快速检索        
  武汉大学学报·信息科学版  2016, Vol. 41 Issue (3): 285-289

文章信息

施闯, 王海深, 曹云昌, 张恩红, 梁宏, 付志康
SHI Chuang, WANG Haishen, CAO Yunchang, ZHANG Enhong, LIANG Hong, FU Zhikang
基于北斗卫星的水汽探测性能分析
Analysis on Performance of Water Vapor Detection Based on BeiDou Satellite
武汉大学学报·信息科学版, 2016, 41(3): 285-289
Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(3): 285-289
http://dx.doi.org/10.13203/j.whugis20140944

文章历史

收稿日期: 2015-07-10

基于北斗卫星的水汽探测性能分析
施闯1,2,3, 王海深1,2 , 曹云昌2, 张恩红4, 梁宏2, 付志康5    
1. 武汉大学测绘学院, 湖北 武汉, 430079;
2. 中国气象局气象探测中心, 北京, 100081;
3. 武汉大学卫星导航定位技术研究中心, 湖北 武汉, 430079;
4. 广东省气象信息中心, 广东 广州, 510080;
5. 中国气象局武汉暴雨研究所暴雨监测预警湖北省重点实验室, 湖北 武汉, 430074
摘要: 本文利用北斗试验网的数据,结合探空观测,对北斗系统与GPS系统,北斗、GPS与探空系统之间进行详细的比较分析,对北斗水汽探测性能及精度给出初步分析结果。北斗系统与GPS系统及探空系统大气可降水量的探测结果较一致,很好地反映了大气可降水量的变化情况;北斗系统解算出的大气可降水量大于GPS系统,两个系统间存在2~3.3 mm的系统误差,水汽含量较低时,一致性更好;北斗系统与探空的系统误差和标准偏差较大,定位定轨模型有待优化,系统稳定性有待提高。
关键词: 北斗卫星导航系统     水汽探测     大气延迟     大气可降水量    
Analysis on Performance of Water Vapor Detection Based on BeiDou Satellite
SHI Chuang1,2,3, WANG Haishen1,2 , CAO Yunchang2, ZHANG Enhong4, LIANG Hong2, FU Zhikang5    
1. School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan 430079, China;
2. Meteorological Observation Centre, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China;
3. Research Center of GNSS, Wuhan University, Wuhan 430079, China;
4. Guangdong Meteorological Information Center, Guangzhou 510080, China;
5. Hubei Key Laboratory for Heavy Rain Monitoring and Warning Research, Institute of Heavy Rain, China Meteorological Administration, Wuhan 430074, China
First author: SHI Chuang, professor, PhD, specializes in spatial geodesy and geodynamics. E-mail: shi@whu.edu.cn
Corresponding author: WANG Haishen, PhD. whsb520@163.com
Foundation support: The China Second Generation Satellite Navigation System Major Projects; the National Natural Science Foundation of China, No. 41274049; the National Science Found of Distinguished Young Scholars, No. 41325015.
Abstract: The ground-based GNSS remote sensing water vapor detection got high spatial and temporal resolution atmospheric water vapor data by acquisition signal of satellite navigation system, made up the shortage of conventional sounding in space and time, which had important application value to the weather forecasting, climate research and artificial influence on weather.This paper used BeiDou experimental network data, combined with the radiosonde observation, made detailed comparative analysis among BeiDou, GPS and sounding system, gave the preliminary results of performance and accuracy of BeiDou vapor detection.The result of PWV were consistent detected by BeiDou, GPS and radiosonde, which well reflected the change regularity of PWV. PWV detected by BeiDou was more than that of GPS, there was a system error of 2-3.3 mm between the two systems. The two systems were more consistent when the PWV relatively lower. There were systematic errors and standard deviation between the water vapor detection by BeiDou and radiosonde. Positioning and orbit determination model need to be optimized. The stability of the system need to be improved.
Key words: BeiDou satellite navigation system     water vapor detection     troposphric delay     PWV    

全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)是20世纪对人类生活具有广泛重大影响的空间技术之一,目前已经应用于大地测量、地理信息系统(GIS)、智能交通、城市规划等各个领域。全球卫星导航系统的相关技术也被应用到大气、海洋和空间的探测和应用领域,对这些领域产生了深刻影响,目前已经在高空探测的定位测风、地基遥感水汽和电离层、海风海浪探测、无人飞机导航、授时及气象信息传输领域得到广泛应用。其中,地基GNSS遥感水汽探测通过获取卫星导航系统信号可以得到高时空分辨率的大气水汽资料,监测灾害性天气的产生和发展,对天气预报、气候研究和人工影响天气等有着重要的应用价值。

20世纪90年代,Bevis提出了GPS气象学[1]的概念,此后,相关研究表明通过地基GPS水汽探测网络,可以提供高时空分辨力的大气可降水量的数据,弥补常规探空在时间和空间上的不足[2, 3]。文献[4, 5, 6]也在不同方向进行了研究,对地基GPS的遥感水汽探测技术的完善和在中国的本地化发展作出了贡献。

北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星导航系统,是继美国GPS和俄罗斯的GLONASS之后第3个全球卫星导航系统,整个系统将在2020年形成全球覆盖能力。众多学者对北斗系统的系统性能、观测质量、模型精度等进行了分析评估[7, 8, 9]。随着中国北斗卫星导航系统的逐步完善,基于北斗卫星导航系统的水汽探测技术将逐步发展起来。

本文基于北斗试验网的数据,给出了北斗水汽探测性能及精度的初步分析结果,并提出当前存在的问题,以便进一步改进相关模型和算法,提高北斗水汽探测的性能,推进北斗水汽探测的业务化进程。

1 数据获取及处理 1.1 数据获取

本文利用基于北斗导航卫星的大气海洋和空间监测预警应用试验网中恩施、宜昌、荆州、咸宁和孝感等5个GNSS基准站数据,分别进行北斗系统与GPS系统的比较分析,同时利用恩施、宜昌与GNSS基准站同址的探空站数据与探空系统进行比较分析,综合分析北斗卫星导航系统水汽探测的性能和精度。

本文处理分析了2013年12月和2014年6月的北斗、GPS及探空数据,其中2013年12月各站平均观测北斗卫星数约8颗,2014年6月各站平均观测北斗卫星数约10颗,卫星分布不均匀,主要在南部地区,北面卫星数较少,卫星几何构型会对定位精度产生一定影响。

1.2 北斗、GPS数据处理方法

获取高精度水汽含量的一个重要前提是高精度的卫星定轨。北斗卫星导航系统还处于组网时期,尚未构成完整星座,不能形成良好的星间约束,同时地面观测站较少,且分布不均,因此,对其精密定轨采用下述策略:首先以IGS提供的GPS精密星历为时空基准,利用GPS卫星观测数据精确确定北斗/GPS双模接收机在IGS框架下的基准站坐标、接收机钟差以及对流层参数,然后固定已获取的基准站坐标、接收机钟差、对流层参数,利用北斗观测数据计算北斗卫星在IGS框架下的精密轨道,解算参数,包括卫星初始轨道参数、光压参数、卫星钟差、北斗与GPS接收机信号延迟等,实现IGS框架下的北斗卫星精密轨道确定。该方法通过充分利用已有GPS系统的精密时空基准,约束地面基准站坐标、接收机钟差等参数实现高精度北斗精密定轨。利用此方法,实现MEO与IGSO卫星三维定轨精度优于0.5 m,GEO卫星三维定轨精度优于5 m的水平,MEO和IGSO卫星在径向的精度略优于GEO,三者均能达到优于10 cm的水平[10]

本文采用GAMIT软件解算GPS数据,采用Panda软件处理解算北斗数据。从观测数据中解算出对流层天顶总延迟(ZTD),从总延迟中减去流体静力学延迟(ZHD)得到湿延迟(ZWD),最后根据大气可降水量(PWV)与湿延迟的转换关系得出大气可降水量。其中,对流层天顶总延迟的解算,采取在先验模型改正的基础上,进一步附加天顶方向的延迟改正参数的方法。

北斗水汽解算中首先利用Saastamoinen经验模型,根据测站气象参数求得天顶对流层延迟改正近似值,然后依据与观测值的仰角和方位角有关的Davis映射函数获取斜路径延迟改正初值。在数据处理过程中将残余的天顶延迟模型误差作为未知参数参与平差,为顾及大气方位的不对称性对定位结果的影响,在平差过程中进一步引入大气的水平梯度参数,最后通过平差计算来获取大气延迟的参数估值,对待定参数采取分段线性的形式处理,每2 h估计一个参数,求解过程中对流层延迟的湿分量变化过程采用一阶高斯-马尔可夫过程描述,最终得出对流层天顶总延迟。

1.3 探空数据处理方法

本文使用探空秒数据来计算水汽含量。探空秒数据是由探空仪上升期间获取每秒的温度、气压、湿度等气象要素信息,其探测误差为温度±0.3 ℃、气压±200 Pa、相对湿度±5%。

探空秒数据计算大气可降水量的方法是用各秒探测的温度、气压和湿度数据积分计算。

首先利用新系数的马格努斯公式计算饱和水汽压Etd

再计算出水汽压e和比湿q

最后积分得出整层大气可降水量:

式中,t为温度;U为相对湿度;ε=0.622为经验常数;P为气压;Ps为测站地面气压;g为地球重力加速度。

2 北斗水汽探测分析 2.1 北斗与GPS系统比较分析

根据§1提到的数据处理方法,对5个GNSS基准站的观测数据进行处理,分别得出每站的大气可降水量,如图 1所示。

图 1 北斗与GPS探测的大气可降水量 Fig. 1 PWV Detected by BeiDou and GPS

典型单站的北斗、GPS探测大气可降水量变化如图 2所示。

图 2 单站北斗与GPS探测大气可降水量变化 Fig. 2 Single Station PWV Detected by BeiDou and GPS

图 2可见,北斗系统与GPS系统探测大气可降水量的结果总体较一致,但存在明显系统性差异,北斗系统测出的大气可降水量明显高于GPS系统。

计算出北斗系统与GPS系统之间的系统误差和标准偏差,见表 1

表 1 北斗与GPS的系统误差和标准偏差 Tab. 1 Systematic Errors, Standard Deviation Between BeiDou and GPS
/mm
台站系统误差标准偏差
孝感 2.3 2.8
荆州 2.4 2.0
咸宁 2.0 2.5
宜昌 3.3 2.7
恩施 2.6 2.8

表 1中可见,各站北斗系统测得大气可降水量与GPS系统均存在一个正值的系统误差,两个系统之间系统误差为2~3.3 mm,水汽含量较低时,两个系统的一致性更好。总体来看,两个系统之间的标准偏差大概在2.5 mm左右,最大不超过2.8 mm。上述结果反应出北斗系统大气可降水量的解算结果与GPS系统的一致性较好,北斗水汽探测性能与GPS接近。该系统误差可能由卫星的几何构型不同及频率差异等因素引起,随着北斗系统星座的逐步完善,利用更为密集的北斗地面基准站数据可逐步减小系统误差。

本文分别以北斗和GPS解算的大气水汽含量各自的平均值作为约定真值,计算两个系统各自的标准差,如图 3所示。

图 3 北斗与GPS各自标准差 Fig. 3 Standard Deviation of BeiDou and GPS

图 3可见,北斗系统大气可降水量的标准差较小,系统探测稳定性更好,总体上,两个系统各自的标准差比较接近,5个站相差都不超过0.5 mm。

2.2 北斗、GPS系统与探空系统比较分析

探空系统作为成熟的业务探测系统已稳定运行多年,常被用作一种独立的观测手段对新型遥感探测技术进行精度评价,作为新型遥感探测技术的检验标准。本文以探空系统作为标准,使用每天三次08时、14时、20时(部分日期为08时、20时)的探空秒数据,将北斗系统、GPS系统探测出的大气可降水量与利用恩施、宜昌与GNSS基准站同址的探空站数据的解算结果进行比较分析,见图 4

图 4 北斗、GPS及探空探测的大气可降水量 Fig. 4 PWV Detected by BeiDou,GPS and Radiosonde

可见,北斗系统、GPS系统与探空系统均有很好的一致性,能很好地反映水汽发展变化的情况,但北斗水汽探测系统性偏差更大。

表 2可看出,与探空相比,GPS的系统误差小于2 mm,BeiDou系统比GPS的系统误差明显偏大,其主要原因可能是北斗系统对卫星轨道的定轨及钟差精度不高,定轨定位模型有待进一步优化。宜昌站在这一观测时期内的北斗数据质量不是很好,导致系统误差过大,原因待查。

表 2 北斗、GPS与探空的系统误差和标准偏差 Tab. 2 Systematic Errors, Standard Deviation Between BeiDou, GPS and Radiosonde
/mm
台站 系统误差标准偏差
GPS北斗GPS北斗
宜昌 1.4 3.4 2.4 3.0
恩施 -0.3 0.9 1.8 2.1

探空系统的标准偏差方面,BeiDou系统也比GPS系统大,这可能是由于BeiDou系统卫星星座的不完善,导致在不同区域覆盖不均匀,可跟踪卫星数较少,卫星几何构型不理想,使得获取数据的稳定性不高,随着北斗系统星座的逐步完善,这方面将会有很大改善,使得北斗系统最终满足水汽探测业务要求。

3 结 语

本文利用北斗试验网的数据,对基于北斗卫星进行水汽探测的大气可降水量进行详细分析,同时利用与GNSS基准站同址的探空站数据与探空系统进行比较,综合分析北斗卫星导航系统水汽探测的性能和精度,得出以下结论。

1) 北斗系统与GPS系统及探空系统对大气可降水量的探测有较好的一致性,北斗水汽探测较好地反映了实际大气可降水量的变化情况,可应用于大气水汽探测。

2) 北斗系统解算出的大气可降水量高于GPS系统,两个系统之间存在2~3.3 mm的系统误差,水汽含量较低时,两个系统的一致性更好。

3) 北斗水汽探测与探空标准的系统误差和标准偏差还较大,定轨定位模型有待优化,系统稳定性需要进一步提高。

参考文献
[1] Bevis M, Businger S, Herring T A, et al. GPS Meteorology: Remote Sensing of Atmospheric Water Vapor Using the Global Positioning System[J]. Geophys Res, 1992, 97 ( D14): 15 787-15 801
[2] Boers R, Tregoning P, Denis O'Brien. Accuracy of Absolute Precipitable Water Vapor Estimates from GPS Observations[J]. Journal of Geophysical Research, 1998, 103(D22): 28 701-28 710
[3] Seth I. Gutman, Stanley G. Benjamin. The Role of Ground-Based GPS Meteorological Observations in Numerical Weather Prediction[J]. GPS Solutions, 2001, 4(4): 16-24
[4] Li Chengcai, Mao Jietai, Li Jianguo, et al. Global Positioning System Remote Sensing Water Vapor[J]. Science Bulletin, 1999, 44(3): 333-336(李成才,毛节泰,李建国,等.全球定位系统遥感水汽总量[J].科学通报,1999, 44(3): 333-336)
[5] Cao Yunchang, Chen Yongqi, Li Binghua, et al. Approaches to Atmospheric Water Vapor Profile Sounding by GPS[J]. Meteorological Science and Technology, 2006, 4(3): 241-245(曹云昌,陈永奇,李炳华,等.利用地基 GPS 测量大气水汽廓线的方法[J]. 气象科技,2006, 4(3): 241-245)
[6] Song Shuli, Zhu Wenyao, Ding Jincai, et al. Shanghai GPS Tomography 3D Distribution of Water Vapor to Improve Numerical Prediction of Humidity Field[J]. Science Bulletin, 2005, 50(20): 2 271-2 277(宋淑丽,朱文耀,丁金才,等.上海GPS层析水汽三维分布改善数值预报湿度场[J]. 科学通报,2005, 50(20): 2 271-2 277)
[7] Gao Weiguang, Su Mudan, Li Junzheng, et al. A Performance Evaluation of BeiDou Navigation Satellite System[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2012, 37(11): 1 352-1 355(高为广,苏牡丹,李军正,等.北斗卫星导航系统试运行服务性能评估[J]. 武汉大学学报·信息科学版,2012, 37(11): 1 352-1 355)
[8] Zhang Qinghua, Sui Lifen, Jia Xiaolin, et al. SIS Error Statistical Analysis of BeiDou Satellite Navigation System[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2014, 39(3): 271-274(张清华,隋立芬,贾小林,等.北斗卫星导航系统空间信号误差统计分析[J]. 武汉大学学报·信息科学版,2014, 39 (3): 271-274)
[9] Zhang Qiang,Zhao Qile, Zhang Hongping, et al. Evaluation on the Precision of Klobuchar Model for BeiDou Satellite Navigation System[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2014, 39(2): 142-146(张强,赵齐乐,章红平,等.北斗卫星导航系统Klobuchar模型精度评估[J]. 武汉大学学报·信息科学版,2014, 39 (2): 142-146)
[10] Liu Weiping, Hao Jinming, Li Jianwen, et al. A Method of Precise Orbit Determination of BeiDou Navigation Satellite [J]. Journal of Geomatics Science and Technology, 2013, 30(3):247-250(刘伟平,郝金明,李建文,等.一种北斗卫星精密定轨方法[J]. 测绘科学技术学报,2013, 30(3):247-250)