第 1 章 緒論

1.1 項(xiàng)目背景及意義
我國地形條件和氣候狀況特殊，近幾年來經(jīng)常出現(xiàn)特大暴雨或降雪等各種極端天氣，霧霾、干旱等惡劣氣候事件增多，洪澇災(zāi)害常發(fā)，泥石流災(zāi)害、滑坡、坍塌等災(zāi)害多發(fā)，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。加強(qiáng)河流水域病險(xiǎn)治理、水庫除險(xiǎn)加固、各種山洪地質(zhì)災(zāi)害防御和治理是我國防災(zāi)減災(zāi)體系建設(shè)的重點(diǎn)決策部署。2012 年 3 月 23 日，國家發(fā)改委正式發(fā)布《全國中小河流治理和病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固、山洪地質(zhì)災(zāi)害防御和綜合治理總體規(guī)劃》（發(fā)改農(nóng)經(jīng)〔2012〕774 號）（以下簡稱《總體規(guī)劃》）力爭用 5 年時(shí)間（2011～2015 年），建立完善的防災(zāi)減災(zāi)體系，解決造成極端天氣和惡劣氣候事件的主要因素，提高防御洪澇以及地質(zhì)災(zāi)害的能力，明顯改善災(zāi)害多發(fā)地區(qū)生態(tài)環(huán)境，降低災(zāi)害發(fā)生次數(shù)和隱患，，建立和完善防災(zāi)減災(zāi)的長效機(jī)制，保障民眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，維護(hù)社會(huì)的發(fā)展大局。氣象保障工程作為《總體規(guī)劃》中非工程建設(shè)措施項(xiàng)目任務(wù)的重要建設(shè)部分，重點(diǎn)在集中力量加強(qiáng)應(yīng)對引發(fā)山洪地質(zhì)災(zāi)害誘因方面的氣象條件監(jiān)測預(yù)警。突發(fā)性強(qiáng)降水是引起山洪地質(zhì)災(zāi)害的直接誘因，降水過多、過于集中是引發(fā)山洪地質(zhì)災(zāi)害的直接因素。水汽是降水的主要物質(zhì)來源，水汽凝結(jié)釋放的潛熱能是暴雨中小尺度對流系統(tǒng)發(fā)展的重要能量來源。截止 2014 年 12 月 31 日全國 GNSS/MET 站點(diǎn)總共 1041 個(gè)，其中中國大陸構(gòu)建環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)（陸態(tài)網(wǎng)）站點(diǎn) 240 個(gè)（圖 1）、中國氣象局 GPS 網(wǎng)（CMAGPS 網(wǎng)）站點(diǎn) 801 個(gè)。陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)的站點(diǎn)在全國分布較均勻，CMAGPS 網(wǎng)絡(luò)的站點(diǎn)主要分布在華南、華中、華東、華北和東北的吉林省。陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)的觀測數(shù)據(jù)由中國地震局統(tǒng)一實(shí)時(shí)收集、解壓和整理，并通過陸態(tài)網(wǎng)推送到氣象運(yùn)控中心指定的共享服務(wù)器，經(jīng)檢查陸態(tài)網(wǎng)的原始觀測數(shù)據(jù)完整，質(zhì)量良好，滿足 GPS/MET 業(yè)務(wù)需求。CMAGPS 網(wǎng)絡(luò)的觀測數(shù)據(jù)經(jīng)打包壓縮后通過氣象業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸專網(wǎng)實(shí)時(shí)上傳到國家氣象信息中心，然后發(fā)送到氣象探測中心，由氣象探測中心統(tǒng)一解壓和處理。目前已實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)化，迫切需要建立一個(gè)完善的國家級的 GPS 資料業(yè)務(wù)處理平臺，實(shí)現(xiàn)全國 GPS 資料上傳監(jiān)控、質(zhì)量評估、大氣水汽總量實(shí)時(shí)反演以及水汽產(chǎn)品加工處理和分發(fā)等功能，為山洪地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警提供全國范圍的大氣水汽監(jiān)測數(shù)據(jù)，為天氣預(yù)報(bào)和預(yù)警提供數(shù)據(jù)依據(jù)。
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1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
20 世紀(jì) 80 年代后期開始，大氣學(xué)專家開始研究利用 GPS 衛(wèi)星信號穿過地球大氣層時(shí)的延遲量來反演大氣溫度、濕度和氣壓等要素的方法，它具有測量精度高、全天候觀測、且不受天氣狀況影響、測量成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，很快成為一種全新的大氣探測技術(shù)，形成新的氣象學(xué)分支，簡稱 GPS/MET。根據(jù)接收機(jī)安置位置不同分為空基 GPS 和地基 GPS。地基 GPS 范疇，通過安置在地面的 GPS 接收機(jī)測量衛(wèi)星信號縱向穿過整個(gè)大氣層的累計(jì)延遲量，估算出接收機(jī)上空的可降水量[2]。地基 GPS 在大氣觀測方面的應(yīng)用研究大致經(jīng)歷了技術(shù)研究及實(shí)驗(yàn)、GPS/MET 觀測站網(wǎng)建立、數(shù)據(jù)處理應(yīng)用和新技術(shù)發(fā)展等 4 個(gè)階段。我國從 20 世紀(jì) 90 年代中期開始地基 GPS 氣象應(yīng)用研究，從 2000 年陸續(xù)開始建立區(qū)域 GPS 氣象觀測網(wǎng)，2002 年 6 月上海 GPS 氣象綜合觀測服務(wù)應(yīng)用平臺建立，成為我國第一個(gè)準(zhǔn)業(yè)務(wù)運(yùn)行的區(qū)域 GPS 氣象觀測網(wǎng)，實(shí)時(shí)提供 30min 間隔的長江三角洲區(qū)域的水汽含量資料，正式開展 GPS 氣象業(yè)務(wù)觀測及應(yīng)用服務(wù)。根據(jù)山洪項(xiàng)目 2013 年建設(shè)任務(wù)的要求和縣級綜改的業(yè)務(wù)調(diào)整需求，需要增加地縣級監(jiān)測站點(diǎn)的建設(shè)和加強(qiáng)地縣級氣象觀測數(shù)據(jù)處理平臺的建立，形成穩(wěn)定的業(yè)務(wù)水汽產(chǎn)品，為山洪地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警提供水汽變化信息[9]。
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第 2 章 數(shù)據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行大氣水汽處理時(shí)，臺站坐標(biāo)越精確，對于大氣水汽的估計(jì)也就越精確。要估計(jì)小于 4mm 的誤差，對于臺站的先驗(yàn)誤差要小于 1m。通過精密解算獲取臺站坐標(biāo)，應(yīng)用濾波方法求取最優(yōu)臺站坐標(biāo)，進(jìn)而提高大氣水汽計(jì)算精度。本次試驗(yàn)研究分為兩個(gè)大的部分，第一部分為人工試驗(yàn)部分，根據(jù)各類算法通過獨(dú)立軟件或模塊對先驗(yàn)坐標(biāo)進(jìn)行更新，檢驗(yàn)更新效果。第二部分流程業(yè)務(wù)化，根據(jù)人工試驗(yàn)過程，進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。GPS 水汽觀測數(shù)據(jù)處理中的坐標(biāo)更新包含兩部分，一部分為先驗(yàn)坐標(biāo)更新，坐標(biāo)精度為 m 級；一部分為精密坐標(biāo)更新，坐標(biāo)精度為 mm 級。數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)過程主要包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、文件準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量評估四個(gè)階段。

2.1 應(yīng)用算法
濾波算法是對當(dāng)前濾波算法研究很多，根據(jù)應(yīng)用需要和數(shù)據(jù)情況，本次研究主要針對卡爾曼濾波法、中值濾波法、算數(shù)均值濾波法和限幅濾波進(jìn)行研究分析。卡爾曼濾波器是一個(gè)最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法。它能夠從一系列的不連續(xù)且包含干擾誤差信息的測量觀測值中，預(yù)測出動(dòng)態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)。對于解決誤差來源確定的誤差干擾問題，它是最優(yōu)、最有效率、最有用的的方法�？柭鼮V波器利用前一個(gè)估計(jì)值和當(dāng)前觀測值計(jì)算來估計(jì)狀態(tài)變量，以線性最小均方誤差為預(yù)測準(zhǔn)則，求出現(xiàn)時(shí)刻的概率值。它以“預(yù)測—實(shí)測—修正”的方式遞推修正，根據(jù)系統(tǒng)的量測值來消除隨機(jī)誤差干擾，它適合于實(shí)時(shí)處理和計(jì)算機(jī)運(yùn)算�？柭鼮V波是利用包含干擾信號誤差的目標(biāo)位置的動(dòng)態(tài)值，通過去掉干擾信號的影響，計(jì)算出目標(biāo)位置的最優(yōu)估計(jì)。這個(gè)最優(yōu)估計(jì)包括對當(dāng)前目標(biāo)位置的估計(jì)也就是我們通常所說的濾波，和對于未來位置的估計(jì)即也就是預(yù)測，以及對過去位置值的優(yōu)化即插值或平滑的過程。
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2.2 數(shù)據(jù)說明

全國 GPS/MET 觀測數(shù)據(jù)共有三種來源：中國地震局和中國氣象局國家氣象信息中心，星歷、跟蹤站及通用文件數(shù)據(jù)由互聯(lián)網(wǎng)下載。觀測數(shù)據(jù)上傳有延遲，且各臺站的情況不同，因此在接收的時(shí)候要求近三天的數(shù)據(jù)都要下載處理。改進(jìn)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)投入運(yùn)行后，ZTD 反演精度得到提高，基于 GAMIT 解算的 ZTD與 IGS 提供基于 GIPSY 解算的 ZTD 的比較，兩者非常一致，相關(guān)系數(shù)均超過 0.99，均方根誤差（RMSE）約 5～8mm，相對偏差約 0.2%～0.4%，相對應(yīng)的 PWV 誤差約0.75～1.2mm�；� GAMIT 解算的 ZTD 具有相當(dāng)高的精度，兩者解算結(jié)果存在0.2%～0.4%左右的偏差，屬正常范圍。

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第 3 章 試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)........33
3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)......33
3.1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)概述..........34
3.1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則..........34
3.1.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程..........35
3.1.4 系統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)..........36
3.1.5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)......37
3.1.6 關(guān)鍵技術(shù)..........39
3.2 系統(tǒng)環(huán)境配置......41
3.2.1 開發(fā)環(huán)境..........41
3.2.2 運(yùn)行環(huán)境..........41
3.3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與功能介紹......41
第 4 章 試驗(yàn)系統(tǒng)安裝部署........59
4.1 安裝環(huán)境......59
4.1.1 服務(wù)器配置......59
4.1.2 軟硬件配置......59
4.2 軟件安裝配置......60
4.3 系統(tǒng)維護(hù)......69
第 5 章 總結(jié)與展望....70
5.1 總結(jié)......70
5.2 展望......70

第 4 章 試驗(yàn)系統(tǒng)安裝部署

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟硬件配置，系統(tǒng)安裝部署要求有單獨(dú)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和共享文件服務(wù)器，同時(shí)為了保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全及方便平臺管理維護(hù)，除互聯(lián)網(wǎng)下載和產(chǎn)品發(fā)布部分部署到單獨(dú)的外網(wǎng)服務(wù)器外，其余的功能模塊都運(yùn)行在內(nèi)網(wǎng)的虛擬服務(wù)平臺上，在虛擬服務(wù)平臺建立數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、共享服務(wù)器、數(shù)據(jù)預(yù)處理服務(wù)器、實(shí)時(shí)解算服務(wù)器、精密解算服務(wù)器和產(chǎn)品加工服務(wù)器各 1 臺。各服務(wù)器質(zhì)檢通過 ftp 共享進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈接，通過 webservice 進(jìn)行各功能模塊間的消息傳遞。

4.1 系統(tǒng)維護(hù)
1、定期安排系統(tǒng)維護(hù)人員進(jìn)行系統(tǒng)日志查看和運(yùn)行情況檢查，保障系統(tǒng)正常運(yùn)行。2、定期查看互聯(lián)網(wǎng)上星歷和跟蹤站等數(shù)據(jù)的更新情況，確保數(shù)據(jù)下載，如果出現(xiàn)延遲，維護(hù)系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間，保證數(shù)據(jù)的完整性。3、定期檢查各觀測臺賬數(shù)據(jù)上傳情況，對于缺測較多或文件格式報(bào)錯(cuò)較多的臺站上報(bào)用戶，申請規(guī)范化處理。4、定期跟蹤核心軟件如 GAMIT、TEQC 等的版本更新情況，安排系統(tǒng)升級。5、定期跟蹤臺站建站和遷站情況，更新臺站信息表相關(guān)參數(shù)信息，排除管理和人為原因造成的數(shù)據(jù)誤差。6、定期統(tǒng)計(jì)臺站數(shù)量，合理分配服務(wù)器。7、保證日常通信暢通，能及時(shí)接收系統(tǒng)的報(bào)警信息，及時(shí)處理系統(tǒng)故障，保障系統(tǒng)正常運(yùn)行。
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總結(jié)

經(jīng)過近一年的項(xiàng)目實(shí)施和技術(shù)研究，業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行基本趨于穩(wěn)定，目前主要集中在成果優(yōu)化階段，在觀測數(shù)據(jù)維護(hù)、加強(qiáng)文件質(zhì)檢、提高控制文件精度等方面。本次研究的先驗(yàn)坐標(biāo)更新數(shù)據(jù)控制文件精度提高，主要用于 Gamit 解算的初驗(yàn)坐標(biāo)，項(xiàng)目初期的臺站坐標(biāo)主要是應(yīng)用的建站時(shí)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)或觀測過程中 O文件提取坐標(biāo)，坐標(biāo)精度沒有保證，只是初期的標(biāo)準(zhǔn)差無法滿足業(yè)務(wù)要求，經(jīng)過近半年的運(yùn)行，通過對原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，實(shí)現(xiàn)了觀測數(shù)據(jù)歸檔業(yè)務(wù)化流程，為 ZTD 解算提供了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過監(jiān)測接收機(jī)和天線的工作狀態(tài)以及通過改進(jìn)原始觀測數(shù)據(jù)質(zhì)控指標(biāo)（如數(shù)據(jù)完整性、有效性、多路徑效應(yīng)以及觀測數(shù)與周跳數(shù)之比），提高對不良觀測數(shù)據(jù)剔除的水平。通過重新梳理全國GNSS 觀測站的基本信息，確保了站點(diǎn)經(jīng)度、緯度、海拔高度、接收機(jī)型號、天線型號、接收機(jī)序列號、天線序列號等信息的準(zhǔn)確性。在基于 GAMIT 解算 ZTD的過程，對于具備連續(xù)長期（3 年以上）觀測臺站采用帶站運(yùn)動(dòng)速度的站坐標(biāo)信息，對于觀測時(shí)間較短的測站采用中位數(shù)法定期更新站點(diǎn)坐標(biāo)信息，有效消除站坐標(biāo)誤差對 ZTD 解算結(jié)果的影響。將本地站坐標(biāo)約束在 X、Y 和 Z 方向上改為0.1、0.1 和 0.2m，使站坐標(biāo)約束更為合理。目前 ZTD 的估算精度與 IGS 估算的結(jié)果相當(dāng)。與探空結(jié)果相比，均方根誤差減少為 3～4mm。目前新一代 GNSS/MET 數(shù)據(jù)解算系統(tǒng)：全球衛(wèi)星定位氣象水汽國家級處理平臺（MOIST）已進(jìn)入業(yè)務(wù)試運(yùn)行階段，能實(shí)時(shí)生成 ZTD 站點(diǎn)數(shù)為 700～800 個(gè)，實(shí)時(shí)生成 PW 的站點(diǎn)數(shù)為 300～400 個(gè)。涉及網(wǎng)絡(luò)通信能力、計(jì)算條件和管理機(jī)制等方面，影響環(huán)節(jié)較多，資料處理過程復(fù)雜，且數(shù)據(jù)質(zhì)量控制算法尚需進(jìn)一步提高。2015 年還需在數(shù)據(jù)質(zhì)量控制算法、PW 反演結(jié)果評估等方面開展進(jìn)一步工作，進(jìn)一步滿足天氣預(yù)報(bào)和其他的應(yīng)用。
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：52227