專利名稱：精確確定區(qū)域?qū)α鲗友舆t的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是在區(qū)域內(nèi)，結(jié)合少量的高空探測氣球數(shù)據(jù)，獲取對流層延遲(近似)真值，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立區(qū)域?qū)α鲗友舆t改正模型，屬于“測繪科學(xué)與技木”學(xué)科中的“大地測量學(xué)”技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近三十年來，電子、通信和航天等現(xiàn)代科技手段的飛速發(fā)展，許多科學(xué)技術(shù)的研究及應(yīng)用與大氣對無線電波傳播的影響密切相關(guān)，而大氣層中的對流層已經(jīng)成為整個(gè)地球空間環(huán)境影響人類生產(chǎn)和生活的重要因素之一。建立了ー個(gè)區(qū)域?qū)α鲗友舆t改正模型，提高大氣對流層延遲計(jì)算的精度，對提高GPS測量的精度有十分重要的意義，尤其是在GPS單點(diǎn)定位和CORS技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用前景?？偟膩碚f，本文技術(shù)是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本方法，建立高精度的對流層延遲改正模型，以期為航天活動、通訊、導(dǎo)航和國家安全做出積極貢獻(xiàn)。目前，區(qū)域?qū)α鲗友舆t改正模型的建立方法有三種。第一種就是利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠眍A(yù)報(bào)對流層延遲；第ニ種是將對流層天頂延遲或者模型改正后的天頂延遲的剩余誤差作為待定參數(shù)隨觀測資料一起進(jìn)行估計(jì)來改正；第三種即為外部修正法。但是這些常用的方法都存在著各式各樣的問題，這里綜述之。(I)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ǎＰ透恼ǖ难芯恐饕獜膬蓚€(gè)方面入手，即天頂延遲模型的研究和投影函數(shù)的研究。具有代表性的天頂延遲模型包括霍普菲爾德(Hopfield)公式、薩斯塔莫寧(Saastamoinen)公式及勃蘭克(Black)公式。1969年,Hopf ield對全球18個(gè)臺站2年的高空氣象探測資料進(jìn)行細(xì)致的分析，初步建立了一個(gè)大氣模型；1972年又推出了改進(jìn)模型，將中性大氣的溫度梯度作為常數(shù)按單層計(jì)算。在霍普菲爾德模型中，大氣層僅分為對流層和電離層兩層。Saastamoinen基于美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模型計(jì)算得到了天頂延遲，并按其溫度變化的特性把中性大氣劃分為三層對流層是從地面到Ilkm左右高度的對流層頂，第二層是從對流層頂?shù)?0km左右的平流層頂；70km以外的被稱作電離層。Saastamoinen模型還首次按照天頂距三角函數(shù)的方法把被積函數(shù)展開并逐項(xiàng)進(jìn)行積分。1978年，H. D. Black在Hopfield模型基礎(chǔ)上加入路徑彎曲改正之后，推導(dǎo)出了 Black模型。這些傳統(tǒng)模型都是普適模型，由于全球氣候的差異性，將其應(yīng)用到局部地區(qū)難免會有系統(tǒng)誤差；特別是對濕延遲的估計(jì)，很難達(dá)到ー個(gè)理想的精度。(2)參數(shù)估計(jì)法。具體包括單參數(shù)法、多參數(shù)法、隨機(jī)過程法及分段線性函數(shù)法。以上四種方法都是ー階高斯馬爾科夫過程的特殊情況。有研究表明單參數(shù)法不能反映對流層折射隨時(shí)間的變化規(guī)律，具有明顯的不足。多參數(shù)法和分段線性函數(shù)法的結(jié)果與參數(shù)個(gè)數(shù)有夫，雖然多個(gè)天頂延遲參數(shù)的估計(jì)對于準(zhǔn)確反映大氣延遲有利，但是未知數(shù)個(gè)數(shù)的增加會導(dǎo)致方程整體解的精度降低。(3)外部修正法。外部修正法就是利用外部設(shè)備來實(shí)際測定衛(wèi)星信號傳播路徑上水汽對信號傳播的影響。目前較好的方法有水汽輻射計(jì)(WVRS)，Raman激光雷達(dá)，微分吸收激光雷達(dá)(DIAL)，微波輻射儀，紅外光譜輻射儀等。與前兩種方法不同的是，外部修正法可以觀測到實(shí)時(shí)的延遲。但是由于儀器笨重，價(jià)格昂貴，使用不方便，且不能進(jìn)行全天候作業(yè)，在長時(shí)間作業(yè)中儀器的觀測還會出現(xiàn)漂移和不穩(wěn)定現(xiàn)象，限制了外部修正法廣泛應(yīng)用的可能性?？傊?，目前常用的計(jì)算對流層延遲的方法或多或少都存在以下幾個(gè)方面的不足a傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ碗m然是普適模型，但是具體到區(qū)域時(shí)，其計(jì)算精度(特別是濕延遲的精度)不高；b第二種估計(jì)的方法雖然能夠得到較高的精度，但是參數(shù)個(gè)數(shù)的確定比較困難，且會影響模擬結(jié)果；另外，參數(shù)估計(jì)法一般通過事后平差計(jì)算實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)性差；c第三種外部修正法雖然可以直接測定衛(wèi)星信號傳播路徑上水汽對信號傳播的影響，但是其儀器笨重、造價(jià)昂貴、不易操作的缺點(diǎn)也限制了其在實(shí)際運(yùn)用中推廣。對流層troposphere,從地面到70km高度的范圍。(具體劃分為對流層是從地面到Ilkm左右高度的對流層頂，第二層是從對流層頂?shù)?0km左右的平流層頂；70km以上的被稱作電離層。本文將對流層和平流層統(tǒng)稱為對流層。)對流層集中了大氣質(zhì)量的85%以上，而且主要的天氣形式都發(fā)生在這ー層大氣中。對流層延遲電磁波信號經(jīng)過對流層時(shí)，會產(chǎn)生非色散的折射，由于對流層折射的影響，在天頂方向可使電磁波的傳播產(chǎn)生延遲。對流層折射延遲是GPS定位的主要誤差源之一。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技木人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是ー種數(shù)據(jù)處理方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型屬于自適應(yīng)的非線性動力學(xué)系統(tǒng)，它具有學(xué)習(xí)、記憶、計(jì)算和智能處理等諸多功能，特別是在處理ー些復(fù)雜的非線性問題上，有著其獨(dú)特的優(yōu)勢。GPSGPS是英文Global Positioning System (全球定位系統(tǒng))的簡稱。GPS是20世紀(jì)70年代由美國陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)。C0RS連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)(Continuous Operational ReferenceSystem，縮寫為 C0RS)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供ー種精確確定區(qū)域?qū)α鲗友舆t的方法，使用該方法區(qū)域計(jì)算結(jié)果精度高，使得GPS技術(shù)的測量精度提高，應(yīng)用更加廣泛。本發(fā)明的技術(shù)方案如下ー種精確確定區(qū)域?qū)α鲗友舆t的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，包括以下步驟Al、獲取得到控制點(diǎn)測站的對流層濕延遲近似真值べ;A2、通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬計(jì)算，建立區(qū)域?qū)α鲗訚裱舆t計(jì)算模型；(I)計(jì)算對流層濕延遲初值W ;對流層濕延遲初值采用霍普菲爾德模型(簡稱H模型)計(jì)算，其計(jì)算公式為
權(quán)利要求
1.ー種精確確定區(qū)域?qū)α鲗友舆t的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，其特征在于，包括以下步驟 Al、獲取得到控制點(diǎn)測站的對流層濕延遲近似真值5ゴ； A2、通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬計(jì)算，建立區(qū)域?qū)α鲗訚裱舆t計(jì)算模型； (1)計(jì)算對流層濕延遲初值K; 對流層濕延遲初值采用霍普菲爾德模型計(jì)算，其計(jì)算公式為(5° =7. 46512X IO-2X-^r-(IlOOO-Zi0)(5) Tq 式中，(T0,h0,e0)分別為測量控制點(diǎn)測站的3個(gè)地面氣象參數(shù)絕對溫度，海抜高度，水汽分壓； (2)計(jì)算區(qū)域控制點(diǎn)對流層濕延遲偏差值ΛSw; 計(jì)算公式為 = (6) (3)建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法的偏差值計(jì)算模型； 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬，將測量控制點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)，按4ΧΡΧ1的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；構(gòu)成學(xué)習(xí)樣本，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法進(jìn)行訓(xùn)練，其中 a)BP網(wǎng)絡(luò)的輸入層元素個(gè)數(shù)為4，分別為Tci. Vetl、ぺ;其中絕對溫度Ttl、海拔高度Iv水汽分壓％ ;對流層濕延遲初值< ; b)BP網(wǎng)絡(luò)的隱含層元素個(gè)數(shù)為P，P值計(jì)算公式為P= 17+INT(S/10) ；S為測量控制點(diǎn)的總數(shù)； c)BP網(wǎng)絡(luò)的輸出層元素個(gè)數(shù)為1，為Λ Sw，對流層濕延遲偏差值Λ 5w； 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)束后，就得到了該區(qū)域Λ δν的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型，該區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)的對流層濕延遲偏差值Λ δν均可根據(jù)該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算得到；設(shè)其函數(shù)關(guān)系式為 Ad = f(T0,h0,e0,S°J(7) 由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特殊性，公式(7)沒有具體函數(shù)表達(dá)式，但可以保存訓(xùn)練結(jié)束后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；此時(shí)，只要輸入該區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)的(ァQ，/veQ，K)，該模型便可計(jì)算出該點(diǎn)的對流層濕延遲偏差值； (4)計(jì)算對流層濕延遲δw ； 計(jì)算公式為 ん= Κ +(8) A3、計(jì)算區(qū)域?qū)α鲗痈裳舆t； 區(qū)域?qū)α鲗痈裳舆t采用霍普菲爾德模型計(jì)算，公式為 Sd^\.552x\0~5x^-(HT-h0)(9a)Ht = 40136+148. 72 · (Τ0_273· 16) (9b) 式中，Ht的物理意義為折射率為O處的大氣層高度； A4、計(jì)算區(qū)域?qū)α鲗涌傃舆t； 計(jì)算公式為 δ = 5d+5w(10)以上步驟完成后，該區(qū)域的對流層總延遲計(jì)算模型S就建立起來了 ； 該區(qū)域內(nèi) 其他點(diǎn)，只要通過氣象觀測得到以下4個(gè)地面氣象參數(shù)(Ptl, T0, h0, %)，即可分別根據(jù)公式(5)、(7)、(8)計(jì)算得到べ、Δ尤和δ w ;再根據(jù)公式(9)計(jì)算得到δ d，最后根據(jù)公式(10)計(jì)算得到δ。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種精確確定區(qū)域?qū)α鲗友舆t的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，包括以下步驟A1、獲取得到控制點(diǎn)測站的對流層濕延遲近似真值A(chǔ)2、通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬計(jì)算，建立區(qū)域?qū)α鲗訚裱舆t計(jì)算模型；A3、計(jì)算區(qū)域?qū)α鲗痈裳舆t；A4、計(jì)算區(qū)域?qū)α鲗涌傃舆t；該區(qū)域內(nèi)其他點(diǎn)，只要通過氣象觀測得到以下4個(gè)地面氣象參數(shù)(P0，T0，h0，e0)，即可分別根據(jù)公式(5)、(7)、(8)計(jì)算得到和δw；再根據(jù)公式(9)計(jì)算得到δd，最后根據(jù)公式(10)計(jì)算得到δ。本發(fā)明通過高空探測氣球觀測信息提取區(qū)域?qū)α鲗友舆t近似真值，提出采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來精確確定區(qū)域?qū)α鲗友舆t改正模型的方法。
文檔編號G01W1/02GK102682335SQ20121010744
公開日2012年9月19日 申請日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月13日
發(fā)明者朱明晨, 王軍, 胡伍生 申請人:東南大學(xué)