Abel电离层掩星反演方法及误差分析

GNSS-LEO电离层无线电掩星技术是近年来发展的电离层探测新技术.为消除LEO轨道以上的电离层影响,改正TEC反演方法采用非掩星侧的观测数据进行电离层掩星反演.本文首次提出了一种新方法--基于历元差分的电离层反演方法;并将改正TEC与历元差分两种反演方法应用于模拟掩星观测数据反演,随后基于反演结果及误差分析得到一些有益的结论:历元差分反演精度较改正TEC反演精度均有所提高;不管是哪种方法,高轨(约800 km)反演结果要优于低轨(约500 km)的反演结果;随着剖面高度的降低,反演精度随之下降;反演误差主要集中在8至18时(当地时),主要分布在磁纬-30°至30°之间.     

大气掩星反演误差特性初步分析

GPS大气掩星探测技术可以获得全球大气折射率、气压、密度、温度和水汽压等气象参数，该技术基本原理是基于几何光学近似的Abel积分反演.地球扁率、电离层传播时间延迟、大气大尺度水平梯度、多路径传播现象等因素在某些高度范围影响大气反演的精度.本文采用模拟的方法，分析其中地球扁率及电离层对反演结果的影响，并讨论局部圆弧修正及电离层修正的效果.利用CHAMP掩星实测轨道数据和有关电离层和大气经验模式、采用三维射线追踪方法模拟计算几种情形下的GPS掩星观测附加相位数据，对模拟数据进行反演，将反演气象参量剖面与模拟时给定模式剖面进行比较，得到了0～60 km高度范围内的反演误差.误差统计分析结果表明，局部圆弧中心的修正以及电离层修正，对于高精度的GPS掩星反演是非常重要的；电离层修正残差仍是制约30～60 km高度范围内反演精度的重要因素，进一步完善和优化大气掩星反演需要发展新的电离层修正算法.     

电离层GPS掩星观测反演技术

在电离层局部地区球对称假设下,推导了利用双频和单频无线电掩星观测数据,反演电离层电子密度剖面的两种方法. 双频反演的误差来自于载波相位的观测误差,单频反演误差则主要由伪距的观测精度决定. 由于载波相位测量精度比伪距测量精度高两个量级,因此双频反演的精度一般比单频反演的高些. 不过,两载波信号L1和L2之间的传播路径差异会给双频方法带来误差. 利用三维射线追踪的程序模拟的无线电掩星数据来评估这些方法,结果表明,反演出的电离层剖面与给定的模式电离层非常吻合,验证了两种方法的可靠性和准确性. 将这两种反演方法应用于处理实测的GPS/MET掩星观测数据,均能获取合理的电离层剖面信息. 且单频方法得到的反演剖面与双频方法相当一致, 这为利用LEO星载单频GPS接收机进行电离层掩星观测提供了理论基础.     

GPS测量误差对大气掩星反演精度影响分析

在无线电GPS大气掩星观测中,GPS和LEO卫星的位置误差、速度误差、卫星钟的漂移、载波相位观测误差等会给其反演的大气参量带来一定的误差.为定量分析上述GPS测量误差对大气掩星反演精度的影响,本文采用模拟分析的方法,利用CHAMP实测轨道数据和大气与电离层经验模式,采用三维射线追踪方法模拟得到大气附加相位观测数据;然后根据各种GPS测量误差的不同性质,在模拟掩星观测大气附加相位数据中加入GPS测量误差并进行反演,将其反演结果与未加入误差时的反演结果进行比较,分析各测量误差所带来的掩星反演误差的特点;利用一天的151个分布全球的掩星事件的误差结果进行统计分析.结果表明:(1)±10 m的GPS径向位置误差引起的温度反演误差的平均误差在30 km的高度为(-+)0.8K,标准偏差为0.05K;±0.4 m的LEO径向位置误差引起的温度反演误差的平均误差在30 km的高度为(-+)1.2K,标准偏差为0.07K.(2)仅考虑卫星速度误差对掩星几何关系的影响,则±30 m/s的GPS速度误差引起的温度反演误差的平均误差最大为±0.02K,标准偏差为0.3K;±10 m/s的LEO速度误差引起的温度反演误差的平均误差最大为±0.4K,标准偏差为0.06K.(3)当卫星钟漂为1×10-9时,反演温度误差的平均误差在30 km的高度为263K,标准偏差为16K,当卫星钟漂为1×10-14时,反演温度误差的平均误差在30km的高度为0.019K,标准偏差为0.004K.(4)当L1和L2载波相位观测误差分别为1 mm和2 mm时,引起的温度反演的平均误差在30 km的高度为0.01K,标准偏差为0.4K.(5)利用较接近真实观测的三维大气和电离层背景下的模拟附加相位数据,同时加入国际最新指标的各种GPS测量误差进行反演,误差分析结果为:在30 km以下,折射率和密度的相对误差小于0.3%(1σ),压强的相对误差小于0.5%(1σ),温度误差小于1K(1σ).     

LEO GPS接收机仪器偏差估计

LEO GPS观测已成为空间电离层研究重要手段之一,通过GPS双频观测值获取的TEC则是电离层探测的一个重要参量,为获取高精度TEC需估计和消除GPS接收机仪器偏差（DCB）.本文旨在探索一种全新的LEO GPS接收机仪器偏差的估计方法：基于电离层球对称的假设,利用CHAMP和COSMIC原始GPS观测数据,采用几何映射函数,通过最小二乘解算出GPS接收机仪器偏差.结果表明：(1)2008年1月份期间,通过上述方法解算的仪器偏差都较稳定,相比COSMIC网上发布结果,标准偏差都在0.6 ns以内;（2）COSMIC（轨道高度大约800 km）仪器偏差估计结果优于CHAMP（轨道高度大约400 km）的结果,原因为：对于不同轨道高度LEO GPS仪器偏差估计,其较高轨道高度的电离层球对称假设影响较小.     

三维模式约束的电离层掩星反演方法

目前电离层掩星数据反演是基于电离层电子密度分布局部球对称近似的Abel反演方法,实际电离层的非球对称性会给电子密度反演结果带来误差.本文研究利用三维电离层模式来提供电子密度水平变化的先验信息约束电离层掩星反演的方法,即三维模式约束法;并将该方法应用于模拟掩星观测数据和实测掩星数据的反演.模拟观测数据的反演结果表明,与Abel反演方法相比,三维模式约束法能够减小反演误差.采用IRI2001模式作为约束,对COSMIC电离层掩星实测数据反演,将反演结果与全球的垂测仪数据进行比较,结果表明,三维模式约束法和Abel反演方法都能很好地反演电离层掩星.     

电离层GPS掩星反演技术研究

GPS无线电掩星技术是崭新的、高效的地球大气层和电离层探测技术,但仍在发展和完善之中.本文详细推导了Abel积分和绝对TEC电离层反演方法,研究了如何解决Abel积分产生的上下限异常问题;用COSMIC发布的GPS原始数据进行了反演计算,将结果与地面电离层测高仪数据进行了比较,最后讨论了周跳对反演结果的影响问题.结果表明：（1）在较高轨道高度（约800 km）,Abel积分与绝对TEC方法的反演结果基本一致,都与电离层测高仪反演结果符合良好;在较低轨道高度（约500 km）,绝对TEC反演精度优于Abel积分反演精度;（2）绝对TEC反演的最大电子密度N_m较Abel积分法获得的结果更接近于电离层测高获得的峰值电子密度N_mF₂,绝对TEC反演法更加严密和有效;（3）周跳对绝对TEC反演结果的影响较Abel积分反演结果的影响更为敏感,但无论哪种方法,周跳对反演精度都造成严重损失.综合而言,绝对TEC反演法是更优的方法.     

电离层残差对掩星反演温度精度的影响

本文以MSIS90大气模式和3D NeUoG电离层模式为大气背景,用三维射线追踪法模拟研究了太阳活动强度、地方时、掩星平面方位角对弯曲角电离层残差和温度电离层残差的影响,以及电离层残差对全球日平均温度的影响.结果表明：电离层残差是平流层顶部（35~50 km）和中间层底部（50~70 km）掩星大气温度反演的主要误差.在太阳活动活跃期,电离层残差对单一掩星事件的平流层顶部平均温度的影响可达1.8 K,中间层底部平均温度的影响可达7 K;对全球日平均温度的影响在平流层顶可达-0.6 K,在70 km高度处可达1.2 K.发展新的电离层改正方法或电离层残差修正算法对提高掩星大气反演精度和全球气候监测意义重大.     

GPS地面台网和掩星观测结合的时变三维电离层层析

本文给出GPS地面台网和掩星观测结合的时变三维电离层层析的原理、算法和基于实测数据的反演结果.反演结果的比较表明,联合地基GPS与掩星观测数据进行重建,电子密度整体图像的重建质量特别是其垂直结构的重建质量得到了明显改善.在平静日和磁暴期间两种条件下利用实测数据的重建结果表明,GPS地面台网和掩星观测结合的电离层层析可以获得电离层电子密度在高度-纬度-经度-时间四维空间中的变化.重建结果清晰地显示了磁暴期间电离层负相暴效应,表明结合GPS地面台网和掩星观测的时变三维电离层层析可以有效地监测扰动条件下的大尺度电离层结构.     

电离层水平不均匀性对无线电掩星资料反演的影响

电离层水平不均匀结构是引起掩星资料反演的主要误差源.本文模拟不均匀结构对无线电掩星资料反演的影响.首先利用3-D全球射线追踪技术进行了模拟.结果指出:电离层电子密度20%的变化可能引起GPS的时延增加约12m.其次,将90%的掩星时延对应的路径长度,定义为电离层掩星测量的水平分辨率,其值为1200-2000 km.最后,计算了不同纬度电离层当地正午、子夜和日出时的电离层水平不对称指数.它表明:低纬夏季日出时,不对称指数达-78%,反演结果可能有较大误差.     

Inversion of GPS meteorology data

The GPS meteorology (GPS/MET) experiment, led by the Universities Corporation for Atmospheric Research (UCAR), consists of a GPS receiver aboard a low earth orbit (LEO) satellite which was launched on 3 April 1995. During a radio occultation the LEO satellite rises or sets relative to one of the 24 GPS satellites at the Earths horizon. Thereby the atmospheric layers are successively sounded by radio waves which propagate from the GPS satellite to the LEO satellite. From the observed phase path increases, which are due to refraction of the radio waves by the ionosphere and the neutral atmosphere, the atmospheric parameter refractivity, density, pressure and temperature are calculated with high accuracy and resolution (0.5–1.5 km). In the present study, practical aspects of the GPS/MET data analysis are discussed. The retrieval is based on the Abelian integral inversion of the atmospheric bending angle profile into the refractivity index profile. The problem of the upper boundary condition of the Abelian integral is described by examples. The statistical optimization approach which is applied to the data above 40 km and the use of topside bending angle profiles from model atmospheres stabilize the inversion. The retrieved temperature profiles are compared with corresponding profiles which have already been calculated by scientists of UCAR and Jet Propulsion Laboratory (JPL), using Abelian integral inversion too. The comparison shows that in some cases large differences occur (5 K and more). This is probably due to different treatment of the upper boundary condition, data runaways and noise. Several temperature profiles with wavelike structures at tropospheric and stratospheric heights are shown. While the periodic structures at upper stratospheric heights could be caused by residual errors of the ionospheric correction method, the periodic temperature fluctuations at heights below 30 km are most likely caused by atmospheric waves (vertically propagating large-scale gravity waves and equatorial waves).Present address: Communications Research Laboratory, Upper Atmosphere Section, 4-2-1 Nukui- Kita, Koganei- shi, Tokyo 184, Japan     

Radio occultation data analysis by the radioholographic method

The radioholographic method is briefly described and tested by using data of 4 radio occultation events observed by the GPS/MET experiment on 9 February 1997. The central point of the radioholographic method (Pavelyev, 1998) is the generation of a radiohologram along the LEO satellite trajectory which allows the calculation of angular spectra of the received GPS radio wave field at the LEO satellite. These spectra are promising in view of detection, analysis and reduction of multipath/diffraction effects, study of atmospheric irregularities and estimation of bending angle error. Initial analysis of angular spectra calculated by the multiple signal classification (MUSIC) method gives evidence that considerable multibeam propagation occurs at ray perigee heights below 20 km and at heights around 80–120 km for the 4 GPS/MET occultation events. Temperature profiles obtained by our analysis (radioholographic method, Abel inversion) are compared with those of the traditional retrieval by the UCAR GPS/MET team (bending angle from slope of phase front, Abel inversion). In 3 of 4 cases we found good agreement (standard deviation σ_T∼1.5°K between both retrievals at heights 0–30 km).     

Tomographic imaging of the ionosphere using the GPS/MET and NNSS data

The earlier experiments of ionospheric tomography were conducted by receiving satellite signals from ground-based stations and then reconstructing electron density distribution from measures of the total electron content (TEC). In June 1994, National Central University built up the low-latitude ionospheric tomography network (LITN) including six ground stations spanning a range of 16.7° (from 14.6°N to 31.3°N) in latitude within 1° of 121°E longitude to receive the naval navigation satellite system (NNSS) signals (150 and 400 MHz). In the study of tomographic imaging of the ionosphere, TEC data from a network of ground-based stations can provide detailed information on the horizontal structure, but are of restricted utility in sensing vertical structure. However, an occultation observation mission termed the global positioning system/meteorology (GPS/MET) program used a low Earth orbiting (LEO) satellite (the MicroLab-1) to receive multi-channel GPS carrier phase signals (1.5 and 1.2 GHz) and demonstrate active limb sounding of the Earth's atmosphere and ionosphere. In this paper, we have implemented the multiplicative algebraic reconstruction technique (MART) to reconstruct and compare two-dimensional ionospheric structures from measured TECs through the receptions of the GPS signals, the NNSS signals, and/or both of the systems. We have also concluded the profiles retrieved from tomographic reconstruction showing much reasonable electron density results than the original vertical profiles retrieved by the Abel transformation and being in more agreement in peak electron density to nearby ionosonde measurements.     

无线电掩星反演大气参数误差分析及应用进展

本文详细分析了影响空间GPS无线电掩星反演大气参数方法的主要误差源，其中包括信噪比误差，精密定轨误差，电离层模制误差，多路径效应和时钟改正等误差，并且介绍了国内外在无线电掩星领域的一些应用研究进展。     

COSMIC低轨卫星GPS接收机差分码偏差估计

GPS接收机差分码偏差（Differential Code Bias,DCB）是利用COSMIC低轨卫星观测值反演电离层总电子含量TEC的一项重要误差源.本文将COSMIC卫星轨道高度以上的电离层作为一个单层,采用球谐函数来参数化电离层TEC值,并利用最小二乘法同时估算电离层球谐系数和DCB参数.运用这种方法对2012年12月份的所有COSMIC卫星GPS接收机DCB进行了解算,并与COSMIC数据分析与档案中心CDAAC提供的产品进行了比较.实验结果表明：在2012年12月期间,估计的接收机DCB与CDAAC结果符合的较好,二者DCB变化趋势相近,DCB差值的RMS值在2 TECU以内,且最大绝对差值小于3 TECU;此外,本文计算的接收机DCB估计误差主要分布在0.2~0.4 TECU之间,具有较高的内符合精度.     

大气GPS掩星观测反演方法

大气GPS掩星观测可获得全球的大气气象参量剖面信息.本文阐述了地球大气GPS掩星观测反演原理,详细介绍了其几何光学近似反演方法和全谱反演方法,提出了将几何光学反演方法和全谱反演方法结合以形成可以处理多路径掩星数据的反演新方案.该方案和几何光学反演方法应用于GPS/MET和CHAMP大气掩星数据反演,成功地获得了大气参量剖面.结果表明,新反演方案是可行的、有效的GPS大气掩星反演方案.