GPS在高空气象探测中的应用

1 GPS概述全球定位卫星系统简称GPS,由GPS卫星星座、地面站和用户接收机组成.共有21颗工作星和3颗备用星,卫星轨道倾角55度,卫星离地面约2万米.地面站包括主控站、监测站和注入站.用户接收机分大地测量型,导航型和授时型.无论是大地测量,还是导航或授时都涉及时间基准.GPS有精度很高的时基系统,这是GPS的核心.每个GPS卫星上都带有精度很高的原子钟,30万年误差不超过1秒.GPS采用了扩频通信技术,利用直接序列扩频可测无线电信号传播的时间延迟的特性,测量GPS卫星到用户接收机的伪距,建立GPS卫星到用户接收机的球面三角方程式.由于空中至少有四颗GPS卫     

贵州省大气加权平均温度模型研究

加权平均温度作为地基GPS大气水汽反演的一个重要参量,对水汽反演精度有着重要的影响。利用贵州省贵阳、威宁两个探空站2015—2017年的探空观测数据和地面观测数据,采用数值积分法、最小二乘法对两站的大气加权平均温度进行计算,建立了贵州省月、季度、年的大气加权平均温度本地化模型。利用2018年数据进行验证,研究结果表明:贵州加权平均温度的标准差和相对标准差、均方误差、均方根误差小于Bevis经验公式,精度优于Bevis;该模型可以用于贵州大气水汽反演。     

地基GPS和微波辐射计倾斜路径水汽对比观测试验方案设计

为开展地基GPS接收机和微波辐射计斜路径水汽总量的对比观测试验,设计实现一套控制微波辐射计全自动追踪可视范围内某颗GPS卫星,以获取微波辐射计与该GPS卫星之间斜路径水汽总量的外场试验方案.根据观测设备的特点,在软件控制层面上,该试验方案集成GPS接收机和微波辐射计的I/O数据和控制文件,实现各种天气条件下的自动连续观测,获取的观测数据样本具有代表性.该试验方案的实施全程由计算机控制,既可避免可能的人为操作失误,又能节约人员劳务开支.初步的观测结果表明,试验方案能够满足倾斜路径水汽总量对比试验对微波辐射计定位精度的要求.     

地面综合遥测站两次温度采集异常情况的分析

针对钟祥站遥测系统2003年3月23日和4月24日两次温度采集异常情况,运用madab绘图工具分别对人工站观测数据和遥测系统观测数据进行同期的连续对比分析,找出了遥测系统采集数据的异常时段,并对其出现原因进行了分析。结果表明：某些大雾、降水等异常天气能导致遥测系统采集记录失真。     

FY-4A辐射产品在贵州山区的检验与订正

本文利用2018年3月12日—2019年2月28日近一年(2018年春季—冬季)贵州山区（从江、三穗、桐梓、贵阳、紫云、兴仁、威宁7站）地面太阳辐照度观测资料对FY-4A反演辐照度进行检验与订正分析。结果表明：（1）卫星反演辐照度取值范围比地面观测小,整体而言反演辐照度偏高,晴空条件下反演精度远高于云条件,正午偏差最小,下午偏差最大。（2）卫星反演辐照度与地面观测辐照度具有较为一致的日变化和季节变化,两者呈显著正相关,相关系数随海拔高度呈负相关。（3）平均偏差往往随着地面观测的增大而减小,当地面观测辐照度大于800 W?m-2时,反演辐照度往往偏小。（4）对地面观测辐照度进行阈值划后,用多元线性回归方法对反演辐照度订正,订正后的产品在贵州具有较好的适用性。     

FY-4A辐射产品在贵州山区的检验与订正

本文利用2018年3月12日—2019年2月28日近一年(2018年春季—冬季)贵州山区（从江、三穗、桐梓、贵阳、紫云、兴仁、威宁7站）地面太阳辐照度观测资料对FY-4A反演辐照度进行检验与订正分析。结果表明：（1）卫星反演辐照度取值范围比地面观测小,整体而言反演辐照度偏高,晴空条件下反演精度远高于云条件,正午偏差最小,下午偏差最大。（2）卫星反演辐照度与地面观测辐照度具有较为一致的日变化和季节变化,两者呈显著正相关,相关系数随海拔高度呈负相关。（3）平均偏差往往随着地面观测的增大而减小,当地面观测辐照度大于800 W?m-2时,反演辐照度往往偏小。（4）对地面观测辐照度进行阈值划后,用多元线性回归方法对反演辐照度订正,订正后的产品在贵州具有较好的适用性。     

风云极轨卫星数据的第一“落脚地”——佳木斯气象卫星地面站采访侧记

正如果把气象卫星比作一支进入太空完成探测任务的风筝,那么控制风筝的线变成了卫星联系地面的无线电波,而手握这根线的,就是分布在世界各地的卫星地面站。佳木斯气象卫星地面站(以下简称佳木斯站)是我国本土的四个气象卫星地面站之一,其主要职责就是接收中国和世界上其他极轨气象卫星数据。佳木斯站与北京、广州、乌鲁木齐及瑞典基律纳站一起构成了风云气象卫星数据全球接收网,各站的地面数据接收覆盖如图1所示。     

利用地基GPS反演积雪深度

利用全球导航卫星系统反射信号研究测站周边地表环境参数是近年来遥感领域的研究热点之一。利用测量型全球导航卫星信号接收机数据,实时获取其周边的积雪深度,是对现有降雪监测方法的有效补充。该文基于GPS信噪比与信号振幅的变化特征,研究了使用GPS信噪比观测值进行雪深探测的算法,并首次使用国家气象观测站的业务观测数据对地基GPS反演雪深算法进行了验证。对比试验使用近两个月的人工积雪深度测量值与GPS信号反演的积雪深度值进行了逐日比较,二者的吻合度较好,标准偏差为2.04cm,相关系数为0.94。该对比试验表明,利用常规测量型地基GPS接收机观测数据进行雪深探测是可行的。应用地基GPS反演雪深技术,气象部门基于现有的地基GPS水汽监测网可进一步开展积雪环境监测研究。     

广西省级CMACAST接收系统故障分析及处理

针对近几年广西省级卫星数据广播分中心站在使用过程中遇到寻星仪接收不到卫星信号,或接收机维修后如何重新设置技术参数等问题,通过介绍接收机修改软件HTD CView的使用方法,以及卫星接收服务器常见故障问题,将广西省级卫星数据广播系统在日常业务运行过程中常出现的问题进行分析及处理经验,与同行进行交流和探讨。     

利用GPS定位资料分析L波段雷达测风性能

新研制的GPS探空仪是在我国高空站网上普遍使用的L波段雷达-数字探空仪系统中增加GPS定位模块,高空风数据不但可以通过GPS定位数据计算获得,同时还可以通过L波段雷达单测风方式进行计算,这样使其自身获得了多方面的动态比对试验。通过对23份对比施放记录分析发现:在一般情况下,经过同等的适当滑动平滑后,从L波段雷达和GPS定位两个独立系统得出的高空风廓线基本一致,说明L波段雷达的测风精度基本可以达到GPS测风水平。但在探空仪上升到高空小风速区且远离测站时,雷达测风精度明显较GPS测风精度低,需要对原始数据进行更大范围的平滑。对照分析表明:目前高空站的L波段雷达观测业务还有较大发展潜力。     

全谱反演技术在山基掩星数据处理中的应用

山基掩星观测是一种探测特定区域气象数据的新技术。该文从山基掩星探测技术的概念出发,阐述了山基掩星探测技术的特点和优势,介绍了山基掩星观测数据几何光学反演方法; 在详细介绍全谱反演技术的基础上,提出了采用全谱反演技术来处理山基掩星观测数据的新方法。采用该方法对2005年8月在河北兴隆雾灵山获取的山基掩星观测试验探测数据进行了处理,成功获得了大气折射率剖面, 将全谱反演结果与几何光学反演结果和同时获取的时空匹配的探空数据进行了比对分析。结果表明:全谱反演结果与几何光学反演结果平均相对偏差小于2%,全谱反演结果偏小,标准偏差低于3%;全谱反演结果与常规探空结果的平均相对偏差为8.15%,全谱反演结果偏小,标准偏差为1.4%。     

地空基GPS探测应用研究进展

GPS大气探测(GPS气象学)目前已成为国际GPS应用的热点问题，可分为地基和空基应用两个方向。目前，地基的研究和应用技术已基本成熟，并从技术研究走向业务应用；在空基探测方面，国际上很多国家和地区都实施并发射了GPS应用气象小卫星，美国国家极轨环境卫星(NPOES)和欧盟极轨气象卫星系列(METOP)也都将搭载星载的GPS接收机，用于对地的掩星探测。GPS气象学已成为卫星气象学的一部分，它所获得的稳定的覆盖全球的对流层和平流层温度、气压、水汽和空间电子浓度的廓线资料，对气象预报、气候变化和空间天气的研究业务应用具有重要的应用价值。     

地基导航卫星遥感水汽数据管理系统的设计与实现

中国大陆构造环境监测网络("陆态网络")项目建成了覆盖全国的由260个站组成的GPS综合应用网,中国气象局利用"陆态网络"的资料进行全国地基实时水汽总量的监测。针对"陆态网络"的GPS数据管理问题,基于B/S架构、开源WebGIS进行系统构建和网页发布,并采用Flex、JSP和Applet等技术搭建了地基导航卫星遥感水汽数据管理系统,实现了GPS站数据传输的实时监控、台站信息的统一管理等功能,用以满足当前对地基GPS站的监控和保障。     

雾灵山GPS掩星观测实验分析

在高山的山顶上, 利用GPS接收机跟踪低仰角和负仰角的GPS卫星信号, 即山基GPS掩星观测, 该技术可以获得低层大气折射指数剖面。2005年8月1—29日, 在河北雾灵山 (40.60°N, 117.48°E, 海拔2118 m) 开展了山基GPS掩星观测实验, 共获得576 h的原始观测数据, 跟踪到掩星事件共1136次, 其中621次上升掩星事件, 515次下降掩星事件, 平均每小时观测到2次掩星事件, 经反演成功获得939个大气折射指数剖面。分析结果表明:山基掩星事件发生时间 (地方时) 大体呈平均分布; 山基掩星事件持续时间大部分在15~20 min; 山基掩星事件跟踪最低负仰角分布的峰值出现在-3°~-2.5°之间, 所跟踪到的最低负仰角达到-4.994°, 出现在正南稍偏东方向; 下降掩星事件的最低仰角分布明显低于上升掩星事件的最低仰角分布。上述实验结果表明:山基掩星观测每天可为低层大气环境监测提供大量时空分布的折射率数据, 具有潜在的应用前景。     

获取GPS斜路径方向水汽含量算法

获取高精度的GPS信号斜路径方向的水汽含量（SWV）数据,是获得测站周围水汽三维空间分布信息（水汽层析）的基础。目前计算SWV的方法有多种,但都不同程度地存在解算实时性差、解算精度不高、转换方程复杂不利于系统维护等缺点。本文计算SWV方法综合Bernese 5.0软件的双差处理流程和非差处理流程,分别获得相关站点的湿延迟梯度值和非差残差值,能近实时、高精度地反演SWV。使用该方法重新处理2007年微波辐射计和GPS对比观测试验数据,均方根误差小于4 mm。证明应用该方法,地基GPS可较精确地反演三维水汽信息。     

异地气象卫星地面站的时间同步方案及误差分析

时间统一是跨区域多个气象卫星地面站顺利完成卫星数据接收任务及全系统业务正常运行和控制的重要要素。时间的标准有世界时、原子时及世界协调时等，提供时间标准的源有专用时统设备、全球定位系统（GPS）授时设备、天文台短波广播接收设备等。系统内的时间差异将使系统不能协调工作，导致接收任务的部分失败或完全失败。首先介绍了时间标准，和时间在业务系统中传输的常用方法，然后介绍一种利用GPS授时设备提供时码源，实现全系统时间统一的解决方案，最后讨论了采用该方法给系统授时的时间误差分析方法。该方案在气象卫星地面应用系统中成功应用，并可靠工作。此方案在多雷达组成的探测网，自动气象站网及其他气象业务网络中也将有广泛的应用前景。     

贵阳和威宁霜消时气象要素对比分析

该文使用1961-2020年霜的观测数据分析了贵阳和威宁站霜的气候分布特征,用霜在白天的持续时长与08时的气象要素进行相关性分析得知贵阳站气温、露点温度、地温、5 cm地温与霜持续时长有较好的负相关,相关系数的绝对值均大于0.7,威宁站气温、露点温度、5 cm地温与霜持续时长有较好的负相关,相关系数的绝对值均大于0.4。贵阳和威宁上述几个气象要素在霜消前的变化特征如下:贵阳威宁站的气温均高于地温,二者平均温差贵阳站为2.17℃,威宁站为3.31℃;贵阳站气温和地温的差值有最小的标准差1.53℃,威宁站5 cm地温有最小的标准差2.09℃。从这两个因子的平均态来看,当贵阳站气温和地温之差大于2.17℃、威宁站5 cm地温大于5.09℃时预示着该站霜的消融。     

微型无人驾驶飞机气象探空系统

微型无人驾驶飞机气象探空系统由微型无人驾驶飞机,数字化探空仪和地面接收控制处理系统组成。微型无人驾驶飞机采用ＧＰＳ导航,具有自动导航,、自动驾驶功能,它能在机载自动控制系统控制下完成预定航线的飞行,并实时地浆飞机的飞行轨迹和探测数据传送到地面。     

普适型GPS用于黄河盐锅峡水位监测分析

黄河水文变化复杂,现有水位监测方法费时费力且不能很好满足时间分辨率和空间分辨率两个方面的需求.地基GPS-IR技术的出现为水位监测提供了新的手段,但目前大多数地基GPS-IR技术采用的接收机为高精度大地测量型接收机,成本高、时效性差,不适合大范围推广.首先介绍了普适型GPS接收机的组成,并对GPS数据观测质量进行了分析;其次给出了地基GPS-IR技术用于水位监测的基本原理;最后利用黄河盐锅峡GPS实测数据进行GPS-IR水位提取,以兰州水文站水位监测数据为参考分析了普适型GPS接收机反演水位的精度,得到了最佳RMSE为0.21 m的精度.实验结果表明,普适型GPS接收机可用于长时间水位监测.