留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于北斗三号的大气水汽探测性能初步分析

郭秋英 侯建辉 刘传友 徐铭泽 孙英君

郭秋英, 侯建辉, 刘传友, 徐铭泽, 孙英君. 基于北斗三号的大气水汽探测性能初步分析[J]. 全球定位系统, 2021, 46(1): 89-97, 111. doi: 10.12265/j.gnss.2020090802
引用本文: 郭秋英, 侯建辉, 刘传友, 徐铭泽, 孙英君. 基于北斗三号的大气水汽探测性能初步分析[J]. 全球定位系统, 2021, 46(1): 89-97, 111. doi: 10.12265/j.gnss.2020090802
GUO Qiuying, HOU Jianhui, LIU Chuanyou, XU Mingze, SUN Yingjun. Preliminary analysis of atmospheric water vapor detection performance based on BDS-3[J]. GNSS World of China, 2021, 46(1): 89-97, 111. doi: 10.12265/j.gnss.2020090802
Citation: GUO Qiuying, HOU Jianhui, LIU Chuanyou, XU Mingze, SUN Yingjun. Preliminary analysis of atmospheric water vapor detection performance based on BDS-3[J]. GNSS World of China, 2021, 46(1): 89-97, 111. doi: 10.12265/j.gnss.2020090802

基于北斗三号的大气水汽探测性能初步分析

doi: 10.12265/j.gnss.2020090802
详细信息
    作者简介:

    郭秋英:(1970—),女,博士,教授,研究方向为GNSS精密定位、GNSS在气象监测中的应用

    侯建辉:(1995—),男,硕士研究生,研究方向卫星定位导航及数据处理

    刘传友:(1997—),男,硕士研究生,研究方向为卫星定位导航及数据处理

    徐铭泽:(1997—),男,硕士研究生,研究方向为卫星定位导航及数据处理

    孙英君:(1976—),女,博士,教授,主要从事地理信息系统方面的教学及科研工作

    通信作者:

    侯建辉 E-mail:jhuihou@163.com

  • 中图分类号: P228; P412

Preliminary analysis of atmospheric water vapor detection performance based on BDS-3

  • 摘要: 对我国刚布署完成的北斗三号卫星导航系统(BDS-3)的大气水汽探测性能作初步分析可更好地发挥BDS-3的气象探测潜能. 采用全球不同位置的台站进行几种手段的对比,探测结果具有代表性和说服力. 研究结果表明:将BDS-3/PWV(大气可降水量)与GPS/PWV对比,平均偏差(BIAS)优于1.0 mm,均方根误差(RMSE)优于2.0 mm,相关系数均在94%以上;BDS-3/PWV与GPS/PWV求差取绝对值后的平均值(MEAN)为1.1 mm,比北斗二号(BDS-2)降低了71%;BDS-3/PWV与GPS/PWVRMSE为1.4 mm,比BDS-2降低了63%. 将BDS-3/PWV与ERA5/PWV对比, BIAS优于2.9 mm,RMSE优于2.8 mm,相关系数均在92%以上,BDS-3/PWV与ERA5/PWVMEAN为2.1 mm,比BDS-2降低了48%;BDS-3/PWV与ERA5/PWVRMSE为1.6 mm,比BDS-2降低了57%. BDS-3探测水汽性能明显优于BDS-2;BDS-3水汽探测结果与GPS、ERA5再分析资料有很好的一致性.

     

  • 图  1  实验选用的10个MGEX站位置分布图

    图  2  BDS-3/PWV和GPS/PWV时间序列

    图  3  BDS-3/PWV与GPS/PWV差值时间序列

    图  4  BDS-2/PWV与GPS/PWV时间序列

    图  5  BDS-3/PWV、BDS-2/PWV分别与GPS/PWV求差取绝对值后的MEANRMSE分布

    图  6  BDS-3/PWV、BDS-2/PWV与ERA5/PWVBIAS分布

    表  1  MGEX站相关信息

    MGEX站观测值类型同一时刻BDS-2、BDS-3至少可视卫星数
    CEBR C1P L1P C5P L5P C2I L2I C7I L7I C6I L6I 5、6
    CUSV C2I L2I C6I L6I C7I L7I 13、7
    GANP C5X L5X C2I C7I L2I L7I L6I C6I 8、8
    IISC C2I L2I C6I L6I C7I L7I 11、5
    KIR8 C5X L5X C2I C7I L2I L7I L6I C6I 9、10
    MAR7 C5X L5X C2I C7I L2I L7I L6I C6I 6、8
    MAS1 C1P L1P C5P L5P C2I L2I C7I L7I C6I L6I 4、6
    TONG C2I L2I C6I L6I C7I L7I 5、7
    VILL C1P L1P C5P L5P C2I L2I C7I L7I C6I L6I 6、6
    YEL2 C2I L2I C6I L6I C7I L7I 4、8
    下载: 导出CSV

    表  2  数据解算策略

    控制选项控制参数
    轨道处理策略 BASELINE
    观测值使用 LC_AUTCLN
    分析类型(迭代) 1-ITER
    天顶延迟参数 25
    高度截止角 10°
    海潮模型 otl_FES2004.grid
    对流层误差模型 Saastamoninen
    映射函数模型 GMF
    精密星历 WUM
    其 他 default
    下载: 导出CSV

    表  3  ERA5大气资料说明

    参数 取值
    数据类型 格网模型
    水平覆盖率 全球
    水平分辨率 0.25°$ \times $0.25°
    时间覆盖率 1979—至今
    时间分辨率 每小时
    文件格式 GRIB/NetCDF
    更新频率 每天
    下载: 导出CSV

    表  4  BDS-3/PWV与GPS/PWVBIASRMSEr统计

    MGEX站BIAS/mmRMSE/mmr/%
    CEBR−0.801.1898.99
    CUSV0.101.9396.49
    GANP0.110.7398.87
    IISC−0.281.8094.28
    KIR8−0.120.6599.25
    MAR7−0.260.9798.38
    MAS1−0.381.2194.31
    TONG−0.793.6996.90
    VILL−0.561.2098.44
    YEL20.060.8795.41
    下载: 导出CSV

    表  5  BDS-2/PWV与GPS/PWVBIASRMSEr统计

    MGEX站BIAS/mmRMSE/mmr/%
    CEBR −1.65 6.17 44.42
    CUSV −0.42 2.85 92.30
    GANP 0.97 2.37 88.79
    IISC 1.38 2.48 90.01
    KIR8 0.07 2.77 87.86
    MAR7 −0.04 2.31 87.96
    MAS1 0.76 3.73 57.10
    TONG 4.57 7.02 15.71
    VILL 2.59 6.22 54.95
    YEL2 1.16 2.83 76.89
    下载: 导出CSV

    表  6  BDS-3/PWV、BDS-2/PWV分别与GPS/PWVMEANRMSE统计

    MGEX站BDS-2/PWVBDS-3/PWV
    MEAN/mmRMSE/mmMEAN/mmRMSE/mm
    CEBR 5.31 6.17 0.96 1.18
    CUSV 2.13 2.85 1.41 1.93
    GANP 1.83 2.37 0.53 0.73
    IISC 1.94 2.48 1.30 1.80
    KIR8 2.02 2.77 0.49 0.65
    MAR7 2.06 2.31 0.69 0.97
    MAS1 3.14 3.73 0.92 1.21
    TONG 11.84 7.02 2.78 3.69
    VILL 4.78 6.22 1.00 1.20
    YEL2 1.96 2.83 0.66 0.87
    ALL 3.70 3.90 1.10 1.40
    下载: 导出CSV

    表  7  BDS-3/PWV、BDS-2/PWV分别与ERA5/PWVMEANRMSEr统计

    MGEX站对比方式样本量MEAN/mmRMSE/mmr/%
    CEBR BDS-3与ERA5 571 2.39 2.84 96
    BDS-2与ERA5 530 4.86 5.54 54
    CUSV BDS-3与ERA5 383 2.36 1.66 98
    BDS-2与ERA5 418 3.98 2.64 91
    GANP BDS-3与ERA5 550 2.93 2.64 92
    BDS-2与ERA5 543 4.22 3.58 75
    IISC BDS-3与ERA5 566 1.66 1.46 94
    BDS-2与ERA5 297 3.47 2.00 99
    KIR8 BDS-3与ERA5 581 2.58 1.66 93
    BDS-2与ERA5 527 4.11 2.99 56
    MAR7 BDS-3与ERA5 587 2.16 1.55 93
    BDS-2与ERA5 592 3.97 2.61 76
    MAS1 BDS-3与ERA5 574 1.45 1.39 92
    BDS-2与ERA5 488 3.99 2.96 63
    TONG BDS-3与ERA5 361 2.06 1.70 97
    BDS-2与ERA5 238 4.40 7.12 40
    VILL BDS-3与ERA5 423 2.81 1.87 98
    BDS-2与ERA5 458 4.58 4.90 66
    YEL2 BDS-3与ERA5 622 1.73 1.31 92
    BDS-2与ERA5 593 3.16 1.61 63
    ALL BDS-3_ALL 2.10 1.60
    BDS-2_ALL 4.00 3.70
    下载: 导出CSV
  • [1] DAI A G, WANG J H, WARE R H, et al. Diurnal variation in water vapor over North America and its implications for sampling errors in radiosonde humidity[J]. Journal of geophysical research atmospheres, 2002, 107(D10): ACL-11. DOI: 10.1029/2001JD000642.
    [2] 徐祥德, 陶诗言, 王继志, 等. 青藏高原—季风水汽输送“大三角扇型”影响域特征与中国区域旱涝异常的关系[J]. 气象学报, 2002(3): 257-266.
    [3] BEVIS M, BUSINGER S, HERRING T A, et al. GPS meteorology: remote sensing of atmospheric water vapor using the global positioning system[J]. Journal of geophysical research atmospheres, 1992, 97(D14): 15787-15807. DOI: 10.1029/92JD01517.
    [4] ROCKEN C, WARE R, VAN HOVE T, et al. Sensing atmospheric water vapor with the global positioning system[J]. Geophysical research letters, 1993, 20(23): 2631-2634. DOI: 10.1029/93GL02935.
    [5] BRAUN O, ROCKEN C, WARE R. Validation of line-of-sight water vapor measurements with GPS[J]. Radio science, 2001, 36(3): 459-472. DOI: 10.1029/2000RS002353.
    [6] RAJA M K R V, GUTMAN S I, MCMILLIN J G, et al. The validation of AIRS retrievals of integrated precipitable water vapor using measurements from a network of ground-based gps receivers over the contiguous united states[J]. Journal of atmospheric and oceanic technology, 2008, 25(3): 416-428. DOI: 10.1175/2007JTECHA889.1.
    [7] LEE S W, KOUBA J, SCHUTZ B, et al. Monitoring precipitable water vapor in real-time using global navigation satellite systems[J]. Journal of geodesy, 2013, 87(10): 923-934. DOI: 10.1007/s00190-013-0655-y.
    [8] 施闯, 王海深, 曹云昌, 等. 基于北斗卫星的水汽探测性能分析[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 2016, 41(3): 285-289.
    [9] EMARDSON T R, ELGERED G, JOHANSSON J M. Three months of continuous monitoring of atmospheric water vapor with a network of global positioning system receivers[J]. Journal of geophysical research, 1998, 103(D2): 1807-1820. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/97JD03015.
    [10] BOCK O, FLAMANT C, RICHARD E, et al. Validation of precipitable water from ECMWF model analyses with GPS and radiosonde data during the MAP SOP[J]. Quarterly journal of the royal meteorological society, 2005, 131(612): 3013-3036. DOI: 10.1256/qj.05.27.
    [11] 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): 1352-1355.
    [12] 张强, 赵齐乐, 章红平, 等. 北斗卫星导航系统Klobucha模型精度评估[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 2014, 39(2): 142-146.
    [13] 肖乐杰, 孙付平, 李亚萍, 等. IGSO/GEO卫星对北斗系统导航性能的贡献分析[J]. 全球定位系统, 2016, 41(3): 16-20.
    [14] 马下平, 鲁尚强, 李秦政, 等. 北斗卫星导航系统的空间信号精度评估[J]. 测绘科学, 2019, 44(1): 90-97.
    [15] 王敬平, 姜鑫, 褚少鹤, 等. 北斗卫星导航系统定位精度研究[J]. 软件, 2019, 40(10): 152-154. DOI: 10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.034
    [16] 魏钢, 高皓, 项宇. 北斗二号与北斗三号定位精度对比分析[J]. 导航定位学报, 2020, 8(2): 8-11. DOI: 10.3969/j.issn.2095-4999.2020.02.002
    [17] HÉROUX P , KOUBA J. GPS precise point positioning using IGS orbit products[J]. Physics and chemismistry of the earth, part A: solid earth and geodesy, 2001, 26 (6-8): 573-578. DOI: 10.1016/S1464-1895(01)00103-X.
    [18] SAASTAMOINEN J. Contributions to the theory of atmospheric refraction[J]. Bullet in geodesique, 1972, 105(1): 279-298. DOI: 10.1007/BF02521844.
    [19] HOPFIELD H S. Tropospheric effect on electromagnetically measured range: prediction from surface weather data[J]. Radio science, 1971, 6(3): 357-367. DOI: 10.1029/RS006i003p00357.
    [20] Copernicus Climate Change Service (C3S) (2017): ERA5: Fifth generation of ECMWF atmospheric reanalyses of the global climate[DS/OL]. [2020-06-07]. Copernicus Climate Change Service Climate Data Store (CDS), date of access. https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/home.
    [21] 吴仁攀, 曾琪, 虞顺. BDS-3数据质量评估及定位性能分析[C]//第十届中国卫星导航年会论文集-SOS空间基准与精密定位. 中科北斗汇(北京)科技有限公司会议论文集, 2019: 1-5.
    [22] 程军龙, 王旺, 马立烨, 等. 北斗三号观测数据质量及定位精度初步评估[J]. 测绘通报, 2019(8): 1-7.
  • 加载中
图(6) / 表(7)
计量
  • 文章访问数:  403
  • HTML全文浏览量:  401
  • PDF下载量:  34
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-09-08
  • 网络出版日期:  2021-04-06
  • 刊出日期:  2021-02-15

目录

    /

    返回文章
    返回