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基于多系统的GNSS三维水汽层析质量评价方法

高枫林 丁楠 张克非 张书毕 张文渊 闫香蓉

高枫林, 丁楠, 张克非, 张书毕, 张文渊, 闫香蓉. 基于多系统的GNSS三维水汽层析质量评价方法[J]. 全球定位系统, 2024, 49(3): 107-114. doi: 10.12265/j.gnss.2024004
引用本文: 高枫林, 丁楠, 张克非, 张书毕, 张文渊, 闫香蓉. 基于多系统的GNSS三维水汽层析质量评价方法[J]. 全球定位系统, 2024, 49(3): 107-114. doi: 10.12265/j.gnss.2024004
GAO Fenglin, DING Nan, ZHANG Kefei, ZHANG Shubi, ZHANG Wenyuan, YAN Xiangrong. A quality evaluation method of 3D water vapor tomography based on multi-GNSS observations[J]. GNSS World of China, 2024, 49(3): 107-114. doi: 10.12265/j.gnss.2024004
Citation: GAO Fenglin, DING Nan, ZHANG Kefei, ZHANG Shubi, ZHANG Wenyuan, YAN Xiangrong. A quality evaluation method of 3D water vapor tomography based on multi-GNSS observations[J]. GNSS World of China, 2024, 49(3): 107-114. doi: 10.12265/j.gnss.2024004

基于多系统的GNSS三维水汽层析质量评价方法

doi: 10.12265/j.gnss.2024004
基金项目: 国家自然科学基金项目(41730109;41904013)
详细信息
    作者简介:

    高枫林:(2000—),女,硕士研究生,主要研究方向为GNSS气象学. E-mail:2020221538@jsnu.edu.cn

    丁楠:(1989—),男,副教授,博士,主要研究方向为GNSS气象学. E-mail:metdingnan@163.com

    张克非:(1964—),男,教授,博士,研究方向为GNSS大气遥感、太空资源探测与利用、智慧农业大数据平台、空间环境管理. E-mail:profkzhang@cumt.edu.cn

    张书毕:(1965—),男,教授,博士,主要研究方向为区域变形监测、GNSS精密单点定位、GNSS气象学. E-mail:1336072804@qq.com

    张文渊:(1996—),男,教授,博士,主要研究方向为GNSS水汽层析. E-mail:zhangwy@cumt.edu.cn

    闫香蓉:(1999—),女,硕士研究生,主要研究方向为GNSS气象学. E-mail:xr_1229@163.com

    通信作者:

    丁 楠E-mail : metdingnan@163.com

  • 中图分类号: P228.4

A quality evaluation method of 3D water vapor tomography based on multi-GNSS observations

  • 摘要: 本文基于提出的水汽层析廓线评价指标(tomographic profic fit score,TPFS),首次对GPS、北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)、GLONASS和Galileo 4个系统的水汽层析结果进行了精度评估. 结果表明:各GNSS水汽层析解算结果差异较小,最大均方根误差(root-mean-square error,RMSE)差距在11%之内,其中BDS水汽层析表现最好,GLONASS水汽层析表现最差. 相较于GPS、GLONASS、Galileo,BDS在低层区域(2406 m以下)具有更好的层析解算优势. 尤其在底层,BDS与GPS、GLONASS、Galileo的RMSE相比分别改进了3.2%、16.2%、5.2%. 此外,在层析水汽廓线TPFS对比中,BDS平均TPFS最小;在暴雨天气下BDS水汽廓线TPFS最低,相较于GPS、GLONASS、Galileo改进了25.2%、31.5%、32.8%.

     

  • 图  1  基于体素块参数化的GNSS层析模型图

    图  2  香港区域参考站和探空站位置分布图

    图  3  10 min窗口穿过层析区域的GPS/BDS/GLONASS/Galileo斜路径湿延迟

    图  4  各GNSS层析结果MAE和RMSE时间序列对比图

    图  5  各GNSS在不同高度层与探空数据对比的平均RMSE

    图  6  各GNSS层析水汽廓线TPFS时间序列对比图

    图  7  不同天气情况下各GNSS层析水汽廓线与探空水汽密度对比图

    表  1  各GNSS系统平均信号数量与穿过体素块的平均覆盖率

    系统 平均信号数量 平均覆盖率/%
    GPS 211 71.6
    BDS 156 61.2
    GLONASS 116 64.8
    Galileo 159 66.0
    下载: 导出CSV

    表  2  各GNSS层析结果与探空数据对比的平均RMSE和平均MAE g·m−3

    系统 RMSE MAE
    GPS 2.316 1.574
    BDS 2.271 1.565
    GLONASS 2.517 1.699
    Galileo 2.331 1.590
    下载: 导出CSV

    表  3  各GNSS系统层析水汽廓线平均TPFS g·m−3

    项目 GPS BDS GLONASS Galileo
    TPFS 5.878 5.612 6.436 5.854
    下载: 导出CSV
  • [1] 高志钰, 李建章, 刘彦军, 等. 利用BDS数据反演大气可降水量及其精度分析[J]. 测绘通报, 2019(5): 35-38,47.
    [2] 郑志卿, 张克非, 李龙江, 等. 基于MGEX站多系统GNSS反演大气可降水量精度评估[J]. 全球定位系统, 2022, 47(5): 100-110. DOI: 10.12265/j.gnss.2022119
    [3] WU Z L, LU C X, HAN X J, et al. Real-time shipborne multi-GNSS atmospheric water vapor retrieval over the South China Sea[J]. GPS solutions, 2023, 27(4): 179. DOI: 10.1007/s10291-023-01519-0
    [4] 张克非, 李浩博, 王晓明, 等. 地基GNSS大气水汽探测遥感研究进展和展望[J]. 测绘学报, 2022, 51(7): 1172-1191.
    [5] CRESPI M G, LUZIETTI L, MARZARIO M. Investigation in GNSS ground-based tropospheric tomography: benefits and perspectives of combined Galileo, Glonass and GPS constellations[J/OL]. (2023-11-20)[2024-01-09]. Geophysical research abstracts, 2008. https://meetings.copernicus.org/www.cosis.net/abstracts/EGU2008/03643/EGU2008-A-03643.pdf
    [6] 夏朋飞, 叶世榕, 江鹏. GPS/GLONASS组合精密单点定位技术在三维水汽层析中的应用[J]. 大地测量与地球动力学, 2015, 35(1): 72-76.
    [7] 侯建辉. 地基Beidou/GPS大气水汽反演及其应用研究[D]. 济南: 山东建筑大学, 2021.
    [8] WANG X Y, WANG X L, DAI Z Q, et al. Tropospheric wet refractivity tomography based on the BeiDou satellite system[J]. Advances in atmospheric sciences, 2014(31): 355-362. DOI: 10.1007/s00376-013-2311-0
    [9] ZHAO Q Z, YAO Y B, CAO X Y, et al. Accuracy and reliability of tropospheric wet refractivity tomography with GPS, BDS, and GLONASS observations[J]. Advances in space research, 2019, 63(9): 2836-2847. DOI: 10.1016/j.asr.2018.01.021
    [10] 丁楠. 地基GNSS水汽层析关键技术研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2018.
    [11] ROHM W. The ground GNSS tomography – unconstrained approach[J]. Advances in space research, 2013, 51(3): 501-513. DOI: 10.1016/j.asr.2012.09.021
    [12] 宋淑丽, 朱文耀, 丁金才, 等. 上海GPS网层析水汽三维分布改善数值预报湿度场[J]. 科学通报, 2005, 50(2): 2271-2277. DOI: 10.1360/csb2005-50-20-2271
    [13] 王昊, 丁楠, 张文渊, 等. GNSS水汽层析的自适应非均匀指数分层方法[J]. 测绘学报, 2022, 51(3): 327-339. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20210126
    [14] GOLUB G H, REINSCH C. Singular value decomposition and least squares solutions[J]. Numerische mathematik, 1970, 14(5): 403-420. DOI: 10.1007/BF02163027
    [15] KALMAN R E. A new approach to linear filtering and prediction problems[J]. Journal of basic engineering. 1960, 82(1): 35-45. DOI: 10.1115/1.3662552
    [16] GORDON R, BENDER R, HERMAN G T. Algebraic reconstruction techniques (ART) for three-dimensional electron microscopy and x-ray photography[J]. Journal of theoretical biology, 1970, 29(3): 471-476. DOI: 10.1016/0022-5193(70)90109-8
    [17] 何林, 柳林涛, 苏晓庆, 等. 水汽层析代数重构算法[J]. 测绘学报, 2015, 44(1): 32-38.
    [18] 于胜杰, 万蓉, 付志康. 代数重构算法在GNSS水汽层析解算中的应用[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 2016, 41(8): 1113-1117,1124.
    [19] 张文渊, 张书毕, 左都美, 等. GNSS水汽层析的自适应代数重构算法[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 2021, 46(9): 1318-1327.
    [20] 王维, 王解先. 基于代数重构技术的对流层水汽层析[J]. 计算机应用, 2011, 31(11): 3149-3151.
    [21] 李超, 魏合理, 王珍珠, 等. 合肥地区大气水汽标高变化特征的统计研究[J]. 大气与环境光学学报, 2008(2): 115-120.
    [22] 闫香蓉, 杨维芳, 李得宴, 等. 基于水汽垂直指数分布特征的PWV快速层析方法[J]. 全球定位系统, 2024, 49(2):61-68 . DOI: 10.12265/j.gnss.2023164
    [23] ZHAO Q Z, ZHANG K F , YAO W Q. Influence of station density and multi-constellation GNSS observations on troposphere tomography[J]. Annales geophysicae, 2019, 37(1): 15-24. DOI: 10.5194/angeo-37-15-2019
    [24] YANG F, SUN Y L, MENG X L, et al. Assessment of tomographic window and sampling rate effects on GNSS water vapor tomography[J]. Satellite navigation, 2023, 4(1): 7. DOI: 10.1186/s43020-023-00096-4
    [25] 李敏姣, 张雪芹, 解承莹. 青藏高原上对流层水汽“典型异常年”成因分析[J]. 高原气象, 2014, 33(5): 1197-1203. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2013.00111
    [26] 刘晶, 周玉淑, 杨莲梅, 等. 伊犁河谷一次极端强降水事件水汽特征分析[J]. 大气科学, 2019, 43(5): 959-974.
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  • 收稿日期:  2024-01-09
  • 网络出版日期:  2024-04-25

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