利用北斗卫星进行水汽探测分析-王海深

技术研究TechnologyStudy2015.10数字通信世界13利用北斗卫星进行水汽探测分析王海深1,2，曹云昌1，梁宏1（1.中国气象局气象探测中心，北京100081；2.武汉大学测绘学院，武汉430079）摘要：GNSS水汽探测通过获取卫星导航系统信号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。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、探空系统之间进行详细的比较分析，对用北斗卫星进行水汽探测给出初步分析结果，并提出当前存在的问题。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，很好的反应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，水汽含量较低时，两个系统的一致性更好；北斗系统水汽探测与探空标准的系统误差和标准偏差还较大，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doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.z2.003中图分类号：TN96文献标示码：A文章编码：1672-7274（2015）z2-0013-04Abstract:TheGNSSremotesensingwatervapordetectiongothighspatialandtemporalresolutionatmosphericwatervapordatabyacquisitionsignalofsatellitenavigationsystem,monitoringtheemergenceanddevelopmentofdisastrousweather,whichhadimportantapplicationvaluetotheweatherforecasting,climateresearchandartificialinfluenceonweather.ThispaperusedBeidouexperimentalnetworkdata,combinedwiththeradiosondeobservation,madedetailedcomparativeanalysisamongBeidou,GPSandsoundingsystem,gavethepreliminaryresultsofperformanceandaccuracyofBeidouvapordetection,andputforwardcurrentproblems.TheresultofPWVwereconsistentdetectedbyBeidou,GPSandradiosonde,whichwellreflectedthechangeregularityofPWV.PWVdetectedbyBeidouwasmorethanthatofGPS.ThetwosystemsweremoreconsistentwhenthePWVrelativelylower.ThereweresystematicerrorsandstandarddeviationbetweenthewatervapordetectionbyBeidouandradiosonde.Positioningandorbitdeterminationmodelneedtobeoptimized.Thestabilityofthesystemneedtobeimproved.Keywords:BeidouSatelliteNavigationSystem;WaterVaporDetection;TroposphricDelay;PWVWangHaishen1,2,CaoYunchang1,LiangHong1(1.MeteorologicalObservationCentreofCMA,Beijing,100081;2.SchoolofGeodesyandGeomatics,WuhanUniversity,Wuhan,430079)AnalysisonWaterVaporDetectionbyBeidouSatellite1引言全球卫星导航系统是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。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技术研究导航天地TechnologyStudyGNSSWORLD2015.1014DIGITCW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。目前，用于地基遥感水汽观测的卫星导航系统，以美国的GPS系统最为成熟，我国已广泛应用。20世纪90年代Bevis提出了GPS气象学[1]的概念，基于地基GPS的遥感水汽探测技术由此发展起来，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[2-4]，弥补了常规探空在时间和空间上的不足[5]。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。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逐步发展起来。本文基于北斗试验网的数据，给出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。2北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段完全部署后的星座有35颗卫星，轨道分布如图1所示，其中包括5颗地球静止轨道卫星（GEO）、3颗倾斜同步轨道卫星（IGSO）和27颗中圆轨道卫星（MEO）。其中，5颗GEO卫星在一个轨道，3个IGSO卫星分布在3个倾斜轨道，27颗MEO卫星分布在3个中圆地球轨道。地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。目前，北斗卫星导航系统已经具备区域导航、定位和授时能力，2020年左右，将建成覆盖全球的卫星导航系统。3数据获取与处理本文利用北斗试验网中GNSS基准站的数据，各站使用我国自主研发的GNSS接收机，可同时接收北斗和GPS定位数据，分别进行北斗系统与GPS系统的比较分析，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分析，综合分析北斗卫星导航系统水汽探测的性能和精度。北斗和GPS的水汽解算流程都是先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。对流层天顶总延迟的解算中，首先利用对流层延迟模型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映射函数获取斜路径延迟改正初值，最后通过平差计算来获取参数估值，对待定参数采取分段线性的形式处理，每2小时估计一个参数，得出对流层天顶总延迟。流体静力学延迟计算公式为32.277910(,)ssPZHDfhϕ−×=(,)10.00266cos(2)0.00028ssfhhϕϕ=−−式中，Ps为测站地面气压；hs为测站海拔高度；ϕ为纬度。根据下述大气可降水量与湿延迟的转换关系计算得出大气可降水量PWVZWD=∏⋅其中，163210vmkRkT−′∏=+式中，461.495/()vRJkgK=⋅，为水汽的气体常数；Tm为加权平均温度；2k′，3k为经验常数，3k=3.80×105K/hPa，2k′=27K/hPa。图1北斗卫星导航系统星座图技术研究TechnologyStudy2015.10数字通信世界15探空数据计算大气可降水量的方法是用各规定等压层的温度、气压和湿度数据积分计算。先用新系数的马格努斯公式计算饱和水汽压tdE：6.112exp(17.62)243.12tdtEt=⋅×+再计算出水汽压e和比湿q：100tdUEe⋅=(1)eqPeεε=−−最后积分得出整层大气可降水量：01sPPPWVqdg=∫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。4探测结果分析4.1北斗与GPS根据上文中提到的数据处理方法，对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2所示。4.2GNSS与探空探空系统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，本文以探空系统作为标准，将北斗系统、GPS系统探测出的大气可降水量与利用和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3。可见，北斗系统、GPS系统与探空系统均有很好的一致性，能很好的反应水汽发展变化的情况，但北斗水汽探测系统性偏差更大。图2北斗与GPS探测的大气可降水量可见，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。从表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，两个系台站系统误差（mm）标准偏差（MM）孝感2.32.8荆州2.42.0咸宁2.02.5宜昌3.32.7恩施2.62.8统之间系统误差为2mm～3.3mm，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2.5mm左右，最大不超过2.8mm。上述结果反应出北斗系统大气可降水量的解算结果与GPS系统一致性较好，北斗水汽探测性能与GPS接近。表1北斗与GPS的系统误差和标准偏差技术研究导航天地TechnologyStudyGNSSWORLD2015.1016DIGITCW表2北斗、GPS与探空的系统误差和标准偏差性不高，随着北斗系统星座的逐步完善，这方面将会有很大改善。5结束语本文利用北斗试验网的数据，对使用北斗卫星进行水汽探测进行了详细分析，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，得出以下结论：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，较好的反应了实际大气可降水量的变化情况，可应用于大气水汽探测。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2mm～3.3mm的系统误差，水汽含量较低时，两个系统的一致性更好。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]BevisM,BusingerS,HerringTA,etal.GPSmeteorology:remotesensingofatmosphericwatervaporusingtheglobalpositioningsystem[J],Geophys.Res.,1992,97(D14),P15787-P15801.[2]RockenC,WareR,VanHoveT,etal.Sensingatmosphericwatervaporwiththeglobalpositioningsystem[J],Geophys.Res.Lett.,1993,20(23),P2631-P2634.[3]BoersR,TregoningP,DenisO'Brien.AccuracyofabsoluteprecipitablewatervaporestimatesfromGPSobservations[J],Journalofgeophysicalresearch,1998,103(D22),P28701-P28710.[4]SethI.Gutman,StanleyG.Benjamin.TheRoleofGround-BasedGPSMeteorologicalObservationsinNumericalWeatherPrediction