GPS信号斜路径方向水汽含量的计算方法

利用GPS信号斜路径方向的水汽含量(SWV)探测水汽的三维分布，是目前国际上地基GPS气象学研究的前沿课题．基于此提出了一种利用无电离层影响的GPSLC非差观测组合直接计算斜路径方向水汽含量的方法．该方法每30秒钟计算一次斜路径方向的水汽含量．计算结果与水汽辐射计(WVR)的观测值比较表明，利用该方法计算斜路径方向的水汽含量可以达到毫米级的精度．把5分钟内的斜路径水汽投影到天顶方向取平均，与以5分钟间隔估计的可降水量(PWV)进行比较，结果表明二者之间的差别小于2mm．用该方法计算的GPS信号斜路径方向上的水汽含量，可以用于层析水汽的三维分布，优化数值天气预报的初始场，也可以改正GPS大地测量和雷达影像的误差。     

上海天文台GPS气象学的研究现状

介绍了上海天台GPS气象学的背景,进展和研究成果,从90年代起,上海天台就分别开展了地基GPS气象学和空基GPS气象学的研究工作,在地基GPS气象研究中,利用国内分布的23个GPS网站及周边地区6个IGS台站,在1996年7月26日到31日（6天）的GPS观测资料,首先求得中性大气天顶延迟改正序列,然后推出测站上空可降水汽量积分,采样频率分别取为30分钟和2小时,得到的天顶延迟改正的精度好于1cm,后演出可降不汽含量的内部精度约1－2mm,把国内GPS网中具有探空气球观测的4个台站,上海,武汉,箍春和西宁的资料进行比较,发现GPS和探空气球的可降水汽含量之间的平均中误差为3－4mm,考虑到上海地区在台风和气候变化较剧烈的季节因素,选择了1997年8月2日到9日（8天）和8月17日至27日（11天）的两个观测时段,做了国内第一个GPS/storm实验,实验结果表明,地面GPS网有可能获得几乎实时的,连续的和主精度的可降水汽含量值,它的结果很好地与实时降雨量过程相对应,实验证明,利用预报轨道可以获得与精密轨道几乎相同的结果,在空基GPS气象研究中,发现地面GPS网水汽观测具有良好的时间覆盖率的优点,缺乏空间分辨率的缺点,而现在的GPS无线电掩星方法恰恰具有良好的空间分辨率而缺乏时间覆盖率,因此,在地球低轨道（LEO）卫星的轨道设计中,提出了通约LEO卫星的方法,希望通过改进轨道的LEO卫星获得长达200多天的观测序列,而它的地面观测点的漂移可以控制在于小100km,这种方法也可以用来设计对特定地面点上空大气剖面的测定,还在设计和建立GPS无线电掩星反演大气剖面的软件。     

上海地区地基GPS水汽三维层析技术和初步应用

地基GPS(Global Positioning System)探测大气水汽主要包括3个方面的内容:一是观测天顶方向的大气水汽总量(Precipitable Water vapor,PW);二是遥测倾斜的信号路径上的水汽总量(Slant-path Water vapor,SW);三是应用组网的GPS站倾斜路径观测反演局地上空的水汽三维信息,即水汽层析(watervapor tomography)技术.简单介绍了上海地区稠密的地基GPS网,并且在该网的基础上通过GAMIT软件计算出的整层水汽PW和各个方向上的梯度信息及观测残差,来获得GPS测定的SW,运用层析的技术可获得上海地区水汽的三维分布信息.以2008年8月25日上海罕见的大暴雨为例,分析了水汽三维结果在强对流天气中的应用.     

CHAMP加速仪资料的快速校标研究

对星载加速仪进行校标是有效利用星载加速仪测量数据的基础,目前校标方法都是建立在星载GPS资料处理的基础上,对处理软件和计算设备的要求都非常高.为了满足高层大气阻力研究的需要,提出了一种快速高效的校标方法,即利用GFZ公布的CHAMP卫星快速轨道作为观测资料,采用有尺度因子和线性偏差的加速仪测量值代替非引力模型摄动加速度...     

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．     

全球大气折射延迟映射函数的可能性问题

自从新空间技术问世以来,大气传播误差的研究已经成为提高观测精度的主要课题之一。作为最新大气延迟映射函数0之一的Niell模型（NMF）已经在归算过程中受到重视。利用探空气球资料沿光程数值积分方法并在理论上分析了NMF模型的优点和缺点,认为：Niell利用探空气球资料来建立大气折射映射函数的方法有它的合理因素,例如可以建立一个台站或一个地区的映射函数;但是,即使利用充分多的探空气球资料,要建立高精度的“全球”大气延迟映射函数还存在着很大的困难。     

LAMBDA方法在计算GPS信号斜路径水汽含量中的应用

随着GPS数据处理技术的提高以及计算精度的提高,GPS在大气科学中的应用日益广泛.在GPS气象学研究中,斜路径水汽含量(SWV)是一个有重要意义的参数.针对宋淑丽等在2004年提出的一种应用精密星历、IGS钟差、和经过周跳处理的LC组合观测值直接计算SWV的方法存在实时性较差的问题,在处理模糊度搜索的问题上应用了目前城市虚拟参考站(VRS)上应用较为成熟的LAMBDA方法.经过数据试算,验证方法可行,计算结果投影到天顶方向有较好的一致性,此方法得到的垂直方向大气延迟(ZTD)与GAMIT,BERNESE的结果比较,与BERNESE结果的符合精度一般小于1.5cm,与GAMIT结果的符合精度一般小于10cm.     

多模型融合的对流层天顶延迟估计方法

为提高对流层天顶延迟(Zenith Tropospheric Delay, ZTD)估计精度,基于传统对流层天顶延迟建模思路,提出Saastamoinen, Askne和GPT3多模型融合的对流层天顶延迟估计方法。分别采用Saastamoinen和Askne模型估计干延迟和湿延迟,并引入GPT3模型提供温度、气压、水汽压、大气加权平均温度和水汽垂直递减率等气象参数。利用全球大地测量观测系统(Global Geodetic Observing System, GGOS)Atmosphere和国际GNSS服务机构(International GNSS Service, IGS)提供的亚洲区域2016～2018年66个IGS站的对流层天顶延迟数据对本文方法进行评估,结果表明,以GGOS Atmospheres数据为参考时,Sas+Ask+GPT3模型精度(均方根为4.53 cm)较同等条件下的Sas+Ask+UNB3m和Sas+GPT3模型分别提高约29%和19%,以IGS对流层天顶延迟数据为参考时,Sas+Ask+GPT3模型精度(均方根为4.35 cm)较另两种模型分别提高约25%和14...     

地面GPS观测探测大气可降水汽量的方法和前景

介绍了利用地面GPS观测探测大气可降水汽量（PWV）的基本原理和方法及其在气象学和天文定位上的应用．地面GPS测量的PWV估计的主要误差源来自天顶湿延迟的估计．为了提高天顶湿延迟的估计精度,根据大气湿分量随时间变化的特性,天顶湿延迟的估算可采用确定性参数估计和随机模型估计．采用这些方法能有效地提高GPS精密定位中高程测量的精度,且其估算的PWV的精度可达1-2mm,足以满足天气预报和气候研究的需要．简述了大气分布的非球对称性对PWV估计的影响并评述了利用地面GPS测量探测PWV的前景．     

低高度角大气静力学延迟修正的改进

进行低高度角观测是GPS(Global Positioning System)气象学的发展趋势,其中发展高精度的低高度角的大气静力学延迟修正是主要的关键技术.比较了3种计算无线电波从空间到地面接收机的大气静力学延迟修正方法:(1)在大气球对称假设下用探空气球资料路径积分得到大气静力学延迟;(2)在大气球对称假设下用NCEP(National Centers for Environmental Prediction)再分析资料得到大气静力学延迟;(3)用Niell的大气静力学映射函数得到大气静力学延迟.与2001年中国地区89个探空气球站资料计算得到的大气静力学映射函数比较结果显示:NCEP再分析资料路径积分的方法在低高度角(5°以下)的精度好于Niell映射函数模型约5倍.     

云南天文台大气水汽含量的观测

简述了利用北京师范大学研制的ＩＲＡ－９３５型红外水气测量仪，对凤凰山上空垂直大气水汽积分含量Ｗ０的观测结果及精度。并且给出了Ｗ０的各种变化曲线，在旱季和雨季的Ｗ０分布。同时也给出了红外测水仪测得的数据Ｗ０与无线电探空资料计算得到的数据Ｗ０的比较相关。结果表明：凤凰山上空垂直大气积分水汽含量雨季平均为２．４９６ｃｍ，旱季平均为１．００３ｃｍ；Ｗ０与Ｗ’０的相关系数为０．９４２，测量误差小于５％。     

基于多源GNSS观测数据的三维电离层研究现状及发展

近年来,随着GNSS (global navigation satellite system)技术的发展,利用地基和空基GNSS电离层探测的空间特征,形成了更加完善的三维电离层观测系统,获得了丰富的多源GNSS电离层观测数据,促进了电离层在理论模型、经验模型及同化模型方面的进展,同时,通过结合中性大气及等离子层等方面的研究,为极端气象、太阳活动及磁暴等事件的监测与物理机制研究提供了数据基础与研究手段。介绍了多模地基及星载GNSS电离层观测数据发展现状,并讨论了空基GNSS电离层观测数据在电离层顶部区域经验模型改进方面的进展。指出电离层经验模型可作为同化模型的初始场,而电离层理论模型可将其作为卡尔曼滤波的动力学部分,以通过同化算法利用多源数据重建或预测电离层,并阐述了多源及多模GNSS电离层观测数据的增加背景下电离层同化模型构建过程中新的要求与发展。最后,提出自适应格网与机器学习可成为电离层同化算法方面的新研究方向,以促进三维电离层研究。     

在97.8GHz处测量地球大气的不透明度

用研制的全自动辐射计在97．8GHz上测量南京市内大气的不透明度以及这种不透明度随时间的变化．辐射计记录大气在不同天顶高度的辐射温度,由此测出天顶方向的大气不透明度。在56小时的测量时间内,取得了1400多组数据,拟合得到了在观测时段内天顶方向的大气不透明度在0．2至0．7之间,典型值为0．4,表明测试地点的大气条件允许进行3mm波段的射电天文观测．由于在工作频段内大气不透明度的主要来源是对流层水汽的吸收,测量的不透明度可用来直接反映大气内水汽的含量,并实时校准大气吸收．     

无人值守GNSS方法测定射电望远镜参考点

为解决常规射电望远镜归心测量工作耗时耗力的问题,引入GNSS (Global Navigation Satellite System)同步监测技术实现了一种针对射电望远镜参考点的无人值守监测方法.设计了针对GNSS靶标点观测数据的归算方法,包括数据匹配、数据检核以及后续精度评估等步骤,并对2018年佘山25-m射电VLBI (Very Long Baseline Interferometry)望远镜的GNSS靶标点实测数据开展了数据预处理、解析与归心解算等,证明了该方法的可行性.结果表明基于该方法,采用单日内部分(5%)数据(约7600个靶标点),所测定的VLBI望远镜参考点的点位形式精度可达3 mm.总结了针对射电望远镜采用GNSS开展无人值守归心测量先行试验中的一些经验教训,明确了利用该方法测量过程中应该注意的问题,为今后更高精度射电望远镜参考点无人值守归心监测提供重要参考.     

多种空间大地测量技术内综合方法研究及精度分析

详细地叙述了国际空间大地测量技术服务组织ILRS(International Laser Ranging Service),IVS(International VLBI Service),IGS(International GNSS Service)和IDS(International DORIS Service)分别采用SLR(satellite laser ranging),VLBI(very long baseline interferometry),GPS(global positioning system)和DORIS(Doppler orbitography and radio-positioning intergrated by satellite)四种技术,并由多家分析中心的站坐标和地球定向参数的SINEX(solution in independent exchange format)周解(或24 h观测解)进行技术内综合解算的方法,包括技术内综合模型的建立、参考架基准约束问题和不同分析中心解的定权方法等主要内容,并对ILRS,IVS,IGS和IDS提供的技术内综合周(日)解的长期序列进行了站坐标和地球定向参数(earth orientation parameters,EOP)的精度评估,分析了地球参考架基准参数的长期特性。由地球参考架基准定义可知,SLR技术内SINEX综合解相对于ITRF2014的平移参数时间跨度最长,且没有明显的偏差或漂移;GPS技术的三个方向平移参数虽然弥散度最低,但是在X方向和Y方向存在长期的线性变化,在Z方向存在跳变;DORIS技术也有类似GPS技术的现象。这些结果说明ITRF2014选择SLR定义的地心作为参考架原点是有道理的。通过分析台站坐标精度可知,利用各种技术对核心站和非核心站进行区分非常重要,所分别得到的精度有明显的不同。由于GNSS(global navigation satellite system)台站多且分布广,因此地球定向参数的确定精度要高于其他三种技术。     

高美古观测站大气消光系数测定的初步结果

大气消光系数的测定是天文观测台站一项很重要和基础的工作.介绍了利用新建的2.4 m望远镜在高美古观测站开展的消光系数测定等定标工作的初步结果.利用2009年4～5月对Landolt标准星场的2次测光观测,分别给出了UBVRI 5个波段的消光系数.此外,对该站点大气消光的成分情况进行了探讨.给出的结果与数年前高美古观测站选址时得到的大气消光系数基本一致,并与其它一些知名天文观测台站的消光数据进行了比较.     

利用地基GPS技术反演武汉地区大气可降水分

利用武汉地区的探空资料和GPS实测数据，对对流层干分量延迟、对流层加权平均温度进行了检验分析．结果表明，对于武汉地区而言，常用的大气干分量延迟模型(SAAS Hopfield and Black)存在着1-2cm的系统误差，这在利用GPS资料估算大气可降水分(PWV)时会引入2-3mm的误差；对流层加权平均温度与常用的Bevis公式也存在着一定的差异，但这种差异对PWV结果影响很小．为此，提出了校正对流层干分量延迟的方法，并利用实测数据对该方法进行了检验．实践证明，这种校正方法基本上可以消除常用干分量模型的系统误差。     

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.     

电离层TEC对GRB041227的响应

2004年12月27日世界时21时30分,一个非常强的γ射线暴扫过地球,它使得暴露在这次事件中的地球高层大气产生额外电离.在爆发期间,地球上多个甚低频(VLF)电波台站都同时观测到了电离层突然骚扰(SID)事件.对GOES卫星的X射线数据、ACE卫星的太阳风和行星际数据以及理论分析表明,地球上观测到的SID事件是由GRB041227引起的.另外,利用国际GPS服务网(IGS)提供的观测数据,采用相干求和的数据处理方法研究了电离层总电子含量(TEC)对这次γ射线暴的响应.结果表明,SGR1806-20产生的GRB041227对地球电离层产生了明显的影响.在爆发期间,平均电离层TEC有一定的增加,其最大增加值约0.04TECU(1TECU=10~(16)el/m~2),产生效果与一个C级或者低于C级的太阳耀斑相当.计算结果还表明了遥远的天体也能对地球的近地空间环境产生或多或少的影响.     

电离层TEC对小耀斑的响应

利用国际GPS观测网(IGS)提供的多个台站的观测数据,分析了M级别以下的小、暗太阳耀斑对向阳面电离层TEC的影响．利用传统分析方法的结果表明,从单条视线(LOS)观测数据得到的电离层TEC及其时间变化率曲线来看,由于它们的波动水平和正常情况下的背景电离层变化相当,使此类小耀斑的信息完全淹没在背景噪声中,不能够显示和分辨出耀斑的发生．利用相干求和的数据处理方法,选用向阳面18个GPS台站的观测数据研究了一次C级SF耀斑引起的电离层TEC增加,结果发现,这种方法能有效地消除背景电离层变化噪声,电离层对耀斑的响应非常清楚和明显,这通常只能在X级别的大耀斑中看到．和GOES卫星X射线数据相比,电离层TEC变化的时间特征和耀斑爆发的开始、最大和结束时间均有很好的符合,其最大平均TEC增量在0．1TECU以下,和X级别的大耀斑相比有一个或多个量级上的差别．