郭鹏[1]2005年在《无线电掩星技术与CHAMP掩星资料反演》文中研究表明无线电掩星技术能提供高精度、高垂直分辨率、全球覆盖的地球电离层和中性层大气剖面。它具有全天候、低费用、无系统长期漂移等优点。1995年4月至1997年3月,首次GPS/MET试验的MicroLab1实验卫星显示了GPS掩星技术对监测全球大气具有潜在的作用。 本论文介绍了无线电掩星技术的历史、最新进展和基本原理,并围绕无线电掩星技术展开各方面的研究和讨论,主要研究内容如下: 1.介绍国际上已经实施和在研的GPS掩星计划的现状及取得的进展,对整个掩星系统以及数据处理系统做了深入的调研工作,积极推进我国掩星计划的开展。 2.结合JPL和GFZ的中性大气标准反演算法,独立发展了上海天文台中性大气掩星标准反演算法流程。对CHAMP观测资料进行中性大气反演,并将反演结果与欧洲中尺度天气预报分析(ECMWF)资料进行比较和统计分析,讨论了CHAMP掩星数据的质量,以及分析了CHAMP掩星数据的观测误差和ECMWF的分析模型误差。提出了一种优化的统计分析方法,它能更客观地反映GPS掩星技术的外部符合。统计分析结果表明GPS掩星数据将有可能成为数值天气预报和长期监测地球气候的非常有价值的数据资料。 3.在当前采用的一维变分同化反演技术中,可以用掩星观测资料的大气折射率或弯曲角剖面进行同化,来反演大气水汽和温度剖面以及海平面压强。以欧洲中尺度天气预报分析(ECMWF)资料为背景场,CHAMP掩星观测得到的折射率剖面为观测值,采用Levenberg-Marquardt方法实行GPS掩星资料一维变分同化。在讨论中,用掩星观测点附近相应的探空气球资料来检验CHAMP掩星资料变分同化的结果。 4.分别在单路径和多路径条件下,模拟无线电信号在中性大气层中的传播正演过程。模拟仿真对掩星试验中的大气多路径、超折射以及反演过程中存在的问题等等的研究具有指导意义。 5.在非圆轨道GPS和LEO卫星条件下,给出一种较为直接的GPS/LEO掩星反演地球大气参数技术中弯曲角序列的迭代算法,并在理论上对该迭代法的收敛性进行了严格的数学证明。利用GPS掩星反演模拟程序,定量估算了卫星圆轨道假设对GPS/LEO掩星反演地球大气参数的影响,并验证了在非圆轨道条件下各种迭代法的一致性。 6.在GPS/LEO无线电掩星反演地球大气技术中,Abel积分是反演地球大气折射指数的最常用的方法。根据Abel积分存在积分奇点的问题,本文讨论了解决奇异积分的几种不同的积分方法,提出了一种直接求Abel积分变换的解析解。通过数值积分模拟计算,对比了各种不同积分方法引入了的计算误差,
黄栋, 黄城, 李金岭, 严豪健, 虞南华[2]1997年在《GPS无线电掩星技术监测地球大气》文中研究表明GPS无线电掩星技术是从行星掩星(飞行器)探测行星大气[1~3]的遥感技术发展而来的。1995年4月3日小型卫星MicroLab1的发射升空,标志着以GPS无线电掩星建议为基础GPS/MET计划纳入了正式实验阶段。实验结果证实了GPS无线电掩星技术在探测地球大气方面潜在的科学价值与实用意义。简要系统地介绍了利用GPS无线电掩星技术监测地球大气折射率、温度、气压和水蒸汽丰度等物理参量廓线分布的基本原理、主要误差源和空间分辨率,以及数字模拟结果和初步实验结果,并分析了GPS无线电掩星技术在监测全球气候变化和提高数值天气预报精度等方面的潜在贡献。
蒋虎, 王小亚, 余金培, 龚文斌[3]2008年在《GPS无线电掩星技术监测地球大气关键技术》文中研究说明介绍了国内外GPS无线电掩星技术研究进展。针对国内无线电掩星研究现状,从工程化角度出发,分析了国内实施该技术可能面临的多方面制约因素,包括:GPS接收机;星上存储介质和高速数据传输;星载接收机精密定轨;数据同化;星座卫星组网等。
黄栋[4]1999年在《GPS无线电掩星技术监测地球大气》文中研究表明GPS全称全球定位导航系统,它能提供高精度、高效率的大地测量和地球动力学服务,并且很可能成为今后发射的地球低轨卫星的主要定轨工具之一。90年代以前,GPS技术在其应用领域的数据处理过程中,一般是将大气的影响作为噪声予以改正和消除。随着GPS应用和测量精度的提高,大气的传播改正已成为可探测的有用信号,并由此而形成了一门新兴的由卫星动力学、大地测量学和气象学交叉派生出来的学科-GPS气象学。它的两大分支是地面GPS技术和星载GPS无线电掩星技术。 为地球科学服务的星载GPS技术用GPS系统对低轨卫星进行精密定轨,它在大地测量、气候学、气候模型和电离层成图方面已经取得了很好的研究成果。而无线电掩星技术是源于60年代起始的探测太阳系行星大气层和电离层的技术。我们在本文所探讨的星载GPS无线电掩星技术是上述两种技术的结合。星载GPS无线电掩星技术能提供掩星点(其对应的地面位置称为地面测点)上空大气的温度、压力和水汽的剖面分布,相对于传统的大气测量技术,例如无线电探空气球,它具有垂直分辨率高、全球分布均匀和费用低等优点。1995年4月3日,美国小型卫星Microlabl被发射到距地面750km高和70°倾角的轨道上,用以进行GPS气象学研究。这次实验被称为GPS/MET计划。 在本文中,首先对星载GPS卫星精密定轨的动力学模型、测量模型及资料处理过程作了理论分析。然后,详细讨论使用掩星资料反演大气参数廓线分布的理论和方法,并得到了计算实例。 实现掩星事件的地面测点在地球表面上某个区域内每隔一定时间重复无疑对GPS无线电掩星技术在气象和大气的研究上有很大的好处。本文提出一种用低轨通约卫星的方法来控制地面测点的设想。模拟地球低轨道(LEO)卫星的结果表明:这种方法可以使掩星事件的地面测点在60-200天左右内,漂移小于100公里。. OPS掩N拙术敝测地球大气 卜. 小义们“先对显敝0陀卫贝*,Y密定轨进行了J’DI论分析,上业工作 有: 选择适当的动力学棋型;..选择适当的测量模型; 确定待估参数和资料处理过程; 星载GPS卫星精密定轨软件的初步编制;@对使用掩星资料反演大气参数廓线分布部分做了以下工作: 由掩星资料反演地球大气参数计算方法和完整计算公式的确 定; 综台其他研究者的工作,对掩星资料反演地球大气参数方法的.、__、___.t。___、._。__,_,_,_,。l_一 误差源和分辨率等关键问题作了仔细分析; 反演计算方祛软件的编制; 计算了地球大气参数反演实例,并对此作了分析和讨论。. 为监测区域地球大气,设计了LE O卫星轨道,其内容包括: 提出了设计LEO卫星以实现监测区域地球大气的设想,并得到了_国外同行的认可;@——·。。、.、。、v、 对GPS和LEO卫星的轨道特征以及由它们确定的掩星事件对应的 地面测点的分布规律作了仔细分析,得到设计通约地球低轨卫星 可以控制掩星事件的地面测点的结论;@.从理论上分析并设计完整的LEO卫星轨道搜索过程; 设计了在考虑主要摄动因素以后的掩星事件地面测点计算方 法,用以检验最终的LEO卫星设计结果;@·LEO卫星设计方法完整程序的编制; 计算了一些设计实例,得到了使用我们的方法可以使掩星事件 的地面测点在 60—200天左右内,漂移小于 100公里的结论。其中的 一个实例可以做到掩星事件的地面测点维持在上海地区附近(范.__。__-。__一、______’围是 100krnXI 00kin)220天左右。... OPS地*仪术洲测地球大气V. 今后有待于进一步研究的工作包括: 建立完整的星载GPS定轨软件,完成后将能实现多星同时定轨,@并且对GPS资料、激光资料等多种数据实现联合处理; 完善掩星资料反演地球大气参数的求解方法和误差分析方法, 并将掩星反演大气参数结果与天气预报及气候模型结台,以增进@数值天气预报能力; 设计监测中国主要城市和灾害多发地区的LEO卫星星座,另外, 对LEO卫星定期的姿态调准进行研究,以增加它的使用寿命; 目前的GPS卫星轨道对于我们为监测区域地球大气为目的轨道设@计要求并不是最佳的,因而成为我们进一步提高LEO卫星轨道设 计效果的一大限制。如果建立专门为掩星技术服务的G
蒋虎[5]2002年在《GPS无线电掩星技术反演地球大气参数中若干问题的研究》文中指出GPS无线电掩星反演地球大气参数方法是上世纪八十年代末提出的一种具有挑战性的理论。在目前的地球大气监测手段中,它具有诸多优势,如全天候观测、高垂直分辨率、全球覆盖性、高性能价格比等等,因而有着独特的地位。目前国际上已经有多个国家为实施该方法发射了多颗小卫星。目前该理论在其应用过程中不断地得到发展和完善。我们试图通过该项研究初步掌握该技术的特点及其实施技巧,以便为将来国内实施GPS无线电掩星技术反演地球大气参数项目时提供某种程度上的理论研究支持。 对GPS无线电掩星技术反演地球大气参数方法中的若干问题进行了较为全面的分析和研究。1)给出GPS无线电掩星反演地球大气参数过程中计算大气折射角的解析表达式。以圆轨道假设下的大气折射角计算值为先验约束,采用迭代法对不引入圆轨道假设情况的大气折射角进行归算,在此基础,利用反演方法得到了引入和不引入圆轨道假定两种情况下大气参数(气压和温度)的差分序列。结果表明: 卫星圆轨道假设对GPS 无线电掩星反演大气参数的影响,在气压方面为1mbar左右,而在气温方面为10K左右。这一结果支持了目前无线电掩星定性误差估计研究中通常引入卫星圆轨道假设这个近似处理方法的合理性;同时也表明:若在高精度反演地球大气参数时,摒弃圆轨道假定是必要的.2)探讨了空基无线电掩星技术应用于反演地球大气参数方法,并将该方 法编制成资料处理软件;对实测资料进行处理和分析后,给出了地球大气参数反演结果。发现:指数函数外推法引入数据处理后大大改进了大气温度的归算结果,而对气压归算的影响却很小。3)对MSISE90模型进行了简要的介绍,并指出Hedin本人在该模型问世后<WP=10>对它的一些修正、改进之处。基于修正后的MSISE90大气密度模型,生成了一个可供GPS无线电掩星反演地球大气参数时使用的先验温度序列。4)GPS掩星监测大气方法中需要载有GPS接收机的卫星的精密定轨信息,而该卫星的轨道误差对GPS掩星监测大气的影响进行分析是十分必要的。基于地球大气模式CIRA86,我们采用了三维射线跟踪方法模拟了5次完整的GPS掩星事件,估计了LEO卫星的轨道误差对GPS掩星测量中关键参数的影响。5)利用GPS/MET实验中5组GPS和LEO卫星的实际轨道,分别模拟了无LEO卫星轨道误差和有轨道误差情况下的GPS信号在电离层中的传播,并生成了对应的电离层延迟量。就掩星观测中电离层延迟对LEO卫星轨道误差的响应程度进行了估计和分析。初步结果显示:在掩星观测中,相对于同样大小的横向T和法向N的轨道误差而言,径向轨道误差对掩星监测大气的影响是最为显著的。 6)对无线电信号在电离层中的传播路径进行了数值模拟;针对掩星观测中的五组实际卫星轨道数据(包括GPS和LEO卫星),给出了在太阳射电辐射流量(FLUX)分别为0,70,160和240等几种情况下的电离层延迟量对10.7cm波长的太阳辐射流量的响应结果;这分别对应着无太阳辐射、太阳射电辐射处于活动低谷、平静期和高峰期等几种情形。从中可以发现,掩星观测中电离层延迟量对10.7cm波长的太阳射电辐射流量的响应表现为如下特性:电离层延迟同参数FLUX的大小有明显的对应关系,即FLUX越大,则掩星观测中的电离层延迟越大;对于上升掩星情况而言,掩星观测中电离层延迟量起先逐渐增加,然后达到某一峰值,其后逐渐下降;在掩星观测的初期和中期,太阳射电辐射处于活动低谷、平静期和高峰期等几种情形之间的电离层延迟量差异都较为显著,而在掩星观测的后期,几种情形相互间电离层延迟量的差异都比较小。7) 对应用于局部地区大气监测的LEO卫星轨道设计中的力学模型进行了精化,并给出了重新设计结果。
蒋虎, 龚文斌, 余金培, 张锐[6]2006年在《GPS无线电掩星技术监测地球大气》文中提出介绍了国外、国内GPS无线电掩星技术研究进展。针对国内无线电掩星研究现状,从工程化角度出发,分析了国内实施该技术可能面临的多方面制约因素:包括: GPS接收机;星上存储介质和高速数据传输;星栽接收机精密定轨;数据同化;星座卫星组网等。
岳迎春, 胡友健, 赵雪莲[7]2007年在《利用GPS无线电掩星技术探测大气的探讨》文中研究表明介绍了GPS无线电掩星技术探测大气的原理,分析了GPS无线电掩星技术在监测全球气候变化和提高数值天气预报精度等方面的潜在贡献,最后对其应用前景进行了展望。
李娜[8]2008年在《GPS掩星技术的应用研究》文中提出GPS无线电掩星(Radio Occultation,以下简称GPS RO)技术是近年来一种新的遥感技术,它的主要应用范围涉及气候研究和大气条件研究。GPS RO技术具有长期的稳定性,能提供高精度、高分辨率、全球覆盖的地球电离层和中性大气廓线图。这些重要的特性使得GPS RO技术在地球观测卫星任务中起着重要的作用。意大利建造的大气研究有效载荷ROSA(Radio Occultation Sounder of theAtmosphere,无线电隐蔽探测器)将作为印度太空研究组织(ISRO)Oceansat-2卫星任务的一部分,于2008年底搭乘PSLV发射。印度和意大利地面站将会下载ROSA接收到的原始数据。ROSA原始数据将由被叫做ROSA-ROSSA(ROSA-Research and Operational Satellite and Software Activities)的软件进行处理。在意大利航天局和Mario Boella高等研究院的合同下,ROSA-ROSSA软件开发将由意大利大学和研究中心共同完成。ROSA-ROSSA软件由一系列的数据产生模块组成,它将ROSA接收到的数据转化为大气折射率廓线图和温度,湿度和电子密度分布,从而为研究气候和大气条件提供依据。本文主要工作是开发了一个软件,此软件用来验证ROSA-ROSSA数据产生模块,并描述了得到的初步结果。本论文主要做了2个方面的验证:将ROSA-ROSSA产品与相应的其他无线电掩星软件产品(特别是CDAAC软件,用来处理COSMIC/FORMOSAT观测数据)进行比较;将ROSA-ROSSA产品同欧洲中心中期天气预报(ECMWF)提供的气象分析做比较。论文第一章阐述了GPS无线电掩星(GPS RO)技术。第二章描述无线电掩星技术以及与之相关的卫星。描述了CHAMP(Challenging Mini-Satellite Payload,用于地球科学和大气研究)德国小卫星,COSMIC(Constellation Observing Systemfor Meteorology,Ionosphere,and Climate,台湾NSPO和美国UCAR合作的进行全球大气即时观测)卫星群,印度OCEANSAT-2卫星和ROSA有效载荷。在第3章具体分析了由意大利大学和研究中心开发的ROSA-ROSSA软件,并描述了用来验证ROSA-ROSSA软件所用的数据。第4章实现了验证软件(DG_CONFRONTI)的开发,并给出了此软件相应的显示结果。第5章给出了分析比较结果,并得出相应的结论。
孙伟[9]2015年在《基于地基GPS和掩星技术的区域电离层特征研究》文中提出电离层属于地球上层大气中的一部分,作为日地空间环境的重要组成部分,与人们的生活息息相关。电离层可以作为地球的保护层使各类生物免受来自太阳和宇宙的高能射线的直接辐射,同时又会显著地影响电磁波在大气中的传播,使得电磁波的传播产生散射、反射、折射、吸收等效应,对无线电波通讯、导航、卫星定位等与人类空间活动相关的活动产生巨大影响。电离层对无线电通信、导航、测量以及人类的空间活动都有着重要影响,因此,分析和研究电离层特征的变化规律和时空分布具有重要的科学意义和应用价值。极区是地球地理极点和地磁极点共同所在地,特殊的地理位置和日地空间环境决定了该地区电离层具有一定的特殊性,已成为地球空间物理学研究的重点区域。随着无线电通讯技术的发展和人类空间探测活动的日益深入,人们对认知和研究复杂的空间环境的愿望和需求越来越强烈。随着GPS技术的不断向前发展,其应用手段和方法不断扩展,随着我国国家基站站网的实施,结合掩星GPS技术的不断完善,使得GPS技术成为探测和研究电离层的新的重要技术手段,受到空间大气测量、空间物理等领域的广泛重视和研究。针对在不同的日地空间物理环境以及不同区域地理位置上,电离层特征会表现出不同的变化规律和特性,具有显著的时空变化特征,基于以上背景,本文将综合利用地基GPS和掩星技术,选取典型的中低纬地区(武汉)和高纬地区(南极),采用多源GPS实测数据和电离层函数模型提取电离层特征参量,对电离层变化和时空分布进行分析研究。本文的研究工作主要包含了以下内容:(1)基于地基GPS的高精度电离层TEC建模与获取较为系统地介绍了利用地基GPS观测数据反演电离层TEC的原理和方法,着重探讨了反演过程中载波相位平滑伪距和获取硬件延迟两个重要步骤。采用该反演方法,分析利用多项式函数、广义三角级函数和低阶球谐函数建立了武汉地区高精度的电离层TEC模型,并将拟合结果与CODE GIM结果进行了对比分析。(2)武汉地区近一个太阳周期的电离层TEC变化分析利用多项式函数建立了武汉地区的单层电离层TEC模型,获取了武汉地区近一个太阳周期的电离层TEC,对武汉地区电离层TEC的季节变化、周日变化以及半年异常变化进行了分析。(3)高精度电离层TEC应用—地震-电离层异常实例检测分析利用地基GPS观测数据和单层电离层模型获取了芦山地震、尼泊尔地震、美国加州地震前震中位置上空的电离层TEC,采用滑动窗口和四分位数相结合的统计方法,排除太阳和地磁活动对电离层扰动的影响,对三次地震前的电离层变化检测发现,芦山、尼泊尔地震震前均发生了显著的电离层异常变化,结合CODE GIM数据分析了两次地震前的电离层异常的变化和时空分布特征。(4)将球冠谐分析理论和方法引入南极地区电离层TEC建模研究将球冠谐分析理论和方法引入南极地区电离层TEC建模研究。利用南极地区的地基GPS数据,建立了南极地区的电离层TEC模型,将利用球冠谐函数获取的南极地区电离层TEC与其它函数模型拟合结果进行了比较,并结合球冠谐模型零阶项系数的物理意义,分析了其频谱特性。探讨了南极地区整体和局部地理位置电离层TEC季节变化、周日变化,对分析发现的威德尔海异常现象进行了探讨,对其发生的物理机制做了简要的解释。(5)基于掩星GPS技术的南极地区顶部电离层特征变化在详细介绍两种掩星GPS反演电离层电子密度的Abel积分方法基础上,利用南极地区的COSMIC掩星观测数据,通过与垂测仪、IRI模型进行比较对其中常用的利用TEC积分变换方法进行了验证。利用该方法反演了南极地区电离层电子密度剖面,提取了hmF2、NmF2、VSH等电离层参数,研究了太阳活动低年和高年期间南极地区的顶部电离层变化,讨论了F2层在太阳活动周期内的年际变化、季节变化、周日变化等,并且分析了南极地区顶部电离层的垂直结构特征。
吴小成[10]2008年在《电离层无线电掩星技术研究》文中研究表明无线电掩星技术作为一种既经济又强大的探测手段,从20世纪60年代就开始应用于行星电离层和大气探测,至今仍是行星探测的一种重要手段。无线电掩星技术作为全球卫星导航定位系统应用新的增长点,也将成为21世纪最先进的空间探测技术之一。该技术可测量电离层电子密度剖面和中性大气气象场,具有覆盖面广、全天候观测、长期稳定、高精度和高垂直分辨率等优点;该技术提供的观测资料,将对空间环境监测与研究、数值天气预报和气候研究具有极大的推动作用,在空间、天文、气象以及国防领域具有广泛的应用前景。本文介绍了无线电掩星技术的发展现状和基本原理,围绕电离层掩星理论和反演算法、验证及其应用等开展了诸多研究和探讨,主要内容如下:1、介绍无线电掩星观测模拟方法,包括轨道模拟和观测数据模拟。2、系统地研究了基于电子密度分布局部球对称近似的电离层掩星反演方法,着重研究如何处理LEO轨道高度以上电离层对无线电波的影响,发展了改正TEC反演方法、利用Chapman模式和IRI模式辅助反演共三种方法来处理此问题。统计比较结果表明,改正TEC反演方法是最佳的反演方法。当非掩星侧数据无法获得时,利用Chapman模式和IRI模式辅助反演的精度优于传统的弯曲角指数外推方法和忽略顶部电离层影响的方法。3、分析电离层掩星误差源,指出电子密度分布的局部非球对称性是电离层掩星的主要误差源。通过大量模拟掩星数据反演误差的统计分析,总结出以下特点:(1)反演误差随太阳活动水平的增强而增大;(2)反演误差在冬季最大,春秋季次之,夏季最小;(3)总的来说,中纬的反演误差比低纬和高纬小;(4)不考虑季节和纬度影响,白天的反演误差比夜间和晨昏小。4、利用非相干散射雷达和垂测仪数据,对COSMIC电离层掩星数据进行比较验证。结果表明,电离层掩星电子密度剖面与非相干散射雷达探测结果符合得较好;由掩星数据得到F层峰值电子密度NmF2与垂测仪探测结果具有很好的相关性,相关系数为0.937,相对偏差的标准差为20.7%。通过分类比较发现,COSMIC掩星探测得到的NmF2与垂测仪的相对偏差随季节、地磁纬度、地方时变化的特点,与模拟掩星数据反演误差统计结果符合得很一致。5、深入分析电子密度分布非球对称性影响电离层掩星反演的机制,为电离层掩星定义了非球对称因子,研究表明非球对称因子与NmF2的相对误差具有很好的线性关系,非球对称因子被用于反演结果的修正,大大降低反演误差。6、研究三维约束的电离层掩星反演方法。采用三维经验电离层模式作为约束,应用于模拟掩星数据反演,大大降低了反演误差,对实测数据反演结果与垂测仪的比较表明,反演结果合理可靠。首次尝试用球谐函数拟合,对全球分布的掩星电子密度进行建模,再将建模结果作为约束条件用于掩星反演,结果表明,这种方法可以大幅降低反演误差,可以应用于将来的掩星星座观测数据的反演。7、利用COSMIC掩星数据分析太阳活动低年的电离层气候特征。8、对火星电离层掩星探测进行仿真研究。研究表明,中俄联合火星探测中,星-星掩星双频探测得到的火星电离层电子密度,将会达到前所未有的测量精度;星-地掩星单频探测,可以有效获得白天火星电离层电子密度剖面。
参考文献:
[1]. 无线电掩星技术与CHAMP掩星资料反演[D]. 郭鹏. 中国科学院研究生院(上海天文台). 2005
[2]. GPS无线电掩星技术监测地球大气[J]. 黄栋, 黄城, 李金岭, 严豪健, 虞南华. 地球科学进展. 1997
[3]. GPS无线电掩星技术监测地球大气关键技术[J]. 蒋虎, 王小亚, 余金培, 龚文斌. 全球定位系统. 2008
[4]. GPS无线电掩星技术监测地球大气[D]. 黄栋. 中国科学院上海天文台. 1999
[5]. GPS无线电掩星技术反演地球大气参数中若干问题的研究[D]. 蒋虎. 中国科学院研究生院(上海天文台). 2002
[6]. GPS无线电掩星技术监测地球大气[C]. 蒋虎, 龚文斌, 余金培, 张锐. 中国空间科学学会空间探测专业委员会第十九次学术会议论文集(下册). 2006
[7]. 利用GPS无线电掩星技术探测大气的探讨[J]. 岳迎春, 胡友健, 赵雪莲. 地理空间信息. 2007
[8]. GPS掩星技术的应用研究[D]. 李娜. 武汉理工大学. 2008
[9]. 基于地基GPS和掩星技术的区域电离层特征研究[D]. 孙伟. 武汉大学. 2015
[10]. 电离层无线电掩星技术研究[D]. 吴小成. 中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心). 2008