基于北斗卫星的水汽探测性能分析_施闯

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。
收 稿 日 期 ：２０１５－０７－１０ 项目资助：中国第二代卫星导航系统重大专项基金；国家自然科学基金（４１２７４０４９ ）；国家杰出青年科学基金（４１３２５０１５）。 第 一 作 者 ：施 闯 ，博 士 ，教 授 ，主 要 从 事 空 间 大 地 测 量 与 地 球 动 力 学 研 究 。ｓｈｉ＠ｗｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 通 讯 作 者 ：王 海 深 ，博 士 ，高 级 工 程 师 。ｗｈｓｂ５２０＠１６３．ｃｏｍ
ｑ
＝
Ｐ
－
εｅ （１－ε）ｅ
最后积分得出整层大气可降水量：
∫ ＰＷＶ
＝
１ ｇ
Ｐｓ
ｑｄＰ
０
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
２０ 世 纪 ９０ 年 代，Ｂｅｖｉｓ 提 出 了 ＧＰＳ 气 象 学 的 ［１］ 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 ［４－６］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。
表１ 北斗与 ＧＰＳ的系统误差和标准偏差／ｍｍ Ｔａｂ．１ Ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ Ｅｒｒｏｒｓ，Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｄｅｖｉａｔｉｏｎ
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 ＧＬＯ－
ＮＡＳＳ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 。 ［７－９］ 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。
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武汉大学学报·信息科学版
２０１６ 年 ３ 月
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
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。
第４１卷 第３期 ２０１６ 年 ３ 月
武汉大学学报·信息科学版 Ｇｅｏｍａｔｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ｏｆ Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｖｏｌ．４１ Ｎｏ．３ Ｍａｒｃｈ ２０１６
ＤＯＩ：１０．１３２０３／Fra bibliotek．ｗｈｕｇｉｓ２０１４０９４４
文 章 编 号 ：１６７１－８８６０（２０１６）０３－０２８５－０５
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 ：
Ｅｔｄ ＝６．１１２×ｅｘｐ（１７．６２×ｔ＋２ｔ４３．１２）
再 计 算 出 水 汽 压ｅ 和 比 湿ｑ：
ｅ
＝
Ｕ ·Ｅｔｄ １００
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
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。
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。 由图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 。
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２～３．３ｍｍ 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 中 图 法 分 类 号 ：Ｐ２２８．４１ 文 献 标 志 码 ：Ａ
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１０ｃｍ 的水平 。 ［１０］
图３ 北斗与 ＧＰＳ各自标准差 Ｆｉｇ．３ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｏｆ ＢｅｉＤｏｕ ａｎｄ ＧＰＳ
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
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。
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