGPSlevelingM.Delft,theNetherlands:NCC,20045)陳寶林.最優(yōu)化理論與算法M.北京:清華大學(xué)出版社,19896)王波.地基微波輻射計(jì)大氣環(huán)境遙感研究D.青島：中國(guó)海洋大學(xué),2