本发明涉及大气水汽反演，尤其是涉及一种顾及北斗/insar各项差异的大气水汽反演方法。
背景技术：
1、大气水汽位于大气层底部，是大气层中最活跃的部分之一。大气水汽变化伴随着能量变化，直接影响地表温度和湿度，是形成雨、雪、云、雾等天气的关键因素，对大气圈水循环和天气变化有重要影响。受地形、大气结构等因素的影响，大气水汽分布不均匀，会导致降水、极端天气的发生。并且，大气水汽是一种温室气体，影响着整个大气圈的辐射平衡。因此，精确测量并掌握大气水汽的时间-空间运动特征对天气预报、极端天气预警以及气候变化具有重要意义。
2、星载合成孔径雷达干涉测量（interferometric synthetic aperture radar，insar）技术通过将不同观测时刻覆盖同一区域的两幅影像对应像素的相位值相减得到干涉图，把干涉图的大气延迟信号作为研究对象提取，反演大气水汽含量。相比较传统大气水汽监测技术（如无线探空、水汽辐射计、气象卫星等），insar大气水汽监测技术具有不受光照影响、大范围、高精度、空间连续观测等优势。时间序列合成孔径雷达干涉测量（timeseries interferometric synthetic aperture radar，ts-insar）基于大气延迟信号与时间不相关理论，根据干涉图中不同信号的时间和空间特征，将大气延迟信息提取出来，提高了insar大气水汽监测的精度和可靠性。
3、在ts-insar数据处理过程中，须要选择主影像，其他影像作为辅影像与主影像配准并进行差分干涉处理。因此，在时间方面，ts-insar大气水汽监测结果为辅影像观测时刻与主影像观测时刻的相对信息。在相位解缠的过程中，需要选择相干性强且固定不变的永久散射体作为参考点。因此，在空间方面，ts-insar大气水汽监测结果是空间中任意一点与参考点的相对信息。并且，在ts-insar大气延迟提取的过程中，观测误差包括失相干、地形残余、轨道误差等仍会给ts-insar大气水汽反演带来不确定性。
4、北斗卫星导航系统（beidou navigation satellite system，bds）通过处理地面接收机的北斗信号，反演大气水汽含量，具有全天时、高精度、高时间分辨率、无需定标等优势，是大气水汽反演的i类传感器。bds可以定标和校正ts-insar大气水汽监测结果，提高监测结果的可靠性，实现大范围、高精度、空间连续的大气水汽监测。但是，bds和ts-insar在大气水汽反演过程，存在一定差异。例如，观测几何不同。bds由地球中轨、地球同步轨道和地球倾斜同步轨道三种不同轨道卫星组成，而insar卫星为地球低轨卫星，且观测范围由近距和远距之间的空间连续范围构成；干延迟计算方法不同。干延迟计算是bds和ts-insar大气水汽反演的关键步骤，直接影响水汽反演结果精度。采用不同模型计算干延迟结果具有一定差异（差距可达3mm），在bds/ts-insar联合反演大气水汽的过程中不容忽视；水汽转换系数计算方法不同。水汽转换系数是对流层大气加权平均温度的函数，不同的计算方法（探空站，bevis模型，gtm模型等），加权平均温度相差可达7 k，影响大气水汽反演精度。
5、综上所述，鉴于bds高精度、时间连续性和insar空间连续、高空间分辨率的优点，亟需一种顾及bds/insar各项差异的大气水汽反演方法，为大范围、空间连续、高精度大气水汽时-空特征研究提供基础数据。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种顾及北斗/insar各项差异的大气水汽反演方法，可以解决insar技术反演大气水汽过程中存在的不确定性和定标问题，克服北斗/insar联合反演大气水汽过程中存在各项差异而导致监测结果精度降低的缺陷。
2、为实现上述目的，本发明提供了一种顾及北斗/insar各项差异的大气水汽反演方法，包括以下步骤：
3、s1、利用ts-insar技术提取观测范围内干涉图的卫星视线向差分对流层延迟信息；
4、s2、利用北斗和insar卫星的精密轨道数据，构建卫星视线向对流层延迟与卫星高度角的映射函数，实时计算映射函数的系数；
5、s3、利用与北斗并址的气象站观测的地表气压和温度数据，计算北斗对流层非差分干延迟分量和水汽转换系数；利用观测范围内北斗基站解算的天顶向非差对流层湿延迟分量和干延迟分量，通过映射函数从空间和时间两个维度定标ts-insar卫星视线向差分对流层延迟；
6、s4、利用气象再分析资料的地表气压数据，计算ts-insar干延迟分量，并利用北斗对流层非差分干延迟分量验证ts-insar干延迟分量，当二者相差超过±3mm时，利用北斗对流层非差分干延迟分量校正ts-insar干延迟分量，得到校正后的ts-insar干延迟分量；
7、s5、利用气象再分析资料的分层温度数据，计算ts-insar水汽转换系数，并利用北斗对流层非差分水汽转换系数验证ts-insar水汽转换系数，当二者相差超过±0.1时，利用北斗对流层非差分水汽转换系数校正ts-insar水汽转换系数，得到校正后的ts-insar水汽转换系数；
8、s6、利用定标后的ts-insar对流层延迟和校正后的ts-insar干延迟分量，通过映射函数，计算ts-insar天顶向湿延迟分量，并利用校正后的ts-insar水汽转换系数，计算大气水汽信息。
9、优选的，步骤s1中，利用ts-insar技术提取观测范围内干涉图的卫星视线向差分对流层延迟信息，具体操作为：
10、s11、通过insar影像时空基线分析，选择主影像，将辅影像与主影像进行配准，将配准完成的主影像和辅影像数据相位相减，得到insar干涉相位；
11、insar干涉相位为：
12、（1）
13、式中，为干涉相位；为平地相位；为地形相位；为地表形变相位；为大气延迟相位；为轨道误差相位；为噪声相位；
14、s12、设置时空基线阈值，将小于时空基线阈值的insar干涉相位进行差分干涉处理，得到差分干涉相位；
15、差分干涉相位计算公式为：
16、（2）
17、式中，为差分干涉相位， x， r分别为影像像素的行号和列号；和分别为主影像和辅影像成像时刻；为时刻影像第（ x， r）像素相位值；为时刻影像第（ x， r）像素相位值；为雷达信号波长；为时刻第（ x， r）像素地表形变；为时刻第（ x， r）像素地表形变；为时刻第（ x， r）像素大气延迟；为时刻第（ x， r）像素地表形变；为噪声相位；
18、s13、采用精密星历削弱轨道误差，采用goldstein滤波削弱噪声相位；
19、s14、基于大气延迟与时间不相关理论，采用时间序列分析的方法提取卫星视线向差分对流层延迟信息。
20、优选的，步骤s2中，映射函数计算公式如下：
21、（3）
22、其中，为卫星视线向对流层延迟；为天顶向湿延迟；为湿延迟映射函数；为天顶向干延迟；为干延迟映射函数；、、为湿延迟分量系数；、、为干延迟分量系数；为卫星高度角；为测站高程。
23、优选的，步骤s3中，从空间维度定标ts-insar卫星视线向差分对流层延迟，具体为：当insar相对观测值和绝对观测值之间相差常数 k时，通过最小费用流方法估计常数 k，计算公式如下：
24、（4）
25、其中， n为北斗基站编号；为北斗基站总数量；为主影像和辅影像成像时刻第 n个北斗基站对流层延迟相对信息；为以第个北斗基站为中心以北斗卫星截止角为圆锥范围内insar对流层延迟像素个数； i为像素序号；表示圆锥范围内第 i个像素对流层延迟相对信息。
26、优选的，步骤s3中，从时间维度定标ts-insar卫星视线向差分对流层延迟，具体为：采用克里金插值的方法重采样北斗主影像成像时刻对流层延迟，使其与ts-insar提取的对流层延迟信息分辨率一致，将辅影像成像时刻的ts-insar差分对流层延迟与北斗主影像成像时刻对流层延迟相加，得到辅影像成像时刻的ts-insar非差分对流层延迟。
27、优选的，步骤s4中，ts-insar干延迟分量、北斗对流层非差分干延迟分量和校正后的ts-insar干延迟分量的计算公式均如下：
28、（5）
29、其中，表示对流层干延迟相位；=0.776 kpa-1；为理想气体的通用指数，；为重力加速度；为干燥空气的摩尔质量；表示辅影像成像时刻的地表气压。
30、优选的，步骤s5中，北斗对流层非差分水汽转换系数、ts-insar水汽转换系数和校正后的ts-insar水汽转换系数的计算公式均如下：
31、（6）
32、其中，为水汽转换系数；=461.95 jkg-1k-1；=3.75×103k2pa-1；=0.233kpa-1；为加权平均温度；为北斗加权平均温度；为北斗基站地表温度；为insar加权平均温度；为水汽分压，为第层大气平均温度，为大气分层的层数；为第层大气的平均厚度。
33、优选的，步骤s6中，大气水汽的计算公式如下：
34、（7）
35、其中，为大气可降水量。
36、因此，本发明采用上述的一种顾及北斗/insar各项差异的大气水汽反演方法，有益技术效果如下：
37、（1）考虑了bds与insar观测几何的差异，利用卫星高度角构建了实时映射函数，实现卫星视线向大气水汽与天顶向大气水汽相互转换；
38、（2）利用高精度的bds天顶向湿延迟和统一方法计算的bds天顶向干延迟，通过映射函数，在空间和时间两个维度定标ts-insar卫星视线向差分大气延迟信息，得到高精度、空间连续的非差分大气延迟信息；
39、（3）利用与bds并址的气象站地表气压和温度数据计算干延迟分量和水汽转换系数，验证并校正ts-insar干延迟分量和水汽转换系数，提高了bds/insar联合反演大气水汽的精度和可靠性。
1.一种顾及北斗/insar各项差异的大气水汽反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种顾及北斗/insar各项差异的大气水汽反演方法，其特征在于，步骤s1中，利用ts-insar技术提取观测范围内干涉图的卫星视线向差分对流层延迟信息，具体操作为：
3.根据权利要求2所述的一种顾及北斗/insar各项差异的大气水汽反演方法，其特征在于，步骤s2中，映射函数计算公式如下：
4.根据权利要求3所述的一种顾及北斗/insar各项差异的大气水汽反演方法，其特征在于，步骤s3中，从空间维度定标ts-insar卫星视线向差分对流层延迟，具体为：当insar相对观测值和绝对观测值之间相差常数k时，通过最小费用流方法估计常数k，计算公式如下：
5.根据权利要求4所述的一种顾及北斗/insar各项差异的大气水汽反演方法，其特征在于，步骤s3中，从时间维度定标ts-insar卫星视线向差分对流层延迟，具体为：采用克里金插值的方法重采样北斗主影像成像时刻对流层延迟，使其与ts-insar提取的对流层延迟信息分辨率一致，将辅影像成像时刻的ts-insar差分对流层延迟与北斗主影像成像时刻对流层延迟相加，得到辅影像成像时刻的ts-insar非差分对流层延迟。
6.根据权利要求5所述的一种顾及北斗/insar各项差异的大气水汽反演方法，其特征在于，步骤s4中，ts-insar干延迟分量、北斗对流层非差分干延迟分量和校正后的ts-insar干延迟分量的计算公式均如下：
7.根据权利要求6所述的一种顾及北斗/insar各项差异的大气水汽反演方法，其特征在于，步骤s5中，北斗对流层非差分水汽转换系数、ts-insar水汽转换系数和校正后的ts-insar水汽转换系数的计算公式均如下：
8.根据权利要求7所述的一种顾及北斗/insar各项差异的大气水汽反演方法，其特征在于，步骤s6中，大气水汽的计算公式如下：
