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基于二分法的极化相移反演降雨强度算法

陈铮 唐菲菲 胡川

陈铮, 唐菲菲, 胡川. 基于二分法的极化相移反演降雨强度算法[J]. 全球定位系统, 2024, 49(2): 106-110. doi: 10.12265/j.gnss.2023160
引用本文: 陈铮, 唐菲菲, 胡川. 基于二分法的极化相移反演降雨强度算法[J]. 全球定位系统, 2024, 49(2): 106-110. doi: 10.12265/j.gnss.2023160
CHEN Zheng, TANG Feifei, HU Chuan. Dichotomy method for inversion of rainfall intensity by polarimetric phase shift of GNSS signal[J]. GNSS World of China, 2024, 49(2): 106-110. doi: 10.12265/j.gnss.2023160
Citation: CHEN Zheng, TANG Feifei, HU Chuan. Dichotomy method for inversion of rainfall intensity by polarimetric phase shift of GNSS signal[J]. GNSS World of China, 2024, 49(2): 106-110. doi: 10.12265/j.gnss.2023160

基于二分法的极化相移反演降雨强度算法

doi: 10.12265/j.gnss.2023160
基金项目: 国家重点研发计划课题(2021YFB2600603);国家重点研发计划课题(2021YFB2600603);重庆交通大学研究生科研创新项目(2022S0086)
详细信息
    作者简介:

    陈铮:(1998—),男,硕士,研究方向为GNSS数据处理. E-mail: zhengchen_cqjtu@foxmail.com

    唐菲菲:(1980—),女,博士,副教授,研究方向为地质灾害监测预警. E-mail: tangfeifei@cqjtu.edu.cn

    胡川:(1983—),男,博士,副教授,研究方向为测量平差. E-mail: hucch@cqjtu.edu.cn

    通讯作者:

    胡 川E-mail: hucch@cqjtu.edu.cn

  • 中图分类号: P228.4

Dichotomy method for inversion of rainfall intensity by polarimetric phase shift of GNSS signal

  • 摘要: 降雨强度-极化相移模型的函数表达式较为复杂,难以导出反演降雨强度的解析式. 模拟退火法是一种反演降雨强度的有效方法,虽其能够较好地反演降雨强度,但计算耗时较长. 针对该问题,提出基于二分法的极化相移反演降雨强度算法. 首先将降雨强度反演问题转化为函数零点求解问题;然后采用二分法进行模型解算,并给出了基于二分法的降雨强度反演算法;最后通过仿真实验对新算法的效率进行了验证. 结果表明:与模拟退火算法相比,二分法能够在保证反演精度的前提下显著提升反演效率,将每次反演所需平均时间缩短约75%.

     

  • 图  1  极化相移随雨强变化图

    图  2  两种算法反演结果之差

    表  1  极化相移数据仿真相关参数、模型与算法

    名称 描述
    雨强范围 0~200 mm/h
    载波信号 GPS L1
    卫星仰角 (°)
    雨滴形状[12-13] $\displaystyle\frac{b}{a} $=1.0048+5.7×10−4D−2.628×10−2D2
    +3.682×10−3D3−1.677×10−4D4
    雨滴谱[14] N(R,D)=$ 0.198 \cdot {D^{2.93}} \cdot {{\text{e}}^{ - 5.38{R^{ - 0.186}}D}}$
    散射算法 Rayleigh散射
    雨区路径长 20 km
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    表  2  实验3反演雨强结果表

    编号 雨强 仿真极化相移 观测极化相移 模拟退火算法 二分法
    1 6.060 6 0.790 5 3.575 1 21.941 9 21.940 9
    2 14.141 4 2.144 6 0.683 0 5.361 4 5.351 2
    3 22.222 2 3.628 1 2.833 5 17.960 7 17.959 5
    4 30.303 0 5.194 4 4.676 4 27.669 5 27.669 7
    5 38.383 8 6.823 0 6.707 3 37.818 6 37.819 4
    6 46.464 6 8.501 7 7.917 6 43.677 9 43.678 2
    7 54.545 5 10.222 6 9.001 0 48.828 5 48.828 5
    8 62.626 3 11.980 1 12.752 3 66.130 0 66.129 5
    9 70.707 1 13.769 8 10.054 6 53.764 7 53.764 3
    10 78.787 9 15.588 5 12.996 4 67.231 8 67.231 6
    11 86.868 7 17.433 4 17.772 9 88.344 0 88.343 5
    12 94.949 5 19.302 2 19.073 1 93.963 7 93.963 4
    13 103.030 3 21.193 2 19.313 3 94.996 8 94.996 0
    14 111.111 1 23.104 5 21.551 7 104.552 6 104.552 2
    15 119.191 9 25.034 9 24.774 0 118.104 3 118.102 3
    16 127.272 7 26.983 1 25.762 0 122.216 4 122.218 6
    17 135.353 5 28.947 9 23.218 4 111.589 9 111.589 9
    18 143.434 3 30.928 5 27.682 5 130.157 0 130.156 9
    19 151.515 2 32.923 9 28.609 3 133.965 5 133.966 0
    20 159.596 0 34.933 3 31.223 6 144.633 1 144.632 6
    21 167.676 8 36.956 1 37.150 6 168.451 4 168.451 5
    22 175.757 6 38.991 5 41.936 8 187.368 1 187.366 3
    23 183.838 4 41.038 9 37.563 5 170.093 6 170.095 5
    24 191.919 2 43.097 8 41.289 1 184.823 0 184.809 7
    25 200.000 0 45.167 6 43.964 0 195.306 1 195.305 2
    下载: 导出CSV

    表  3  两种算法反演结果的RMSE mm/h

    算法实验1实验2实验3实验4
    模拟退火算法2.215 45.264 18.706 313.878 9
    二分法2.215 95.274 68.706 513.878 1
    下载: 导出CSV

    表  4  两种算法平均耗时

    实验模拟退火算法/s二分法/s百分比/%
    实验10.426 10.104 075.68
    实验20.428 00.100 076.53
    实验30.429 20.105 075.42
    实验40.432 80.101 076.75
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2023-08-02
  • 录用日期:  2023-08-02

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