[论文解读] Modeling of path delay in the neutral atmosphere: a paradigm shift

Leonid Petrov|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2015

GNSS positioning and interference参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文通过利用高精度数值天气模型输出（GEOS 和 MERRA）预先计算路径延迟和消光，实现了射电天文领域大气路径延迟建模的范式转变，精度达 45 ps × cosec(仰角)。该方法使传播效应的常规、实时计算成为可能，其精度与星位置更新相当，总路径延迟的相对精度达 0.5%，湿分量精度达 10%，从而使得传统校准方法（如倾角曲线）变得过时。

ABSTRACT

Computation of propagation effects in the neutral atmosphere, namely path delay, extinction, and bending angle is a trivial task provided the 4D state of the atmosphere is known. Unfortunately, the mixing ratio of water vapor is highly variable and it cannot be deduced from surface measurements. That fact led to a paradigm that considers path delay and extinction in the atmosphere as a~priori unknown quantities that have to be evaluated from the radio astronomy data themselves. Development of our ability to model the atmosphere and to digest humongous outputs of these models that took place over the course of the 21st century changed the game. Using the publicly available output of operational numerical weather model GEOS run by NASA, we are in a position to compute path delay through the neutral atmosphere for any station and for any epoch from 1979 through now with accuracy of 45 ps * cosec elevation. We are in a position to compute extinction with accuracy better than 10 pro cents. We are in a position to do it routinely, in a similar way how we update apparent star positions for precession and nutation. Moreover, we are in a position to do it now. As a demonstration of current capabilities, I have computed time series of path delays for all radiotelecopes that I was aware of (220 sites) since 1979 with a step 3-6 hours. Results of the validation tests are presented. A new paradigm of data analysis assumes that we know the atmosphere propagation effects a priori with the accuracy higher that one could deduce them from radio astronomy observations.

研究动机与目标

• 用基于物理的、预先计算的方法替代传统基于数据的路径延迟建模，该方法利用数值天气模型输出。
• 证明自 1979 年以来，可对任意台站和历元实现路径延迟与消光的常规、高精度计算。
• 通过基准基线长度重复性测试和天顶延迟残差，验证预先计算路径延迟的精度。
• 表明由于基于模型的校正精度更高，传统校准技术（如倾角曲线和大地测量块）已不再必要。
• 实现实时、高精度的大气校正，其精度与章动和黄赤交角更新相当。

提出的方法

• 利用美国国家航空航天局（NASA）的 GEOS 和 MERRA 数值天气模型（1979 年至今）提供的公开 4D 大气状态输出，包括温度、气压和水汽压。
• 应用费马原理，并通过求解由折射率梯度导出的四阶非线性微分方程组，解决射线轨迹的变分问题。
• 将折射率表示为 B 样条函数（阶数 m）的 4D 张量积，以实现在高度、经度、纬度和时间上的连续、可微分的折射率建模。
• 通过 B 样条展开在方位-仰角网格上计算路径延迟积分，并存储系数以实现高效检索与应用。
• 通过加权均方根偏差的基准基线长度重复性测试验证结果，并外推至地球直径以估算垂直位置误差。
• 通过使用 e^(-a) 因子校准条纹振幅，并利用基于模型的大气贡献，从系统温度中分离出接收机温度，从而计算大气亮度温度和衰减。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够以足够高的精度预先计算大气路径延迟，从而取代射电天文中的数据驱动校准？
• RQ2 利用现代数值天气模型，预先计算路径延迟与消光的可实现精度是多少？
• RQ3 预先计算方法的精度与传统方法（如倾角曲线和大地测量块）相比如何？
• RQ4 通过基于模型的大气亮度温度分离接收机与大气贡献，系统温度异常的校正程度如何？
• RQ5 新范式是否能够实现实时、常规的传播效应校正，如同章动和黄赤交角更新一样？

主要发现

• 路径延迟的计算精度可达 45 ps × cosec(仰角)，相当于总路径延迟 0.5% 的相对精度。
• 湿分量路径延迟的计算精度达 10%，对应天顶湿延迟的平均不确定性为 37 ps。
• 将基准基线长度重复性外推至地球直径后，由于预先计算路径延迟模型中的误差，垂直站位的额外方差为 1.45 cm（48 ps）。
• 天顶湿路径延迟残差在极地站为 0.6 cm（37 ps），在热带站为 2.2 cm（66 ps），平均值为 1.25 cm（37 ps）。
• 大气亮度温度和衰减的不确定性接近湿路径延迟的不确定性，表明在水汽主导的频段内精度可达 10%。
• 传统校准技术（如倾角曲线和大地测量块）已不再必要，因为基于模型的校正精度已超过这些方法。