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武汉大学学报（信息科学版） 2016年第8期41卷 1113-1117,1124页

作者：于胜杰万蓉付志康湖北省地理国情监测中心湖北武汉430071 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430205

全球导航卫星系统(GNSS)水汽层析反演技术是目前获取对流层水汽三维分布的重要方法。考虑到代数重构算法在迭代反演中具有节省计算机内存且计算稳定度高的优点,对代数重构算法在GNSS水汽层析中的应用进行了研究。研究结果表明,受水汽在... 详细信息

全球导航卫星系统(GNSS)水汽层析反演技术是目前获取对流层水汽三维分布的重要方法。考虑到代数重构算法在迭代反演中具有节省计算机内存且计算稳定度高的优点,对代数重构算法在GNSS水汽层析中的应用进行了研究。研究结果表明,受水汽在对流层中的分布情况的影响,传统的加法代数重构算法在实际的层析解算中,会出现较大的重构误差,而乘法代数重构算法和调整了松弛参数向量的加法代数重构算法则大大提高了层析解算的精度;代数重构算法较附加约束条件的层析解算方法更易受到观测值误差的影响,但采用乘法代数重构算法可以获得优于加法代数重构算法的结果。

关键词：全球导航卫星系统(GNSS) 代数重构算法水汽层析

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GNSS水汽层析的约束条件方程变权代数重构算法

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大地测量与地球动力学 2022年第8期42卷 857-862页

作者：王昊丁楠张文渊冯遵德江苏师范大学地理测绘与城乡规划学院江苏省徐州市221116 中国矿业大学环境与测绘学院江苏省徐州市221116

基于传统代数重构算法(algebraic reconstruction technique,ART)提出一种约束条件方程变权的代数重构算法(variable weight algebraic reconstruction technique,VWART),利用2019-08香港地区CORS网GNSS观测数据进行实验,选用京士柏探空气象站探空数据进行验证分析。结果表明,相比于传统代数重构算法,变权代数重构算法的精度、稳定性和可靠性均有所提高。以探空数据为例,其RMSE降低20.334%;在不同程度降水条件下,变权代数重构算法反演的垂直水汽廓线分布均优于传统代数重构算法。

关键词：对流层水汽层析代数重构算法 GNSS 水汽密度

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基于素数分解排序的水汽层析代数重构算法

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地理与地理信息科学 2017年第3期33卷 42-47,112页

作者：丁楠张书毕中国矿业大学环境与测绘学院江苏徐州221008

该文首先介绍了解决层析方程组病态问题的代数重构算法,并对影响该算法迭代结果的松弛因子、投影次序、停止规则进行了讨论,提出了基于素数分解排序的水汽层析代数重构算法。其次,详细陈述了该算法的3个核心内容:分组排序、素数分解排... 详细信息

该文首先介绍了解决层析方程组病态问题的代数重构算法,并对影响该算法迭代结果的松弛因子、投影次序、停止规则进行了讨论,提出了基于素数分解排序的水汽层析代数重构算法。其次,详细陈述了该算法的3个核心内容:分组排序、素数分解排序、非负约束。分组排序可提高反演结果精度;素数分解排序保证了解的无偏性;非负约束则使迭代结果符合水汽值的非零特性。最后,利用2015年8月13日UTC 0时的香港参考站的观测数据对6组实验方案进行了分析,证明了基于素数分解的投影排序对水汽层析结果具有重要影响,且通过该方法可以有效提高代数重构算法解算GNSS水汽层析方程组的精度。

关键词：水汽层析代数重构算法分组排序素数分解非负约束

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基于代数重构算法的地基GNSS水汽层析技术研究

基于代数重构算法的地基GNSS水汽层析技术研究

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作者：马朋序中国矿业大学

学位级别：硕士

大气中水汽含量较低,但是其变化十分迅速,对天气变化有较大的影响。传统的大气水汽探测方法存在时空间分辨率低、费用昂贵等问题,地基GNSS技术具有全天候、高精度、实时性等优势,成为探测大气水汽含量的重要技术手段。通过地基GNSS技术... 详细信息

大气中水汽含量较低,但是其变化十分迅速,对天气变化有较大的影响。传统的大气水汽探测方法存在时空间分辨率低、费用昂贵等问题,地基GNSS技术具有全天候、高精度、实时性等优势,成为探测大气水汽含量的重要技术手段。通过地基GNSS技术可以反演得到研究区域上方可降水量信息,即水汽二维分布状态,通过层析技术可以得到水汽密度分布状况,即水汽的三维分布状态。水汽密度三维分布状态对研究水汽变化规律具有重要意义,本文对地基GNSS水汽层析技术中的关键技术进行研究。本文主要研究内容如下:1)层析模型建立及层析方程解算方法研究。本文研究的水汽层析模型有节点模型和体素模型两种,并对层析模型建立过程中层析区域划分,层析方程组建立过程、约束方程等进行了详细的说明。本文使用的解算层析方程组的方法有代数重构算法、Kalman滤波算法,对两种解算方法原理进行了解释,并通过实验对其精度进行验证,并将地基GNSS解算可降水量与探空站实测数据进行对比,验证了地基GNSS水汽反演的精度。2)体素法水汽层析模型方程组改进。体素法方程组建立时只有信号线穿过的体素单元对应的系数不为‘0’,而每条信号线所穿过的体素单元只占所有体素单元的一小部分,导致系数矩阵为大型稀疏矩阵。本文提出一种考虑信号线穿过体素单元周围网格的方法,该方法减弱了系数矩阵稀疏性,并建立了同一高度体素单元的水汽密度之间的新的约束关系。实验证明,该方法可以提高层析精度。3)代数重构算法中投影顺序对迭代精度的影响。本文针对代数重构算法中投影顺序对迭代速度及精度的影响,提出一种基于加权距离排序的算法,通过该算法对投影顺序进行优化,通过实验证明,排序之后可以提高迭代精度及效率。该论文有图44幅,表7个,参考文献103篇。

关键词：水汽层析代数重构算法方程组改进投影顺序

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地基GPS水汽层析的投影面算法

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测绘学报 2016年第8期45卷 895-903页

作者：丁楠张书毕中国矿业大学环境与测绘学院江苏徐州221008 江苏省资源环境信息工程重点实验室江苏徐州221008

水汽层析技术在研究气候变化、极端天气预警、辅助数值天气预报等方面发挥着重要作用。常规的水汽层析技术在计算层析方程系数时,需要进行大量的求交运算。对此,本文提出了一种投影面算法,提高了运算速度和反演的精度。本文采用的试验... 详细信息

水汽层析技术在研究气候变化、极端天气预警、辅助数值天气预报等方面发挥着重要作用。常规的水汽层析技术在计算层析方程系数时,需要进行大量的求交运算。对此,本文提出了一种投影面算法,提高了运算速度和反演的精度。本文采用的试验数据是香港卫星定位参考站网(SatRef)提供的GPS信号数据,与传统算法相比,投影面算法的计算速度更快、计算量更小,不受层析区域大小影响,水汽层析的结果与探空数据具有良好的一致性。

关键词：水汽层析信号路径像素体素遍历算法代数重构算法

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加权距离排序的水汽层析算法

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测绘科学 2019年第10期44卷 109-116页

作者：马朋序丁楠张书毕中国矿业大学环境与测绘学院江苏徐州221116 中国矿业大学国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室江苏徐州221116

针对代数重构算法中投影顺序对迭代收敛速度及精度的影响,该文提出了基于加权距离排序的算法。该算法可以优化新选择的投影与先前所用的投影序列之间的角距离,同时能够使得投影分布均匀,从而减小相邻投影之间的相关性;同时对层析方程组... 详细信息

针对代数重构算法中投影顺序对迭代收敛速度及精度的影响,该文提出了基于加权距离排序的算法。该算法可以优化新选择的投影与先前所用的投影序列之间的角距离,同时能够使得投影分布均匀,从而减小相邻投影之间的相关性;同时对层析方程组按照精度高低进行分组,保证了最终解更接近于实际观测数据;并在所有的实验中使用了非负约束,使得结果符合水汽密度的非负特征。基于香港卫星定位参考站网数据的实验结果表明:加权距离排序算法能够提高代数重构算法的收敛速度与精度。

关键词：水汽层析代数重构算法分组排序加权距离

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基于代数重构技术的对流层水汽层析

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计算机应用 2011年第11期31卷 3149-3151,3156页

作者：王维王解先同济大学测量与国土信息工程系上海200092

以上海地区GPS综合应用网为研究对象,研究了代数重构技术中的代数重构算法(ART)、乘法代数重构算法(MART)和联合迭代重构算法(SIRT)的理论,以及3种算法用于对流层水汽层析解算的可行性,并采用模拟仿真的方法进行实验讨论其有效性。通过... 详细信息

以上海地区GPS综合应用网为研究对象,研究了代数重构技术中的代数重构算法(ART)、乘法代数重构算法(MART)和联合迭代重构算法(SIRT)的理论,以及3种算法用于对流层水汽层析解算的可行性,并采用模拟仿真的方法进行实验讨论其有效性。通过模拟仿真实验发现,3种重构算法能够应用于对流层水汽的三维层析,收敛较快,结果比较可靠,能够给出水汽密度的空间分布以及垂直轮廓线,同时给出了松弛因子的合理取值范围,水汽密度初值的选取方法。

关键词：层析代数重构算法乘法代数重构算法联合迭代重构算法迭代

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基于GPS的电离层层析算法及其应用研究

基于GPS的电离层层析算法及其应用研究

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作者：闻德保中国科学院测量与地球物理研究所

学位级别：博士

电离层总电子含量(Total Electron Content，简称为TEC)是监测和了解电离层时空变化规律的一个重要物理量。然而，实际研究中，用来计算电离层TEC的模型通常是一个薄层假设模型。由于常用的薄层假设模型假定电离层是一个固定在某个高度... 详细信息

电离层总电子含量(Total Electron Content，简称为TEC)是监测和了解电离层时空变化规律的一个重要物理量。然而，实际研究中，用来计算电离层TEC的模型通常是一个薄层假设模型。由于常用的薄层假设模型假定电离层是一个固定在某个高度上的薄层，因而，基于薄层假设模型获得的电离层TEC只能反映电离层的水平结构，难以反映电离层的垂直结构。\n 电离层层析成像技术是计算机层析成像技术在电离层监测中的一种新的应用。该技术通过对电离层进行分层研究，不仅克服了薄层假设电离层模型的局限性，而且特别适合于监测大尺度电离层电子密度的垂直分布及其扰动状态。基于GPS的电离层层析成像技术是近十年来发展起来的一种新的电离层探测手段，在电离层形态与扰动的监测研究方面具有重大的科学意义和应用价值。尽管近年来一些研究者已经进行了这方面的研究工作，但由于电离层层析成像问题的复杂性，还有许多问题尚需进一步深入研究。如：电离层层析中不适定问题的存在引起反演结果不唯一或不稳定性问题及其相应算法的研究，空间天气异常条件下大尺度电离层的层析响应以及电离层层析成像技术的计算机程序尚需进一步发展和完善等。\n 本文研究工作的主要目标是：系统地分析了电离层电子密度层析反演过程中不适定问题产生的原因以及常用的电离层层析反演算法存在的问题，进而提出了相应的解决办法。在前述工作的基础上，联合利用地基和空基GPS观测数据，分别反演了不同电离层活动状态下电离层电子密度的时空变化规律，初步获得了一些有意义的研究结果。概括起来，具体研究工作主要集中在以下几个方面：\n 1.提出了一种改进的代数重构算法通过系统地分析经典的代数重构算法，发现对于大尺度电离层电子密度分布图像重构，经典的代数重构算法存在迭代收敛速度慢、计算精度低的缺陷。针对该问题，提出了一种改进的代数重构算法，其核心思想是利用新算法中上一轮迭代结果自适应地调整松弛参数向量中各元素，使其达到加快迭代收敛速度和提高重构精度的目的。数值模拟实验和GPS实测数据的反演结果证实了该算法的有效性，与经典的代数重构算法相比，新方法有效地提高了迭代收敛速度和电离层电子密度反演的精度。\n 2.创新性地将选权拟合法应用到电离层电子密度层析重构中对于基于GPS的电离层层析问题，在观测数据充分且误差较小的理想情况下，利用最小二乘法能够得到比较好的反演结果。然而，由于GPS观测站分布几何条件的限制，实际用来反演电离层电子密度分布的地基和空基GPS数据通常情况下是不充足的，导致电离层电子密度反演是一个不适定问题。本文通过对重构区域内各个像素电离层电子密度之间存在的关系进行系统的分析，将欧吉坤研究员提出的选权拟合法，创新性地应用到电离层电子密度反演中，特别设计了参数权矩阵或参数约束矩阵的构造方案，增加了信息量，使得法矩阵的条件达到正常水平，有效地解决了电离层层析中的不适定问题。数值模拟实验和GPS实测数据的反演结果，验证了选权拟合法在电离层电子密度反演中的有效性和稳定性及其相对于常用的电离层层析算法的优越性。\n 3.提出了一种组合电离层层析算法系统地分析了单一电离层层析算法在电离层电子密度反演过程中存在的问题，基于此，提出了一种组合电离层层析算法。利用该方法，不仅解决了不适定问题引起的解的不唯一和不稳定的问题，而且有效地解决了迭代重构算法在初值的选择上对经验电离层模型的依赖。数值模拟实验的结果证实了组合电离层层析算法的可行性及其相对于单一重构算法的优越性。在此基础上，利用组合电离层层析算法和实测的GPS数据，反演了两种不同电离层活动状态(磁静和磁暴)下区域性电离层电子密度的时空变化，初步获得了一些有意义的结果。\n 4.首次利用我国实测的GPS资料，反演了磁暴发生期间中国区域上空电子密度的时空变化利用中国地壳运动观测网络提供的高精度双频GPS资料，研究了2003年8月18日强磁暴发生期间中国区域电离层电子密度的时空变化以及电离层扰动结构的演化过程。层析结果显示，此次磁暴发生期间，电离层结构存在强烈的扰动现象，且赤道异常结构向北扩展，另外，在不同纬度和不同高度上的电离层暴相不同。\n 5.首次利用我国实测的GPS资料，反演了磁静条件下中国区域上空电子密度的时空变化利用2003年8月15日磁静条件中国区域的GPS资料，反演了中国区域电离层电子密度在磁静条件下的时空变化规律。初步分析了赤道异常结构的周日演化、赤道异常结构倾斜变化、赤道异常核的形成、发展和消亡的过程以及电离层电子密度垂直结构的变化情况。

关键词：全球卫星定位系统总电子含量电离层层析成像代数重构算法电子密度时空变化

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基于GNSS的对流层水汽反演方法与应用研究

基于GNSS的对流层水汽反演方法与应用研究

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作者：陈曦广州大学

学位级别：硕士

对流层水汽是极端天气形成和变迁的主要驱动源,了解和掌握对流层水汽的时空变化对灾害预警具有重要意义。传统的水汽探测方法主要有:无线电探空、微波辐射计、激光雷达和卫星红外辐射计等,但传统的水汽探测手段在时间和空间上存在各自... 详细信息

对流层水汽是极端天气形成和变迁的主要驱动源,了解和掌握对流层水汽的时空变化对灾害预警具有重要意义。传统的水汽探测方法主要有:无线电探空、微波辐射计、激光雷达和卫星红外辐射计等,但传统的水汽探测手段在时间和空间上存在各自的局限性。随着全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite Systems,GNSS)的快速发展,许多国家建立了密集的连续运行跟踪观测网络(Continuously Operating Reference Stations,CORS),CORS网的建立为GNSS对流层水汽遥感提供了丰富的数据源。相较于传统的观测手段,GNSS对流层水汽遥感技术具有全天候、全天时、高精度、低成本等优势,是国内外水汽监测的重要手段之一。GNSS水汽遥感技术主要分为大气可降水量反演与水汽层析,目前二维对流层水汽反演和三维对流层水汽层析结果的精度普遍不高,无法满足水汽应用的精度要求。为提高GNSS水汽反演及层析结果的精度,本文从对流层加权平均温度(Tropospheric Weight mean temperature,Tm)、实测气象参数及层析算法改进三方面进行了研究,本文的主要研究成果如下:(1)本文利用中国区域2013-2019年的探空数据,分析了时空参数对Tm的影响,并借助于BP神经网络在非线性拟合方面的优势,构建了顾及时空参数的中国区域高精度Tm模型。该模型兼具了使用范围及精度,经探空数据检验,新构建的模型偏差(Bias)为0.24K,均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)为2.60K,优于传统模型。(2)针对对流层水汽反演精度较低的问题,本文利用基于GPT2w模型提供的气象参数与实测气象参数计算了大气可降水量(Precipitable Water Vapor,PWV),并采用探空数据对计算结果进行精度检验,检验结果表明基于实测气象参数计算的PWV精度优于采用GPT2w气象参数计算的PWV精度。(3)本文提出了融合抗差估计的迭代算法,新算法可以优化水汽层析的观测数据,进而提升对流层水汽层析反演精度。实验结果表明:(a)同一组数据,自适应联合代数重构算法(Adaptive Simultaneous Iterative Reconstruction Technique,ASIRT)层析结果优于自适应代数重构算法(Adaptive Algebraic Reconstruction Technique,AART)层析结果,其主要原因在于AART算法会被数据的先后顺序影响,进而导致层析结果质量不佳;(b)在融合抗差估计的迭代算法中,因其对层析数据进行了筛选,因此融合抗差估计的自适应迭代算法的层析结果优于自适应迭代算法层析结果,因层析结果易受射线数量、射线空间分布及层析算法的影响,因此各系统各算法的提升率有所不同。

关键词：对流层水汽层析代数重构算法对流层加权平均温度抗差估计全球导航卫星系统

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基于GNSS的对流层的水汽反演方法与应用研究

基于GNSS的对流层的水汽反演方法与应用研究

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作者：陈曦广州大学

学位级别：硕士

对流层水汽是极端天气形成和变迁的主要驱动源，了解和掌握对流层水汽的时空变化对灾害预警具有重要意义。传统的水汽探测方法主要有：无线电探空、微波辐射计、激光雷达和卫星红外辐射计等，但传统的水汽探测手段在时间和空间上存在各... 详细信息

对流层水汽是极端天气形成和变迁的主要驱动源，了解和掌握对流层水汽的时空变化对灾害预警具有重要意义。传统的水汽探测方法主要有：无线电探空、微波辐射计、激光雷达和卫星红外辐射计等，但传统的水汽探测手段在时间和空间上存在各自的局限性。随着全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite Systems， GNSS）的快速发展，许多国家建立了密集的连续运行跟踪观测网络（Continuously Operating Reference Stations, CORS）， CORS网的建立为GNSS对流层水汽遥感提供了丰富的数据源。相较于传统的观测手段，GNSS对流层水汽遥感技术具有全天候、全天时、高精度、低成本等优势，是国内外水汽监测的重要手段之一。GNSS水汽遥感技术主要分为大气可降水量反演与水汽层析，目前二维对流层水汽反演和三维对流层水汽层析结果的精度普遍不高，无法满足水汽应用的精度要求。　　为提高 GNSS 水汽反演及层析结果的精度，本文从对流层加权平均温度（Tropospheric Weight mean temperature，Tm）、实测气象参数及层析算法改进三方面进行了研究，本文的主要研究成果如下：　　（1）本文利用中国区域2013-2019年的探空数据，分析了时空参数对Tm的影响，并借助于BP神经网络在非线性拟合方面的优势，构建了顾及时空参数的中国区域高精度Tm模型。该模型兼具了使用范围及精度，经探空数据检验，新构建的模型偏差（Bias）为0.24K，均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）为2.60K，优于传统模型。　　（2）针对对流层水汽反演精度较低的问题，本文利用基于GPT2w模型提供的气象参数与实测气象参数计算了大气可降水量（Precipitable Water Vapor , PWV），并采用探空数据对计算结果进行精度检验，检验结果表明基于实测气象参数计算的PWV精度优于采用GPT2w气象参数计算的PWV精度。　　（3）本文提出了融合抗差估计的迭代算法，新算法可以优化水汽层析的观测数据，进而提升对流层水汽层析反演精度。实验结果表明：（a）同一组数据，自适应联合代数重构算法（Adaptive Simultaneous Iterative Reconstruction Technique， ASIRT）层析结果优于自适应代数重构算法（Adaptive Algebraic Reconstruction Technique，AART）层析结果，其主要原因在于AART算法会被数据的先后顺序影响，进而导致层析结果质量不佳;（b）在融合抗差估计的迭代算法中，因其对层析数据进行了筛选，因此融合抗差估计的自适应迭代算法的层析结果优于自适应迭代算法层析结果，因层析结果易受射线数量、射线空间分布及层析算法的影响，因此各系统各算法的提升率有所不同。

关键词：对流层水汽反演代数重构算法对流层加权平均温度抗差估计全球导航卫星系统

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