火星电离层无线电掩星探测仿真研究

对中俄联合火星星-星电离层掩星技术体制进行了分析和介绍,采用三维射线追踪方法对电离层掩星事件的电波观测值进行了模拟计算,并利用模拟的掩星观测数据进行了电子密度廓线反演,结果说明仿真算法可靠.利用仿真的方法,分别对掩星电波相位观测误差和卫星轨道误差等带来的反演误差进行了个例计算和分析,结果得到:5%周的相位测量误差对白天电离层掩星探测结果的影响可以忽略,而夜间电子密度测量的绝对误差小于4×108 m-3;卫星轨道误差对掩星的主要影响是导致电离层高度抬升或下降.结果表明,中俄联合火星电离层掩星探测技术体制先进,可望获得高精度的电子密度廓线;其技术体制也可以用于月球电离层环境的探测.     

电离层掩星反演的正则最大熵法

电离层掩星数据现已成为电离层观测数据的重要来源,对掩星数据的反演研究一直是掩星研究的热点.传统采用的改正TEC(1btal Electron Content)的Abel变换反演法为线性反演法,它会把测量误差带入反演结果中.为改善反演效果受测量误差的影响,引入两种非线性的反演方法一正则化和正则最大熵反演法.随后设计模拟试验,对3种方法进行验证、比较,得到正则最大熵反演法可以很好地减小测量误差的影响.     

基于数据融合的电离层VTEC反演精度分析

随着空间目标活动和卫星导航系统的增多,观测电离层数据的途径越来越多,探测精度也越来越高.在Kalman滤波的基础上,利用2016年的国际参考电离层(IRI-2016)模型中电离层垂直电子含量(Vertical Total Electron Content, VTEC),结合地基反演得到的VTEC值,利用数据融合算法提高电离层VTEC的近实时反演精度.针对加拿大附近高纬度区域(130°W–150°W, 60°N–70°N)、朝鲜、韩国和日本周边中纬度区域(115°E–135°E, 32.5°N–42.5°N)、洪都拉斯和危地马拉附近低纬度区域(80°W–100°W, 10°N–20°N)进行了观测,比较发现地基反演和数据融合技术得到的电离层VTEC精度都比较高,但是数据融合得到的电离层VTEC在3个区域的精度都明显更好.该算法能够很好地应用在地面基准站数量较多的区域,同时也能应用在地面基准站数量较少或者海洋、沙漠等布设地面基准站不方便的区域,提高电离层VTEC的精度.     

上海天文台CHAMP掩星资料处理结果的统计分析

随着GPS全球定位系统的发展,已经有可能使用GPS掩星技术反演精确的大气温度,压强和湿度剖面．在概要地描述上海天文台(SHAO)开发的GPS掩星数据资料反演地球大气流程模块以后,分析了2002年8月1日至2002年8月17日期间2700多次CHAMP掩星数据资料的结果,并且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,并分析了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．     

利用地基GPS网高精度实时监测电离层TEC

地基GPS网是监测电离层总电子含量(TEC)的有效手段之一,本文基于上海综合GPS应用网建立了高时空分辨率(0.5h×0.1°×0.1°)的垂直TEC格网模型,用于实时地监测该地区上空电离层TEC变化.该模型每30min给出一幅电离层TEC图,详细地反映了区域电离层分布和变化情况,并可用于实时地改正该地区单频GPS接收机的电离层延迟.     

GPS／LEO掩星方法中的电离层延迟量对太阳射电辐射流量的响应

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。     

GPS/LEO掩星方法中的电离层延迟量对太阳射电辐射流量的响应

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。     

北斗星地双向时频传递与广广播钟差精度分析

与其他卫星导航系统不同,北斗卫星导航系统采用星地双向时间比对技术,直接测量卫星钟相对于地面保持的系统时间的钟差,并用于广播电文钟差参数的建模。讨论了电离层延迟误差、卫星相位中心误差等不同误差源对不同类型卫星双向时间同步卫星钟差精度的影响。实测数据分析结果表明,星地双向卫星钟差内符合精度(RMS)优于0.15 ns。利用双向卫星钟差序列,对广播星历钟差参数预报精度进行了分析,统计结果显示广播电文钟差参数预报1 h,精度在2 ns以内,移动卫星刚入境时,钟差参数预报6 h误差可达10 ns。     

北斗卫星导航系统服务精度评估

精度是北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System,BDS)服务指标体系的重要内容.给出了北斗卫星导航系统精度指标的含义及精度指标的评估方法,利用实测数据分析了北斗系统实际实现的精度指标,并将其与GPS系统实际实现的精度指标作比较分析.DOP(几何精度因子)值由卫星导航系统空间星座分布决定,是影响用户定位授时精度的重要因素,比较了北斗与GPS在中国区域DOP值分布的差异.GPS系统PDOP(定位几何精度因子)分布均匀,随用户经度和纬度变化不大,在1.0–2.0之间.而受混合星座影响,北斗系统PDOP分布随着测站经度和纬度变化较大,变化范围为1.5–5.0;且随测站纬度增加而变大,由中心经度(东经118?)向两侧不断变大.对于影响用户等效距离误差的空间信号精度进行了比较分析.利用IGS(国际GNSS服务组织)提供的事后精密轨道、激光跟踪数据和北斗双向时频传递测量的卫星钟差评估了北斗基本导航电文的精度.结果表明:北斗IGSO(倾斜地球同步轨道)卫星和MEO(中轨道)卫星轨道径向误差约为0.5 m,大于GPS卫星轨道小于0.2 m的径向误差.北斗GEO(地球同步轨道)卫星激光残差约为65 cm,IGSO卫星和MEO卫星激光残差约为50 cm.受卫星钟差数据龄期影响,MEO卫星钟差参数误差明显大于IGSO卫星和GEO卫星,约为0.80 m.最后,采用MGEX(多GNSS系统试验项目)多模接收机进行了定位试验,分析了北斗系统和GPS在定位精度上的差异.结果表明:受星座构型影响,北斗卫星导航系统定位精度与GPS系统定位精度相比有所差异,但满足水平定位精度优于10 m、高程定位精度优于10 m的设计要求,双系统组合定位精度好于单一系统定位精度.     

对称模式下的CHAMP弯曲角掩星数据同化

简单介绍了无线电掩星技术探测行星大气的发展史,列举了该技术中存在的若干问题。从 Eyre提出的统计学的最优估计反演方法,比较了用相位、弯曲角和折射率作为同化因子时出现的问题和各自的优缺点。对弯曲角同化因子,以欧洲中期天气预报中心(ECMWF)资料为背景场,运用一维变分技术,进行CHAMP掩星观测资料变分同化反演,从而获得水汽和温度剖面。将反演获得的气象剖面与非同化的剖面作比较,并且采用相应的探空气球资料作为验证,可以看出变分同化技术比传统的标准反演技术反演误差小。证实掩星数据资料的一维变分同化技术可以改进目前的数值天气预报模式。     

电离层延迟改正对GPS定时的影响分析

为分析电离层延迟改正对GPS定时的影响,采用修正电离层延迟的Klobuchar模型法和双频法,并利用IGS(International GNSS Service)观测站多天的GPS实测数据,计算得到了定位结果、GPS接收机钟差及其与IGS产品的测站钟差之差值.计算结果的分析表明,上述两种电离层延迟修正法有利于改善GPS定时结果,其中双频改正法效果更好.     

GIM在LEO卫星单频GPS定轨中的应用

电离层延迟误差是单频GPS(Global Positioning System)数据最主要的误差源,为提高基于单频GPS数据的LEO(Low Earth Orbiting)卫星定轨精度,必须消除/减弱GPS观测数据中电离层延迟影响.研究了全球电离层模型GIM(Global IonosphericMaps)在基于单频GPS伪距数据的低轨卫星运动学和动力学定轨中的应用,并通过估算电离层尺度因子的方法消除C/A码伪距观测量中电离层延迟影响.由于LEO卫星星载GPS信号受电离层延迟影响与卫星轨道高度相关,选取了轨道高度在300～800 km的CHAMP(CHAllenging Mini-satellite Payload)、GRACE(Gravity Recovery AndClimate Experiment)、TerraSAR-X及SAC-C等LEO卫星C/A码伪距观测量作为试算数据.CHAMP等卫星实测数据计算结果表明:以JPL(Jet Propulsion Laboratory)发布的GIM模型作为背景模型,通过电离层比例因子法能很好地消除C/A码伪距观测量中电离层延迟影响,提高LEO卫星运动学和动力学定轨精度,其中,CHAMP卫星轨道最低,受电离层延迟影响最严重,定轨精度提高最显著,分别为55.6%和47.6%;SAC-C卫星轨道高度最高,受电离层延迟影响最小,相应的定轨精度提高幅度也最低,分别为47.8%和38.2%.     

LEO卫星轨道设计中的主要摄动源影响评估

对地球低轨道卫星 (LEO)轨道设计中的摄动力模型进行了分析 ,并估计了其量级。然后针对用于GPS无线电掩星的LEO卫星轨道设计对掩星地面测点稳定性的要求 ,对力学模型进行了取舍 ,同时估计了各摄动力模型对轨道设计目标的影响     

GPS掩星折射率剖面一维变分同化

近年来,GPS／LEO(全球定位系统／低地球轨道)卫星无线电掩星技术给出了地球大气探测的新途径．从LEO卫星观测到的掩星数据可以反演的地球大气的气压、水汽、温度等剖面;它们对气象和大气科学研究,是具有潜在价值的数据资源．掩星数据资料的同化技术可以有效地改进这些气象参数的剖面,从而改进目前的数值天气预报模式．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．作为独立自主开发的GPD／LEO掩星技术系统的一部分,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．     

卫星圆轨道假设对GPS无线电掩星反演地球大气参数的影响

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1K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，摒弃圆轨道是必要的。     

二维射线跟踪技术中的掩星面坐标系

在大气球对称假设下,可以从弯曲角观测资料通过Abel积分变换反演得到折射率廓线。在低层大气中,折射率水平不均匀性可能导致Abel反演在近地面的误差达到10%。避免该误差的一种有效方法是不通过Abel反演而采用非对称模式下二维射线跟踪算子直接将弯曲角同化到数值天气预报模式中。文章介绍了非对称模式下二维射线跟踪技术的背景、原理和数学模型,讨论了掩星面坐标系与地心惯性坐标系之间的转换关系。     

GPS实时监测和预报电离层电子含量

GPS能高精度地实时监测电离层总电子含量(TEC)变化，对纠正单频GPS接收机电离层延迟和监测电离层活动及其所反映的太阳活动规律具有重要意义．上海地区GPS综合应用网的建立，为监测长江三角洲地区电离层变化提供了宝贵的资料，利用这些双频GPS接收机的连续观测资料，可近实时地监测和预报该地区电离层总电子含量，其内外符精度和外推预报30分钟的精度均优于0.4m．     

导航型GPS接收机定时精度的分析

“能提供廉价并满足准确度达到或优于１μｓ的产业需求的世界范围内的时号传播”仍然是ＣＣＩＲ第７研究组的研究课题．为此，我们测量了４种型号的１３台导航星ＧＰＳ接收机输出的１ｐｐｓ与陕西天文台主钟ＵＴＣ（ＣＳＡＯＭＣ）的时间偏差．经电缆延迟和主钟相对子ＵＴＣ（ＣＳＡＯ）的钟差改正，测量结果表明，单次（采样时间约３０ｓ）定时测量的精度约为０．２μｓ，准确度为１～３μｓ；不同型号的ＧＰＳ接收机的硬件延时、测量偏倚误差和接收机噪声特性各不相同．只有测定这些接收机的时钟偏差并加以改正，才能达到准确度优于１μｓ的定时精度或时间同步精度。     

上海天文台GPS/LEO掩星反演地球大气模拟软件(SHAOOS)介绍

由中国科学院上海天文台和温州师范学院数学系联合开发的上海天文台GPS/LEO掩星反演地球大气模拟软件SHAOOS(ShanghaiAstronomicalObservatoryOccultationSimulation)是根据大气折射定律和射线追踪原理设计的 ;其目的是为GPS/LEO掩星反演地球大气技术的理论研究提供多功能的模拟程序 ,并为上海天文台将来的GPS/LEO掩星技术综合科学计算软件包作技术准备。简单介绍了SHAOOS的基本物理原理、数学方法、程序结构和功能以及在此软件基础上可进一步开展的应用研究工作     

电离层的掩星分离假设反演法

该文首先简要介绍了无线电掩星探测技术及其发展现状和传统Abel变换方法面临的问题.为改进传统Abel变换反演方法,利用电子密度廓线的分离假设,引进了分离假设反演法.随后利用国际电离层参考模式IBI2007给出1000个掩星事件截面的模拟数据及COSMIC卫星星座的一天实测数据,进行比较计算,并对结果进行了分析,验证了分离假设反演法的有效性.文中还给出了垂直电子总量VTEC(Vertical Total Electron Content)先验场的获取途径.最后,对分离假设反演法的进一步研究的方向进行了探讨.